一種多功能自動化電源測試臺

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（成都理工大學信息科學與技術學院，四川成都610059）

0 前言

21世紀初，我國電焊機測試裝置大部分沿用基于電磁感應基本定律的模擬指針式儀表測試系統。2004年前，我國使用的電弧焊電源檢測設備中，以HHC-1000A系列指針式測試臺為代表，它由互感器、分流器及電流傳感元件組成，并配以指針式讀數表，測量焊接電源的各種參數。直到2004年，部分焊接電源測試設備制造商對測試設備進行技術完善，其中最具代表性的是數字式TDC-750AD系列電源測試臺，并應用于大部分電焊機廠商作為出廠檢測測試設備使用。該設備具有真有效值采樣、顯示直觀、操作簡便、維護容易等特點，但是需要人工記錄數據，不僅存在人為修改記錄的可能，也存在人工測量誤差。

針對以上問題，設計了數據自動記錄、管理系統，有效地避免了人為因素，保證了測試數據的真實性。測試數據可以由管理者查詢、編輯、打印。

本設計是對廣泛應用的TDC系列產品進行改進升級，替換主控為ARMv9，運行Linux操作系統，網口上傳測試數據，USB導入導出記錄數據。電焊機輸出測試端設計了小功率高頻高壓濾波電路，可在焊機有高頻引弧時實時測量，無需擔心高頻引弧脈沖對傳感器造成破壞，測試數據上傳到上位機管理平臺進行統一管理。

1 自動化電源測試臺

電源測試系統主要由多功能自動化電源測試臺、焊機采樣端高頻高壓濾波電路以及上位機管理平臺軟件開發三部分組成。電源測試臺測試前，先找出被測焊機的靜態工作點，然后采樣被測焊接電源輸入、輸出端的電壓和電流信號，由于某些焊接電源（如TIG電源）工作時，輸出端會產生高頻高壓引弧電流，所以需要通過濾波電路去除該脈沖干擾。通常高頻信號頻率為100～150kHz，電壓有效值為3000Vac，疊加在10～80 V直流輸出電壓上，對輸出電壓采樣傳感器形成幅值較高、破壞性很強的高頻脈沖，為保障采集儀表的安全必須先進行處理[1]。

測試數據通過與預置的電壓、電流合格范圍進行比對，生成測試報告逐次上傳到管理平臺服務器進行后臺監測。通過判斷監控軟件是否打開，靈活配置測試系統為單條上傳或打包上傳模式，所有數據都存儲在服務器數據庫，隨時可使用上位機軟件監測當前狀態。系統的工作流程示意如圖1所示。

圖1 系統的工作流程

測試系統采集的信息實時上傳到服務器，監管人員可以遠程實時查看檢測進度，符合現場測試工作中操作人員在生產車間測試、監督人員在辦公室監督管理的實際工作機制。測試系統能夠實現測試人員每進行一條測試、監管人員都能看到實時數據，目前國內現有的電焊機測試設備均不具備這種功能。本測試設備能夠通過無線或有線局域網進行數據的實時上傳，便于上位機實時監控，實現數據的同步管理。

系統采用科學的模塊化設計，解決了大部分同類電焊機檢測設備通過人工進行數據記錄，完成測量后對大量數據統一處理、效率不高的問題。檢測流程自動化，初次使用只需先設置參數指標的合格范圍、各測試項目的負載大小、以及需要的測量項目等。當測試儀器接收HMI工控屏的指令后，Linux系統控制各功能電路進行測試，同時進行數據分析和結果判定，將數據存儲后同步到上位機管理平臺，大大減輕了勞動強度，提高了生產線測試效率[2]。整個硬件系統的原理示意如圖2所示。

圖2 硬件系統工作示意

3 焊機輸出端高頻高壓濾波處理

為避免高頻引弧脈沖對采樣端儀器儀表造成破壞，通過圖3所示的小功率濾波電路進行數字信號處理[3]。

圖3 小功率高頻高壓濾波電路

通過大變比示波器探頭直接測量電焊機輸出信號、焊機引弧時產生的高頻和正常直流信號，以及焊機輸出端經過濾波電路后實際輸出的波形。實驗測試結果如表1所示，前端分別輸入直流、50 Hz交流和2 MHz脈沖信號后，輸出端電壓值控制在基準范圍內，并且交流50 Hz衰減較小，脈沖干擾信號基本濾除，達到設計電路指標要求[4]。

結果表明，高頻高壓小功率濾波電路能有效濾除破壞性極強的高頻諧波，并且對原有信號波形影響較小，保證了信號的完整性和實時性。

表1 輸入信號和輸出信號關系

4 上位機管理平臺軟件

上位機管理平臺主要有普通用戶和管理員用戶兩大模塊，普通用戶可以直接使用該系統進行電源檢測，并且可以設置電源檢測模式。管理員用戶可以設置低值、變比等參數，此外還能管理普通用戶[5]。具體的功能模塊如圖4所示。

圖4 上位機管理平臺功能模塊

平臺以車間為單位對電源進行分類管理，可以顯示每個測試車間中正在檢測的電源，通過波形方式實時顯示電源工作狀態中的電流、電壓，典型界面如圖5所示。

此外，還可以使用分組查看方式集中查看車間內所有在檢測電源的實時狀態，除電壓、電流外，還包括工作時間、平均電壓、平均電流、耗電量等，如圖6所示。

圖5 電源狀態顯示界面

圖6 各車間實時數據顯示

5 電源測試臺應用前景和效益

本系統可以測試多種類型焊機，包括TIG、MMA、MIG、方波、等離子等焊機，并具有遠端監控功能和前端引弧濾波功能，大大提高企業產品的檢驗效率，降低企業成本，同時便于企業監管。這類設備具有良好的市場前景，能夠產生較大的社會效益和經濟效益。

國內主要電源企業需求量為300～400臺，僅電焊機行業目前需要約50臺（套），市場前景較好。推廣到其他行業的電源性能測試，則需求量將更大。

從國外定制一臺類似的設備價格較高，如某電源測試臺為170余萬元，系統使用PLC控制，數據采樣依然采用分立器件。我國自主制造該類設備只需8～20萬元人民幣，如果年產20臺則可節約3 000萬元人民幣及大量外匯，具有良好的經濟效益。

綜上所述，在高技術領域大功率電源的測試中，目前國內絕大部分的高端測試設備均為進口，測試項目也集中在通訊電源、開關電源等自身干擾小、對動特性要求不高的領域。而購置昂貴的進口測試設備則對中小企業的生產經營造成了一定影響。尤其是為了合法進入市場，中小企業必須提高自身產品的質量，同時也必須提高與其相關的出廠測試技術水平，這加大了對檢測設備更新換代的要求。

6 國內外自動化測試臺現狀

目前國內的電源檢測設備雖然便于攜帶，測量精度較高，但是數據后期處理需要投入大量人力物力，已經不符合當今自動化生產與測試的要求。某系列智能電源測試臺功能強大，精確度較高，但是其造價昂貴，僅適用于實驗室，不太適合普通焊機生產廠商用于產品的出廠檢測[6]?；趪鴥韧怆姾笝C測試裝置的使用現狀，設計了一種多功能電源測試設備對焊接電源進行合格性測試，采用高頻高壓濾波、真有效值測量、嵌入式Linux系統管理、HMI人機觸摸屏顯示等技術，適用于測量輸出電流650 A以下的弧焊電源輸入、輸出參數。本測試儀器為自動檢測，操作人員根據設定好的程序進行簡單按鍵操作即可測試。測試不合格時有自動報警功能，測試報告自動存儲在USB設備中，減輕了勞動強度，提高生產線測試的效率，保證了測試數據的真實性。本測試儀器可以測試MMA、TIG、MIG/MAG、方波等不同焊機，加配不同的負載，可將輸出電流的測量范圍延伸至2 000 A。依據客戶需要，本測試儀器內部預設了多種出廠試驗模板，適應絕大部分廠家的焊接電源出廠試驗要求。

本項目既能滿足所需測試功能和測量精度，又能實現自動檢測，同時將檢測數據上傳到上位機端的管理平臺。設計的高頻高壓濾波電路能保護采樣傳感器，提高生產測試效率，降低運維成本，完全符合現代化高效率的生產測試要求。

7 結論

通過對現有焊機檢測設備原理進行理論研究，借鑒可用技術，完成新型多功能電源測試設備原理和結構設計。完善焊接電源輸出端信號的濾波，完成前端信號的凈化處理，濾除其高頻高壓部分，借以保護信號傳感器，基于ARM處理器和Linux操作系統為核心的邏輯控制、數據處理和算法，優化了測試精度；人機交互界面采用維控HMI工控屏控制測試流程和數據處理，并將數據導出儲存在USB設備中，同時上傳到基于Java編寫的上位機監控管理平臺軟件上，方便用戶從網絡上指定的IP地址讀取數據存儲和顯示記錄，HMI工控屏使用串口控制，上傳以太網絡采用無線或有線方式。

[1]張九海，劉會杰.小型高頻引弧器的研究[J].焊接，1990（3）：5-7.

[2]王有慶，田涌濤，李從心.工控機與觸摸顯示屏的主從式通信研究[J].北京計算機工程，2003，29（14）：161-162.

[3]楊文杰，欒福香.數字信號處理：理論、算法與實現[M].北京：清華大學出版社，2012.

[4]楊文杰，欒福香.脈沖式高頻振蕩引弧器的研究[J].佳木斯大學學報，2003，1996（3）：204-207.

[5]韓二陽，韓旭，呂其兵.基于LabVIEW的焊接參數管理系統[J].電焊機，2016，46（12）：26-29.

[6]李冬青，關紹勇.電焊機出廠自動檢測系統的研制[J].電焊機，1995，25（3）：5-8.