智能型電動機軟起動器控制電路板測試系統設計

李鑫，戴梅，顧啟民，謝啟，季紹陵

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

智能型電動機軟起動器控制電路板測試系統設計

李鑫，戴梅，顧啟民，謝啟，季紹陵

（常熟理工學院電氣與自動化工程學院，江蘇常熟 215500）

在需求分析基礎上設計并實現了一種利用虛擬儀器技術構建的智能型電動機軟起動器控制電路板性能參數自動測試系統.系統以工業控制計算機為核心，配置高精度數據采集卡和信號調理電路等硬件，采用先進的虛擬儀器技術——LabVIEW軟件開發平臺自行開發數據采集、分析、處理軟件，實現了對智能型電動機軟起動器控制電路板的自動測試.詳細分析了系統總體方案設計，闡述了系統軟件模塊設計.經實際應用表明，該系統具有測試精度高、抗干擾能力強、檢測效率高、操作簡單等優點.

智能型電動機軟起動器；控制電路板；性能參數；自動測試；虛擬儀器技術

智能型電動機軟起動器主要用于鼠籠式電動機的起動、運行、停止的控制和保護.因為電動機直接起動時，起動電流可達電動機額定電流的7-10倍，對電網沖擊較大，且會影響機械設備的壽命，甚至造成嚴重故障，帶來重大的經濟損失.智能型電動機軟起動器的使用就能避免這些問題的產生.它除了具有普通軟起動器的一般保護功能外，還增加了電流可調功能、智能監控保護、通信功能等，使產品的應用范圍更廣，可廣泛應用于冶金、化工、建筑、礦山等保護要求高，自動化程度高的場合[1,2].

根據產品企業標準及其它相關要求，智能型電動機軟起動器的控制電路板在加工完成后必須對其性能參數進行全面的測試方能進入整機裝配.如果用傳統儀器完成對智能型電動機軟起動器控制電路板的測試任務，測量數據不能保證同步和統一顯示、記錄，測試精度與穩定性達不到要求，測試成本高、效率低[3].為此，我們設計了一套以工業控制計算機為核心，配置測試臺、數據采集卡、高精度信號源和信號調理電路等硬件，采用先進的虛擬儀器技術——LabVIEW軟件開發平臺自行開發數據采集、分析、處理軟件，通過PCI標準總線組成的高度集成的智能型電動機軟起動器控制電路板自動測試系統，可對不同型號的控制電路板各項性能指標進行自動測試.

1 系統總體方案設計

智能型電動機軟起動器控制電路板測試系統采用虛擬儀器技術來構建，其總體結構如圖1所示.主要由工業控制計算機、電流互感器、電壓傳感器、基于PCI總線的內置高精度數據采集卡（一塊模擬量輸入/輸出卡，型號為PCI-6229，32路、A/D轉換器為16位的模擬量信號輸入端口，4路、D/A轉換器為16位的模擬量信號輸出端口，48路數字量I/O端口）、信號調理電路（包括電氣隔離、接線端子板等）、條形碼掃描儀、通信電路（包括RS232/RS485轉換電路、通信線等）和測試臺等組成，其中被測智能型電動機軟起動器控制電路板可方便地固定在測試臺的夾具工位上.

系統軟件部分采用面向圖形化的編程軟件LabVIEW 7 Express來實現.通過上位計算機與LabVIEW軟件開發平臺編制相應程序將高速采集卡輸入的信號進行實時采集記錄和分析處理，實現對各項性能參數的的測量、顯示、分析、保存等功能.在此系統中，原始信號的轉換是關鍵，信號調理和采集卡是樞紐，上位機程序則是整個系統的核心[4].

圖1 測試系統總體結構框圖

2 系統軟件設計及其功能實現

2.1 軟件設計思想

測試系統軟件的主要任務是完成測試過程的邏輯控制、數據采集、數據分析、測試結果評價顯示及數據輸出等.由于要適應多型號、多規格智能型電動機軟起動器控制電路板的檢測，因此測試系統是一個按照配置測試項目執行多個獨立測試任務的復雜檢測系統，每種測試任務由若干個小的子任務按照一定的規則組成.針對不同的檢測項目建立不同的測試模塊，有助于檢測的通用性和移植性，對于將來擴展應用也非常有利[5].

測試系統軟件采用模塊化設計思想，由于測試項目多而繁，所以每個測試項目單獨作為一個界面來實現，所有測試項目可以根據實際情況選擇做還是不做，這樣使得測試系統的使用變得更為靈活方便.

2.2 軟件整體框架

測試系統軟件整體框架采用分層結構，分為上、下兩層.下層以子VI的形式為上層提供服務，上層通過調用下層子VI來完成本身的功能.軟件采用基于配置文件的設計方法.檢測開始前，用戶根據產品型號和規格通過軟件界面對需要測試的項目進行配置，生成配置文件并保存，測試時無需用戶干涉，軟件將自動完成預定測試任務.下一次重啟測試軟件時，配置文件將被讀入，用戶可對測試內容進行修改，重新配置測試項目，也可不作修改維持原有配置.系統整個軟件設計的層次關系如圖2所示.

根據用戶要求和智能型電動機軟起動器控制電路板測試標準，所設計的測試系統在測試臺和高精度的數據采集卡、傳感器等硬件及軟件的聯合控制下，可完成模擬量、脈沖數字量與保護功能等項目的實時自動測試.為實現相關測試功能，系統軟件按產品信息模塊、數據實時采集模塊、數字濾波處理模塊、波形分析模塊、參數計算模塊、報表打印模塊、數據與波形顯示模塊及其Modbus通信模塊進行設計.

以數據實時采集模塊為例，為提高系統的抗干擾能力及測量精度，測試過程中所有的模擬輸入信號采用模擬差分輸入的連續采集方式，即在DAQ中開辟一段循環緩沖區，設備連續采集數據并將數據向緩沖區中存放，同時LabVIEW依據設置，將緩存中的數據依次讀取出來.整個過程包括給定DAQmx任務、創建通道、配置通道、設置采樣時鐘、啟動任務、讀取任務、清除任務、停止任務等.根據此編程思路，開發了相應的數據采集模塊.實時連續采集軟件編程流程如圖3所示.

2.3 系統功能實現

對用戶要求和智能型電動機軟起動器控制電路板測試標準進行細化后，測試系統的功能分成模擬量檢測、脈沖數字量波形檢測與保護功能檢測三部分來實現.

模擬量檢測可以實現對被測智能型電動機軟起動器控制電路板的三相負載電壓、三相采樣電壓、PTC模擬電壓、2.5V電源、5V電源、24V電源、12V電源、4個風扇的12V電壓等參數的實時采集并分

別判斷是否正常.圖4為測試系統中模擬量檢測功能實現的界面.

脈沖數字量波形檢測主要完成對控制電路板輸出的A相過零脈沖、B相過零脈沖、C相過零脈沖、A相觸發脈沖、B相觸發脈沖、C相觸發脈沖、全導通波形共7路脈沖數字量的連續采集和實時顯示.圖5為測試系統中脈沖數字量波形檢測功能實現的界面.

保護功能檢測主要包括過載保護、欠載保護、工藝過流保護、峰值過流保護、不平衡保護、斷相保護、PTC熱保護、SCR過熱保護、堵轉保護、每小時起動次數保護等保護功能的測試.圖6為測試系統中保護功能檢測實現的界面.

保護功能檢測實現的基本原理為：先在測試臺上調好模擬保護電流，再通過計算機面板發出“軟起信號”，同時開始計時，檢測到故障信號時停止計時并通過模擬指示燈在計算機面板上顯示故障信號.系統顯示測定的保護動作時間，與設定的保護時間相比較，顯示是否合格.

測試數據由計算機實時分析、處理并以數據或波形的形式在計算機屏幕上進行顯示，對被測智能型電動機軟起動器控制電路板立即作出合格/不合格判斷，同時通過計算機或測試臺作出相應的提示，供操作人員參考.測試數據全部以波形或Excel文件的形式保存在工業控制計算機硬盤上，可供技術人員進行離線分析.

2.4 系統主要關鍵技術

2.4.1 信號調理和系統的抗干擾

圖2 系統軟件設計的層次關系

圖3 連續采集程序流程圖

圖4 “模擬量檢測”界面

圖5 “脈沖數字量波形檢測”界面

系統中各類數字和模擬信號必須先加以高質量的濾波和變換等信號調理后才能接入測試系統和數據采集卡中.信號調理電路采用了二階濾波和光隔離技術，保證了整個測試系統能在大電流、強磁場的生產車間環境下穩定和可靠工作，提高了測試系統的抗干擾能力.

2.4.2 快速實時測量

系統進行快速實時測量是該系統的主要指標，由于需測量的參數多、處理的數據量大，它主要涉及到兩個方面：一是要求計算機的內存容量大、數據采集卡的速度高；二是變換器的選型和調理電路的設計是關鍵，使整個測量系統能前后協調統一，保證信號傳送準確而又不失真，從而使系統實現快速實時測量.

2.4.3 系統測量的準確性

由于選用了精度較高的傳感器和高速數據采集卡，高速數據采集卡保證了被采集的數據不丟失，有效地提高了系統測量的準確性.

2.4.4 人性化的界面設計

在測試系統的應用程序中首先提供一個友好的用戶界面，在此界面上把各功能模塊組織起來供用戶調用，利用菜單來驅動測試系統的各功能模塊，以完成不同的測試任務.這種調用關系，反映到用戶界面上，表現為菜單的功能.只要按下測試系統主菜單中相應的軟按鍵，就可以進入不同的界面并實現上述系統相應的功能.

圖6 “保護功能檢測”界面

3 結論

（1）系統可對智能型電動機軟起動器控制電路板要求測試的各項參數作快速的測定，具有良好的分時控制功能與實時性能.

（2）系統具備實時完成對智能型電動機軟起動器控制電路板測試參數的采集、分析處理、顯示、存儲、打印等功能，同時具有離線對所存儲的數據進行分析處理的功能.

（3）系統采用了高精度的數據采集卡、傳感器以及信號調理電路，保證了對各項參數的準確測量.

（4）系統人機界面（包括軟件和測試臺）友好，操作簡單、方便，并具有系統復位和檢測項目擴展功能.

（5）系統集成度和完備性較高，智能型電動機軟起動器控制電路板要求測試的參數都可以在系統中完成檢測，克服了傳統測試成本高、資源浪費、維護和操作不便等不足.

本測試系統已在常熟開關制造有限公司出廠檢驗、產品試制部門投入使用，實際運行表明，系統測量精度高、性能穩定、抗干擾能力強，大大縮短了測試時間，為公司智能型電動機軟起動器控制電路板的測試提供了可靠的質量保障.

[1]常熟開關制造有限公司.CR2系列智能型電動機軟起動器產品使用說明書[EB/OL].[2011-05-26].http://www.riyue.com.cn/ Chinese/Downloadshow.asp?DownID=111.

[2]陳德桂.智能電網與低壓電器智能化的發展[J].低壓電器，2010（5）：1-7.

[3]謝啟，高琴妹，顧啟民，等.基于LabVIEW的電子線路板測試系統的實現[J].機床與液壓，2006（1）：137-139.

[4]蘇金州，許志紅.基于LabVIEW軟件的電磁電器測試系統軟件設計[J].電工電氣，2010（3）：55-59.

[5]涂水林，顧啟民，謝啟，等.萬能式斷路器綜合性能檢測系統研制[J].低壓電器，2010（2）：45-48.

Design of Measurement System for Control Circuit Board of Intelligent Motor Soft Starter

LI Xin,DAI Mei,GU Qi-min,XIE Qi,JI Shao-ling
(School of Electrical and Automation Engineering,Changshu Institute of Technology,Changshu 215500,China)

The measurement of intelligent motor soft starter control circuit board performance parameter is an im?portant means to develop a new product and guarantee product quality.Based on requirement analysis,an auto?matic measurement system of performance parameter for intelligent motor soft starter control circuit board based on virtual instrument technology was designed and implemented.This system was composed of industrial comput?er,data acquisition card and signal conditioning circuit,etc.Using LabVIEW virtual instrument technology plat?form,the related test and data processing program codes were developed,and its high speed data acquisition and data processing satisfied the needs of ex-factory performance parameter measurement for intelligent motor soft starter control circuit board.The hardware design was given and the working principles of this system were introduced,and the module design of system software was also introduced in detail.Practical application shows that the intelligent measurement system features high precision,strong disturbance attenuation,high efficiency, and easy operation and maintenance.Besides,it can improve the design and performance of products,which can be widely used.The system provides an effective way to design the performance parameter measurement system for intelligent motor soft starter control circuit board.

intelligent motor soft starter;control circuit board;performance parameter;automatic measurement; virtual instrument technology

TP274；TP31

A

1008-2794（2011）08-0081-05

2011-06-04

李鑫（1983—），男，安徽亳州人，常熟理工學院電氣與自動化工程學院助理實驗師，碩士，研究方向：計算機先進控制技術與現代檢測技術.