電動工具綜合檢測實驗臺的研發

【摘要】為了進一步提升檢測效率，有效地分析檢測結果，并實現檢測過程的可視化，本文介紹了一種用于電動工具檢測用的多功能檢測實驗臺。該實驗臺的研發涵蓋了設計、選型、繪圖、線路連接、編程、界面組態、調試、組裝等多個環節，通過可編程控制器的程序開發及上位機組態軟件，實現了實驗臺的智能控制。

【關鍵詞】電動工具；檢測；智能控制

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.051

Development of a Comprehensive Testing Experimental Platform for Electric Tools

CHEN Xiaoyong

（Fushun Product Quality Supervision and Inspection Institute， Fushun 113006， China）

Abstract： To further improve detection efficiency， effectively analyze calibration results， and achieve visualization of the detection process， this article introduces a multifunctional detection experimental platform for electric tool testing. The development of this experimental platform covers multiple stages such as design， selection， drawing， circuit connection， programming， interface configuration， debugging， assembly， etc. Through the development of programmable controllers and upper computer configuration software， intelligent control of the experimental platform has been achieved.

Keywords： electric tools； detection； intelligent control

0前言

電動工具是一種以電動機為動力來驅動工作部分進行作業的工具，具體可分為角磨機、電鉆、電鋸、電動螺絲刀等。其具有操作簡單、方便、功能多樣及安全可靠等優點。隨著科技的不斷創新，電動工具在不斷發展之中。為了確保電動工具使用安全，對其產品質量進行監督和檢驗至關重要。然而，傳統的檢驗設備存在功能單一、響應速度慢、線路復雜易出故障以及顯示方式不直觀等問題。

基于此，我們采用信息化技術研發了一種用于電動工具檢測用的綜合檢測試驗臺。該檢測試驗臺結合西門子PLC與上位機組態軟件，實現人機交互控制的基本硬件配置，不僅提高了設備的運行效率，而且為檢測數據的準確性提供了有效的技術保障。

1檢測實驗臺研發的意義與設計原理

電動工具的安全性能檢測主要包括起動、輸入功率和電流、耐久性及不正常工作等內容。傳統的電動工具檢測通常針對每個檢測項目使用單獨的設備進行測試。被測量的樣品經常要被來回移動。因而研發一種綜合檢測實驗臺，將多項檢驗功能集成于一體，不僅可以節約成本，縮短檢測時間，還能提高設備的利用率，同時確保檢測數據的準確性。

該檢測試驗臺采用了手動、定時、自動三種檢測方式。檢測試驗臺的設計依據GB 3883.1—2014《手持式、可移式電動工具和園林工具的安全第1部分：通用要求》中規定的試驗方法，以確定具體檢測數值。具體設計工作從硬件和軟件兩個方面展開。硬件設計包括了實驗臺的構造和接線，而軟件設計則涵蓋了基于西門子PLC的控制程序和上位機組態控制軟件的編寫。通過硬件與軟件的緊密結合，利用西門子平臺的高靈活性和多樣化的通信端口，以及軟件編程的結構化和強大的向導功能，提高了控制效率。此外，通過可視化界面的使用，檢測過程中的狀態和數據得以直觀展示。這使得研發的實驗平臺能夠全面滿足啟動、輸入功率和電流、耐久性、不正常操作、轉速的檢驗要求。

2檢測項目

2.1啟動檢測

電動工具在規定的電壓值下啟動時必須能夠正常運行。內置的過載保護裝置在此過程中不應觸發，確保運行的可靠性，同時觸點應保持穩定無顫動。進行性能測試時，應在空載狀態下按照規定的次數進行啟動試驗，并在額定電壓條件下，將調速裝置設定為最大速度，并確保所有其他控制裝置處于正常使用狀態后啟動一次。啟動后應立即測量電流值，以確保不超過標準規定的限值。這些測試步驟是為了驗證電動工具的性能是否符合安全和效率的標準要求。

2.2輸入功率和電流

將電動工具在無負載條件下的輸入功率和電流與標稱的額定功率和電流進行比較。通電后，電動工具在穩定運行狀態下顯示在測量設備上的功率和電流值為測量值。如果電動工具具有多個速度擋位，應分別測量每個擋位下的功率和電流數值。

2.3耐久性

耐久性檢測分為時間運行和次數運行兩種。時間運行方式是指每個運行周期由一個通電（接通）期和一個斷電（斷開）期組成，電動工具在規定的電壓和運行時間下斷續運行。次數運行方式則是在規定的電壓下，按照設定的次數重復進行通電（接通）和斷電（斷開）的操作。這些測試方法有助于評估電動工具在長期使用過程中的性能穩定性和安全性。

2.4不正常操作

為了驗證工具在工作過程中的安全性，應進行不正常操作試驗。在規定的電壓和運行時間內，電機應保持良好的運轉狀態，無零件脫落或飛出現象，并在試驗結束后仍能保持其功能性，可以繼續使用。

2.5轉速

為了測量電動工具等產品的轉速，可以使用編碼器將機械運動轉換為電信號，這些信號隨后被發送至控制器。控制器利用這些信號來檢測并實現對電動工具轉速的精確控制。在進行測量時，電動工具應在額定電壓下空載運行，并通過改變旋轉方向來獲取不同情況下的轉速值。

3上位機界面介紹

WINCC是一個組態軟件，用于數據采集與監控、自動化控制、工業物聯網等領域，可以在自動化過程中實現可視化的監控界面和數據采集分析功能，并支持多種協議和設備。博圖WINCC上位機畫面可以完成用戶登錄及注銷、主畫面、啟動畫面、手動畫面、定時畫面、自動畫面、溫濕度畫面、全電量畫面、速度畫面、趨勢畫面、拓展畫面以及退出系統。

3.1用戶登錄畫面

在登錄畫面中，用戶可以通過上位機系統的用戶管理權限來添加用戶名和登錄密碼以及權限，生成用戶名和密碼后可登錄軟件系統。此畫面調用了“顯示登錄對話框”和“激活屏幕”系統函數。

3.2主畫面

主畫面中顯示綜合實驗臺各部分功能畫面。用戶可根據需要選擇進入相應的畫面，在試驗結束后，回到主畫面中“電機退出系統”就可以返回登錄界面，只有再次輸入用戶名和密碼才可以重新進入該畫面，并且該畫面的菜單欄中添加了“關閉軟件”和“關閉計算機”兩種系統函數。

3.3啟動畫面

啟動畫面以動態的顯示方式。用戶點擊啟動按鈕后，系統通電，原本灰色的電源條會以紅藍色顯示出來，電源指示燈由紅色變為綠色。系統可實時測量環境的溫度、濕度，用戶可以更好地了解試驗過程中環境的溫濕度情況。當試驗結束后，用戶按下停止按鈕，與此同時系統斷電，畫面恢復初始狀態。

3.4手動畫面

手動畫面可以顯示系統通電的狀態，并加入了升壓和降壓功能。通過上位機按鈕，用戶可以控制電動調壓器，調節輸入電壓的大小，當按下控制臺啟動按鈕后，指示燈由紅色變為綠色，選擇手動控制，在畫面中可以顯示電壓、電流、輸入功率以及手動運行時間，停止手動控制，畫面將恢復初始狀態，運行時間清零。

3.5定時畫面

定時畫面組態了升壓、降壓控制，以及電流、電壓和功率的顯示。用戶按下控制臺啟動按鈕后，指示燈由紅色變為綠色，在選擇定時啟動前，對定時時間進行設定，也就是規定系統的運行時間，設定后按下定時啟動按鈕，系統運行。運行的時間會實時顯示在上位機畫面中。到設定運行時間后，系統會自動停止，結束工作。

3.6自動畫面

自動畫面同樣組態了升壓、降壓控制，以及電流、電壓和功率的顯示。用戶按下控制臺啟動按鈕后，指示燈由紅色變為綠色。自動控制方式分為時間控制（自動定時）和次數控制（自動計數）兩種方式。自動定時控制方式為：首先設定自動運行整體時間，然后再設定每個運行周期的接通和斷開時間，其中斷開時間段包括在規定的運行時間內。例如，工作時間為1 h，每個運行周期由一個60 s接通時段和一個60 s斷開時段共同組成。自動計數控制方式為：首先設定在規定電壓下，正常啟動負載的次數，每次算一個周期；然后設定每個運行周期的接通和斷開時間，其中斷開時間段包括在規定的運行次數內。例如，以規定的電壓在正常負載下啟動20次，每個運行周期（次）由一個60 s接通時段和一個60 s斷開時段組成。

3.7溫濕度畫面

畫面可以顯示工作狀態時的電量、溫度以及工作或靜態時候的環境溫濕度。研發的智能控制綜合試驗臺溫度采集采用了四種方式：大方貼片、磁性溫度傳感器、管箍溫度傳感器（采用管道卡環扣不銹鋼熱扎帶，可彎曲的卡環探頭）、圓孔貼片溫度傳感器，可以測量不同設備的溫度。根據測量溫度，實時在視圖中顯示曲線及歷史數據，方便了解試驗過程中設備溫度的狀態。

3.8全電量畫面

全電量畫面可以顯示設備在工作中的電壓、電流及功率，并可以擴展功率因數等參數。在曲線畫面中實時記錄設備工作時產生的電流和電壓，通過單相電能表與PLC采用MODBUS RTU通信來完成數據的采集，并在上位機中實時顯示。

3.9速度畫面

速度畫面可以控制設備的啟停，以及速度的測量，通過設備與編碼器的連接，讀取脈沖信號。編碼器把角位移或直線位移轉換成電信號，通過PLC相對應的程序和上位機進行工業通信。速度測量以表盤形式顯示正向及反向轉動，上面的轉速數字會對應顯示出來。

3.10趨勢畫面

趨勢視圖是上位機系統中非常重要的功能。趨勢視圖可以表示某一個變量在一個周期之內的變化過程，它所顯示的并不是實時的變化，而是一個周期性的變化。例如，用戶想要看設備的溫度在1 h、10 min或5 min里的一個變化趨勢，就可以用趨勢視圖來觀察。趨勢視圖還可以觀察壓力、流量等參數變化。

3.11拓展畫面

用戶通過程序，可以進行相關的報警設置。例如，設備在檢測過程中溫度超過上限或者電流值急劇增大，這時容易產生危險。所以在可編程控制器中寫入相應的程序，當溫度或電流超過規定值時，設備在檢測過程中會自動停止，另外在拓展畫面中也會顯示出報警的信息以及確認的情況。

4綜合檢測實驗臺的應用

該綜合檢測實驗臺適用于實驗機構和生產企業等場合，用于測量設備實驗數據。它不僅能測量環境的溫度和濕度，還能通過連接設備完成電流、電壓、功率、轉速、啟動以及在非正常工作條件下的檢測。綜合檢測實驗臺采用西門子1200PLC可編程控制器進行程序編寫，控制繼電器的動作以完成實驗過程中所需的控制任務，并顯示外圍電路的狀態。同時，利用Modbus RTU主從站通信模式，讀取變送器的模擬量信號，如溫度、濕度、電流、電壓等參數。另外，綜合檢測實驗臺基于博圖WINCC軟件平臺構建，能夠通過上位機進行組態開發，并統一畫面風格與布局。在上位機的畫面組態過程中，通過工業網關以太網方式與PLC進行數據通信。工業網關將采集到的PLC數據上傳至博圖WINCC軟件中，在組態環境中實現監視、控制以及動態效果展示和過程數據記錄。

【參考文獻】

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[3]手持式、可移式電動工具和園林工具的安全第1部分：通用要求：GB 3883.1—2014[S].

【作者簡介】

陳曉勇，男，1984年出生，高級工程師，學士，研究方向為產品質量檢驗檢測。

（編輯：于淼）