接近開關操作頻率智能測試平臺的研究與實現

龍 林， 程武山， 岳 敏， 阮慶洲

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

0 引言

接近開關是一種用于工業自動化控制系統中以實現檢測、控制并與輸出環節全盤無觸點化的新型開關元件。當開關接近某一物體時，即發出控制信號。由于接近開關的廣泛適用性，使得市場供求越來越大，其增長與工業經濟的發展密切相關，同時接近開關產品的種類越來越多，精度要求越來越高，導致國外產品在競爭激烈的市場占有先機。國內的接近開關生產制造要改變現狀，提高接近開關質量是關鍵，接近開關檢測試驗是鑒定接近開關質量的一個重要環節，接近開關研究性試驗是改進設計與新產品開發的重要依據。試驗的目的就是驗證產品性能是否符合標準和技術條件的規定，檢驗產品在制造上是否存在影響運行的各種缺陷。國內對接近開關智能低壓電器測試系統的研究尚處于起步階段，檢測設備的水平還落后于國外的先進水平。傳統接近開關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，且每臺檢測設備處于獨立運行狀態，無法形成網絡化的測試體系結構。另一方面，對接近開關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的操作頻率檢測，操作頻率是接近開關最重要檢測指標之一，檢測過程中被測信號多、數據量大、強電磁干擾嚴重、試驗間隔時間短、數據處理工作量大等特點，采用計算機技術、現代控制技術、高精密傳感器技術和計算機網絡技術，研究開發接近開關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、標靶轉盤、變頻器、調速電機、電缸、電滑臺、頻率測定裝置、基準傳感器和被測接近開關裝夾機構、西門子 PLC、研華 PCI-1714UL數據采集卡［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控制。試驗是通過PLC和變頻器聯合控制電機旋轉標靶轉盤，使接近開關不斷動作響應，測出接近開關輸出信號的響應頻率或者根據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 控制系統控制框架原理圖

運行接近開關智能測試平臺控制系統，啟動電機帶動標靶轉盤旋轉，使接近開關不斷感應轉盤上標靶產生電壓輸出信號，然后，轉化范圍為±5 V電壓信號經采集卡采集。對采集的信號進行計算處理，以驗證廠家生產的接近開關是否符合國家規定的標準。基準傳感器需具備大于40 kHz的轉換頻率，測控系統采用研華觸摸屏工業控制計算機和研華PCI-1714UL高速數據采集卡。PCI-1714UL是通用的數據采集卡，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］轉換器可同時進行數據采集并轉換，每個通道的參數可單獨進行編程設置，具有多種A/D觸發方式。此測試系統主要應用數據采集卡采集(±5 V)的電壓信號，因此需配置電壓轉換器對采集的電壓進行轉化。

1.2 接近開關操作頻率計算原理

圖2為接近開關試品導通波形與基準傳感器導通波形相差圖。光電式接近開關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 接近開關試品導通波形與基準傳感器導通波形

1.3 電能質量參數計算

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

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，根據有功功率和平均功率的三角關系:φ=arctan(Q/P)。

三相功率因數:

2 控制軟件系統的開發

2.1 系統組件化設計

控制系統組件集成如圖3所示。通過人機界面實現發布調度目標、調度過程監測、數據報表輸入輸出、信息確認、信息發布等各種交互功能。

(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服務器主要由三類對象組成:Server服務器、Group組和Item項目，基于自定義接口，OPC軟件包括OPC服務器軟件和OPC客戶端軟件，客戶端OPC Client調用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，根據測試過程要求，使用PLC梯形圖進行各種功能編程，實現電缸驅動電缸。控制系統I/O點包括開關量和模擬量兩種，分別對開關量和模擬量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)數據與波形組件。該組件基于LabView2010［9-10］平臺開發，通過采集卡采集接近開關通斷信號，其中模擬觸發功能提供多種觸發條件的選擇，數字觸發則提供上升沿觸發與下降沿觸發兩種選擇。

(4)報表生成組件。封裝數據源連接接口程序調用檢測所一體化管理信息系統數據庫已有存儲過程，組件還內嵌有調用Word和Excel接口。

圖3 控制系統組件集成圖

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

(6)電能質量分析組件。該組件基于Matlab和Visual C++混合編程技術［11］實現，調用該組件動態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多項指標數等電能質量其他參數值，也可對采樣N點的Irms、Urms數值進行計算。

2.2 軟件系統的實現

軟件的開發工具和數據庫系統分別選用Visual Studio 2008、SQL Server2005，部分調用接口的動態庫使用Visual C++6.0編寫。VS2008內含C++，C#等多種編譯器，提供豐富組件以及類向導等開發工具［13］。軟件系統界面功能主要包括實時顯示所測物理量數值、輸出測量信號實時顯示波形曲線，并能生成原始數據自動保存到SIMIS數據庫。SIMIS即檢測所一體化管理信息系統。

(1)系統主控模塊。接近開關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。當操作員通過設置工控機中的參數，將動作指令發送至PLC，PLC內部的CPU模塊讀取相應指令與現場信號，通過自身集成的輸出端口控制電動執行器完成試品的定位和裝夾;然后，PLC的模擬量輸出模塊發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節轉盤的轉速以滿足不同接近開關操作頻率檢測的需求。當電機運行平穩后，采集電路開始將接近開關實時的通斷波形采集到控制系統中，波形顯示功能模塊調用電能質量分析組件接口可在線和離線分析采集數據并存儲，并根據用戶需要生成測試報表。

(2)系統登錄界面。本系統有多個操作者和多個權限級別，權限控制相當復雜，系統采用位映射法來控制用戶權限，用戶登錄密碼采用MD5算法驗證用戶信息的有效性，MD5算法是在哈希函數中計算散列值，由于算法的某些不可逆特征，在加密應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費用。

(3)變頻器控制模塊。電機啟動、停止及轉速由變頻器控制。工業控制計算機與變頻器使用RS485傳輸線路和ModbusRTU協議［14］進行串行通訊，通信協議幀結構如表1所示。Address:設定從站地址，當該值與基本參數內的“控制器ID”一致時，通信數據判斷為本站的數據，控制器ID(01h～FFh)。Function參數編碼功能如表2所示。

表1 通信幀結構

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

3 智能測試平臺實現

根據控制系統控制框架原理圖開發了接近開關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(1);手動操作面板(2);試品裝夾機構(3);定位機構(4);低速標靶轉盤(5);高速標靶轉盤(6);基準傳感器(7);可調速電機(8);控制系統硬件模塊(9)等組成。裝夾機構能將接近開關固定在轉盤正面區域，水平及垂直位置在一定范圍內均可由定位機構自由調節，轉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盤來實現，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操作頻率的檢測通過改變不同的標靶或轉盤來實現，試驗是通過旋轉標靶轉盤，使接近開關不斷響應動作，測出接近開關輸出信號Ton和Toff值，然后計算出被測接近開關的響應頻率。其中，轉盤轉動速度不小于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 結語

接近開關操作頻率智能測試平臺試驗時可實時監控平臺柜內試驗設備運行狀態，在此基礎上對高速數據采集與處理系統進行了設計和研究，從技術上消除了人為因素對采集原始數據的影響。平臺工控機軟件系統可根據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量參數值功能。目前，該平臺應用于上海電器檢測所，現場檢測試驗結果表明該測試平臺運行穩定、可靠，測量方法科學，測量精度高。

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