接近開關(guān)操作頻率智能測試平臺的研究與實現(xiàn)

龍 林， 程武山， 岳 敏， 阮慶洲

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)，上海 201620;2.上海電器設(shè)備檢測所，上海 200063)

0 引言

接近開關(guān)是一種用于工業(yè)自動化控制系統(tǒng)中以實現(xiàn)檢測、控制并與輸出環(huán)節(jié)全盤無觸點化的新型開關(guān)元件。當開關(guān)接近某一物體時，即發(fā)出控制信號。由于接近開關(guān)的廣泛適用性，使得市場供求越來越大，其增長與工業(yè)經(jīng)濟的發(fā)展密切相關(guān)，同時接近開關(guān)產(chǎn)品的種類越來越多，精度要求越來越高，導(dǎo)致國外產(chǎn)品在競爭激烈的市場占有先機。國內(nèi)的接近開關(guān)生產(chǎn)制造要改變現(xiàn)狀，提高接近開關(guān)質(zhì)量是關(guān)鍵，接近開關(guān)檢測試驗是鑒定接近開關(guān)質(zhì)量的一個重要環(huán)節(jié)，接近開關(guān)研究性試驗是改進設(shè)計與新產(chǎn)品開發(fā)的重要依據(jù)。試驗的目的就是驗證產(chǎn)品性能是否符合標準和技術(shù)條件的規(guī)定，檢驗產(chǎn)品在制造上是否存在影響運行的各種缺陷。國內(nèi)對接近開關(guān)智能低壓電器測試系統(tǒng)的研究尚處于起步階段，檢測設(shè)備的水平還落后于國外的先進水平。傳統(tǒng)接近開關(guān)操作頻率檢測普遍采用單一的檢測方法，每次試驗只能檢測一種試品，檢測效率不高，能源浪費嚴重，且每臺檢測設(shè)備處于獨立運行狀態(tài)，無法形成網(wǎng)絡(luò)化的測試體系結(jié)構(gòu)。另一方面，對接近開關(guān)的檢測仍然普遍采用人工控制的方式，隨機誤差大、可靠性低、精度低［1］。

本研究針對測試電感式、電容式、非機械磁性式和超聲波式乃至光電式所有形式的接近開關(guān)的操作頻率檢測，操作頻率是接近開關(guān)最重要檢測指標之一，檢測過程中被測信號多、數(shù)據(jù)量大、強電磁干擾嚴重、試驗間隔時間短、數(shù)據(jù)處理工作量大等特點，采用計算機技術(shù)、現(xiàn)代控制技術(shù)、高精密傳感器技術(shù)和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究開發(fā)接近開關(guān)操作頻率智能測試平臺。

1 智能測試平臺原理

1.1 智能測試平臺集成原理

智能測試平臺主要由平臺柜、標靶轉(zhuǎn)盤、變頻器、調(diào)速電機、電缸、電滑臺、頻率測定裝置、基準傳感器和被測接近開關(guān)裝夾機構(gòu)、西門子 PLC、研華 PCI-1714UL數(shù)據(jù)采集卡［2-3］等硬件集成，智能測試平臺各部件控制框架原理如圖1所示。為保證測試人員安全，接近開關(guān)的測試是在封閉的平臺柜里進行，測試平臺的測試流程由軟件系統(tǒng)控制。試驗是通過PLC和變頻器聯(lián)合控制電機旋轉(zhuǎn)標靶轉(zhuǎn)盤，使接近開關(guān)不斷動作響應(yīng)，測出接近開關(guān)輸出信號的響應(yīng)頻率或者根據(jù)其輸出信號與基準傳感器輸出信號間的延時換算得到操作頻率值。

圖1 控制系統(tǒng)控制框架原理圖

運行接近開關(guān)智能測試平臺控制系統(tǒng)，啟動電機帶動標靶轉(zhuǎn)盤旋轉(zhuǎn)，使接近開關(guān)不斷感應(yīng)轉(zhuǎn)盤上標靶產(chǎn)生電壓輸出信號，然后，轉(zhuǎn)化范圍為±5 V電壓信號經(jīng)采集卡采集。對采集的信號進行計算處理，以驗證廠家生產(chǎn)的接近開關(guān)是否符合國家規(guī)定的標準。基準傳感器需具備大于40 kHz的轉(zhuǎn)換頻率，測控系統(tǒng)采用研華觸摸屏工業(yè)控制計算機和研華PCI-1714UL高速數(shù)據(jù)采集卡。PCI-1714UL是通用的數(shù)據(jù)采集卡，適用于PC及兼容機，具有4路單端模擬量輸入通道，4路A/D［4］轉(zhuǎn)換器可同時進行數(shù)據(jù)采集并轉(zhuǎn)換，每個通道的參數(shù)可單獨進行編程設(shè)置，具有多種A/D觸發(fā)方式。此測試系統(tǒng)主要應(yīng)用數(shù)據(jù)采集卡采集(±5 V)的電壓信號，因此需配置電壓轉(zhuǎn)換器對采集的電壓進行轉(zhuǎn)化。

1.2 接近開關(guān)操作頻率計算原理

圖2為接近開關(guān)試品導(dǎo)通波形與基準傳感器導(dǎo)通波形相差圖。光電式接近開關(guān)操作頻率試驗需要計算的量包括波形的最大上升延(Ton)值，最大下降延(Toff)值，接近開關(guān)試品操作頻率可根Ton和Toff值計算，f=1/(Ton+Toff)，其中Ton+Toff≥0.3 ms，Tinter＜2(Ton+Toff)。

圖2 接近開關(guān)試品導(dǎo)通波形與基準傳感器導(dǎo)通波形

1.3 電能質(zhì)量參數(shù)計算

電能質(zhì)量定義為導(dǎo)致用電設(shè)備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，其內(nèi)容包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、暫時或瞬態(tài)過電壓、波形畸變、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續(xù)性等。電能質(zhì)量分析所需主要參數(shù)計算公式如下。

電流有效值Irms、電壓有效值Urms分別為:

最后求m個周期的平均值。

三相平均功率:

最后求m個周期的平均值。

相位差。先求無功功率:

求m個周期的平均值，根據(jù)有功功率和平均功率的三角關(guān)系:φ=arctan(Q/P)。

三相功率因數(shù):

2 控制軟件系統(tǒng)的開發(fā)

2.1 系統(tǒng)組件化設(shè)計

控制系統(tǒng)組件集成如圖3所示。通過人機界面實現(xiàn)發(fā)布調(diào)度目標、調(diào)度過程監(jiān)測、數(shù)據(jù)報表輸入輸出、信息確認、信息發(fā)布等各種交互功能。

(1)通訊組件。封裝可編程序控制器(PLC)［5-6］連接OPC通訊接口程序，其中OPC包括兩種接口即自定義接口和自動化接口，自定義接口是一組COM接口，自動化接口是一組OLE接口。OPC服務(wù)器主要由三類對象組成:Server服務(wù)器、Group組和Item項目，基于自定義接口，OPC軟件包括OPC服務(wù)器軟件和OPC客戶端軟件，客戶端OPC Client調(diào)用OPC Server對PLC進行讀寫操作［7-8］。

(2)自動化控制組件。以PLC為核心控制器控制電滑臺、電缸，根據(jù)測試過程要求，使用PLC梯形圖進行各種功能編程，實現(xiàn)電缸驅(qū)動電缸。控制系統(tǒng)I/O點包括開關(guān)量和模擬量兩種，分別對開關(guān)量和模擬量I/O地址做出分配。在電缸的控制器LEC系列中，搭載了RS-485傳輸線路的LEC串行通訊口。

(3)數(shù)據(jù)與波形組件。該組件基于LabView2010［9-10］平臺開發(fā)，通過采集卡采集接近開關(guān)通斷信號，其中模擬觸發(fā)功能提供多種觸發(fā)條件的選擇，數(shù)字觸發(fā)則提供上升沿觸發(fā)與下降沿觸發(fā)兩種選擇。

(4)報表生成組件。封裝數(shù)據(jù)源連接接口程序調(diào)用檢測所一體化管理信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫已有存儲過程，組件還內(nèi)嵌有調(diào)用Word和Excel接口。

圖3 控制系統(tǒng)組件集成圖

(5)視頻控制組件。該組件為第三方控件，測試開始時，測試人員可以根據(jù)視頻方便地調(diào)節(jié)操作機構(gòu)如電滑臺、電缸的位置使其對準被測試品即接近開關(guān)，也通過視頻對安裝在智能測試平臺柜里操作機構(gòu)的運行狀況進行監(jiān)控。

(6)電能質(zhì)量分析組件。該組件基于Matlab和Visual C++混合編程技術(shù)［11］實現(xiàn)，調(diào)用該組件動態(tài)庫可計算電流有效值Irms、電壓有效值Urms、三相平均功率、三相功率因、電壓偏差［12］、三相電壓不平衡、電壓諧波總畸變度率、2～64次諧波電壓含有率、電壓波動與閃變等40多項指標數(shù)等電能質(zhì)量其他參數(shù)值，也可對采樣N點的Irms、Urms數(shù)值進行計算。

2.2 軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)

軟件的開發(fā)工具和數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)分別選用Visual Studio 2008、SQL Server2005，部分調(diào)用接口的動態(tài)庫使用Visual C++6.0編寫。VS2008內(nèi)含C++，C#等多種編譯器，提供豐富組件以及類向?qū)У乳_發(fā)工具［13］。軟件系統(tǒng)界面功能主要包括實時顯示所測物理量數(shù)值、輸出測量信號實時顯示波形曲線，并能生成原始數(shù)據(jù)自動保存到SIMIS數(shù)據(jù)庫。SIMIS即檢測所一體化管理信息系統(tǒng)。

(1)系統(tǒng)主控模塊。接近開關(guān)動作頻率智能測試平臺中電滑臺、電缸運動主要由PLC控制電缸驅(qū)動器完成，可靠性高，抗干擾性強。PLC作為下位機控制的核心模塊，通過串口與上位機通信。當操作員通過設(shè)置工控機中的參數(shù)，將動作指令發(fā)送至PLC，PLC內(nèi)部的CPU模塊讀取相應(yīng)指令與現(xiàn)場信號，通過自身集成的輸出端口控制電動執(zhí)行器完成試品的定位和裝夾;然后，PLC的模擬量輸出模塊發(fā)出模擬量電信號控制變頻器運行，進而控制異步電機帶動調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)速以滿足不同接近開關(guān)操作頻率檢測的需求。當電機運行平穩(wěn)后，采集電路開始將接近開關(guān)實時的通斷波形采集到控制系統(tǒng)中，波形顯示功能模塊調(diào)用電能質(zhì)量分析組件接口可在線和離線分析采集數(shù)據(jù)并存儲，并根據(jù)用戶需要生成測試報表。

(2)系統(tǒng)登錄界面。本系統(tǒng)有多個操作者和多個權(quán)限級別，權(quán)限控制相當復(fù)雜，系統(tǒng)采用位映射法來控制用戶權(quán)限，用戶登錄密碼采用MD5算法驗證用戶信息的有效性，MD5算法是在哈希函數(shù)中計算散列值，由于算法的某些不可逆特征，在加密應(yīng)用上有較好的安全性，并且，MD5算法的使用不需要支付任何版權(quán)費用。

(3)變頻器控制模塊。電機啟動、停止及轉(zhuǎn)速由變頻器控制。工業(yè)控制計算機與變頻器使用RS485傳輸線路和ModbusRTU協(xié)議［14］進行串行通訊，通信協(xié)議幀結(jié)構(gòu)如表1所示。Address:設(shè)定從站地址，當該值與基本參數(shù)內(nèi)的“控制器ID”一致時，通信數(shù)據(jù)判斷為本站的數(shù)據(jù)，控制器ID(01h～FFh)。Function參數(shù)編碼功能如表2所示。

表1 通信幀結(jié)構(gòu)

(4)SIMIS數(shù)據(jù)庫模塊。為實現(xiàn)檢測活動的無紙化作業(yè)，以及檢測報告的全自動生成，接近開關(guān)操作頻率智能測試平臺控制系統(tǒng)需要與SIMIS系統(tǒng)進行接口，SIMIS系統(tǒng)提供兩類數(shù)據(jù)庫接口，一類是獲取信息接口，可以從數(shù)據(jù)庫中獲取到相關(guān)的檢驗信息;另一類是回傳數(shù)據(jù)接口，可以回傳檢驗數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)庫中。控制系統(tǒng)為節(jié)省與SIMIS系統(tǒng)長時間連接的占用SIMIS服務(wù)器資源，僅在需要訪問數(shù)據(jù)庫時才建立數(shù)據(jù)庫連接，并在數(shù)據(jù)庫訪問結(jié)束后立即釋放數(shù)據(jù)庫連接。數(shù)據(jù)庫接口的數(shù)據(jù)交互功能受整個檢測業(yè)務(wù)流程所控制。例如回傳檢測數(shù)據(jù)功能，只在當前檢測任務(wù)處在檢測節(jié)點時才能正常回傳，否則會產(chǎn)生異常。

3 智能測試平臺實現(xiàn)

根據(jù)控制系統(tǒng)控制框架原理圖開發(fā)了接近開關(guān)操作頻率智能測試平臺，為保證操作人員安全測試過程平臺柜體封閉，圖4為測試平臺實物圖主要由計算機控制系統(tǒng)(1);手動操作面板(2);試品裝夾機構(gòu)(3);定位機構(gòu)(4);低速標靶轉(zhuǎn)盤(5);高速標靶轉(zhuǎn)盤(6);基準傳感器(7);可調(diào)速電機(8);控制系統(tǒng)硬件模塊(9)等組成。裝夾機構(gòu)能將接近開關(guān)固定在轉(zhuǎn)盤正面區(qū)域，水平及垂直位置在一定范圍內(nèi)均可由定位機構(gòu)自由調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)盤上的標靶在試驗時需固定，標靶可方便更換或通過更換轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)，標靶邊長最小5 mm，最大100 mm，標靶厚度1 mm，標靶為方形，常用尺寸從小到大:5、10、18、30、45、60、75 及 100 mm，時間測量精度大于等于1 s:±0.8%。不同類型的接近開關(guān)操作頻率的檢測通過改變不同的標靶或轉(zhuǎn)盤來實現(xiàn)，試驗是通過旋轉(zhuǎn)標靶轉(zhuǎn)盤，使接近開關(guān)不斷響應(yīng)動作，測出接近開關(guān)輸出信號Ton和Toff值，然后計算出被測接近開關(guān)的響應(yīng)頻率。其中，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動速度不小于2 500 r/min，試品與標靶固定的距離2～100 mm，基準傳感器可大于40 kHz的檢測頻率，波形顯示界面能顯示大于4 kHz頻率的波形。

圖4 智能測試平臺實物圖

4 結(jié)語

接近開關(guān)操作頻率智能測試平臺試驗時可實時監(jiān)控平臺柜內(nèi)試驗設(shè)備運行狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上對高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)進行了設(shè)計和研究，從技術(shù)上消除了人為因素對采集原始數(shù)據(jù)的影響。平臺工控機軟件系統(tǒng)可根據(jù)被測試品輸出信號與基準傳感器輸出信號間的延時換算得到操作頻率值，軟件界面還具有顯示主要電能質(zhì)量參數(shù)值功能。目前，該平臺應(yīng)用于上海電器檢測所，現(xiàn)場檢測試驗結(jié)果表明該測試平臺運行穩(wěn)定、可靠，測量方法科學(xué)，測量精度高。

［1］崔玉龍，劉教民，李新福.開關(guān)電器試驗高速數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)研究［J］.河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2003(2):25-29.

CUI Yu-1ong，LIU Jiao-min，LI Xin-fu.Study on the highly speed data sampling and processing technique in switch apparatus test［J］.Journal of Hebei University of Technology，2003(2):25-29.

［2］龔育才，高月輝，姜培剛.基于PCI1714測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.青島理工大學(xué)學(xué)報，2007(5):75-78.

GONG Yu-cai，GAO Yue-hui，IANG Pei-gang. Design and completion of testing system based on LabVIEW and PCI-1714［J］.Journal of Hebei Technology University，2007(5):75-78.

［3］牛穎蓓，曾碧能，宋耀東，等.基于PCI-1714UL數(shù)據(jù)采集卡的測速系統(tǒng)設(shè)計［J］.電光系統(tǒng)，2009(2):36-38.NIU Ying-bei，ZENG Bi-neng，SONG Yao-dong，et al.Development of velocity measurement system based on high speed data acquisition card PCI-1714UL［J］.Electronic and Electro-Optical Systems，2009(2):36-38.

［4］趙燕云.電網(wǎng)設(shè)備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2008(1):506-507.

ZHAO Yan-yun.Design of rem ote monitoring of power equipment［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012(4):506-507.

［5］李瑋華，楊秦建.在線帶式輸送機托輥工況動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的研發(fā)［J］.西安科技大學(xué)學(xué)報，2005(5):100-104.

LI Wei-hua，YANG Qin-jian.Dynam ic testing system of strap conveyer S roll release online［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2012(4):100-104.

［6］謝 飛，張 華.基于PROFIBUS-DP總線PLC控制系統(tǒng)實時性能研究［J］.工業(yè)控制計算機，2011(6):100-101.

XIE Fei，ZHANG Hua.Real-time performance of PLC control system based on pROFIBUS-DP bus.［J］.Industrial Control Computer，2011(6):100-101.

［7］宋清昆，林 森，馮金超.基于Profibus-DP現(xiàn)場總線通信接口設(shè)計［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2010(11):197-199.

SONG Qing-kun，LIN Sen，F(xiàn)ENG Jin-chao.Design of fieldbus communication interfacebased on profibus-DP ［J］. Modern Electronics Technique，2010(11):197-199.

［8］HONG D，SANDOLACHE G，BAUCH I R E.A new optical technique for investigations of low voltage circuit Breakers［J］.IEEE Transon Plasma Sci，2005，33(2):976-981.

［9］阮慶洲，陳建兵，朱 剛，等.基于LabVIEW的智能低壓電器測試技術(shù)［J］.低壓電器，2011(5):55-60.

RUAN Qing-zhou，CHEN Jian-bing，ZHU Gang，et al. Testing technology of intelligent low voltage apparatus based on LabVIEW［J］.Low Voltage Apparatus，2011(5):55-60.

［10］部德才，孫 嶠，李學(xué)慧.基于LabVIEW的智能化磁性液體表觀密度測試儀研制［J］.實驗室研究與探索，2012(8):50-53.

BU De-cai，SUN Qiao，LI Xue-hui.Development of an intelligent instrument for measuring the apparent density of magnetic fluids based on LabVIEW［J］.Research and Exploration in Laboratory，2012(8):50-53.

［11］楊 杰，賴聲禮，秦華標.用MATLAB和Visual C++混合編程技術(shù)開發(fā)的電能質(zhì)量檢測系統(tǒng)［J］.電測與儀表，2012(3):21-24.

YANG Jie，LAI Sheng-li，QIN Hua-biao.Power quality detecting system based on mixing MATLAB and Visual C++ program technology［J］.Electrical Measurement＆ Instrumentation，2012(3):21-24.

［12］劉國慶，何國胤，董緒榮，等.MATLAB和Visual C++混合編程的研究［J］.指揮技術(shù)學(xué)院報，2001(5):25-27.

LIU Guo-qing，HE Guo-yin.Study on the mixed programming for Visual C++and matlab［J］.Journal of Institute of Command and Technology，2001(5):25-27.

［13］李震梅.基于LabVIEW的電能質(zhì)量檢測和分析系統(tǒng)［J］.測控技術(shù)，2003(5):36-38.

LI Zhen-mei.The power quality monitoring and analyzing system based on LabVIEW［J］.Electrotechnical Journal，2003(5):36-38.

［14］王小科.C#開發(fā)實踐寶典［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2010:1-8.

［15］董 菁，董學(xué)平，王華強.利用Modbus和OPC技術(shù)實現(xiàn)水電站數(shù)據(jù)通信［J］.合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，34(9):1351-1353.

DONG Jing， DONG Xue-ping， WANG Hua-qiang. Data communication of hydropower station by Modbus and OPC technology［J］.Journal of Hefei University of Technology(Natural Science)，2011，34(9):1351-1353.