旋轉操作機構檢測系統研究

岳 敏，龍 林，辛皓天

YUE Min1 ,LONG Lin1 ,XIN Hao-tian2

（1.上海工程技術大學 機械與汽車工程學院，上海 201620；2.上海電器科學研究所(集團)有限公司，上海 200063）

0 引言

低壓電器通過外部信號和控制要求，手動或自動地接通和斷開電路，以實現對電路的控制、檢測、報警和保護等作用的元件或設備，其產品的性能和質量直接影響著電力系統與工業自動化系統的可靠運行[1]。然而，目前國內低壓電器的檢測系統普遍比較落后，國內低壓電器壽命檢測裝置主要以氣動裝置為主的半自動檢測設備，因此試驗檢測速度、檢測力矩和旋轉角度皆不可調，容易損壞試品且試驗類型單一，而不能滿足試品的檢測需求且效率較低。但隨著新產品的不斷增加和對檢測要求的日益嚴格，傳統的半自動化檢測方法顯然不能滿足檢測要求[2]。因此，設計并開發一種可用于低壓電器檢測的先進自動化檢測系統，不僅可以擴大試驗檢測的品種和規格，還能避免因人為操作而產生的隨機性，從而有效地提高產品檢測的準確性、穩定性和可靠性等。

本文將可編程邏輯控制器（PLC）、觸摸屏、電滑臺和伺服電機應用于旋轉開關操作機構，設計了一種旋轉操作機構檢測系統，該系統可以實現各種尺寸的旋轉開關等的壽命試驗、通斷能力試驗等性能的檢測。在試驗之前，根據試驗要求通過觸摸屏參數設置界面來設置各個試驗參數，如試驗次數、試驗方式、試驗速度、最大限制扭矩、通斷時間和自動定位信息等。同時，觸摸屏采用3D圖形化仿真實時再現了旋轉操作機構執行器的運行狀態，還可以監視各個執行器的詳細數據。該設備操作簡單，易于維護，且還具有防爆功能，防止因試品故障、爆炸而損壞自身部件及人身安全。

1 系統的組成及控制方式

旋轉操作機構檢測系統由PLC、觸摸屏、電滑臺定位裝置、終端檢測裝置和安裝背板等組成。旋轉操作機構檢測系統的組成框圖如圖1所示。

圖1 檢測系統組成框圖

電滑臺定位裝置安裝在旋轉操作機構檢測平臺上，由X方向、Y方向和Z方向的電滑臺和導軌組成，各個電滑臺可任意移動，按照預先設定的定位參數實現三自由度的自動精確定位，精度可達0.05mm。

終端檢測裝置是由三套獨立的伺服電機、減速器和試驗夾具構成，伺服電機具有位置、速度和力矩反饋，可通過設置電機最大轉矩限制來保護旋轉開關，同時還可以設置電機轉速來改變試品檢測速度。電機最大轉矩可在0～15N·M范圍內任意調節，檢測速度不超過1r/s。

安裝背板主要用來固定檢測試品，為了能夠對各類型、各尺寸的的旋轉開關進行檢測，采用可更換安裝背板設計。安裝背板通過螺栓連接安裝在旋轉操作機構檢測平臺上，因此安裝背板可以快速更換。試驗前，可根據試品的具體尺寸、形狀等來選擇安裝背板。旋轉操作機構實物圖如圖2所示。

圖2 旋轉操作機構實物圖

旋轉操作機構檢測系統具有三個檢測工位，每個工位都可以獨立運行。試驗前，被測試品需安裝在安裝背板的三個工位上，然后根據具體試驗要求，通過人機界面動作設置界面來任意選擇各個試品試驗工位和試驗模式，通過電滑臺設置界面來設置電滑臺定位裝置的自動定位位置和旋轉開關旋鈕的旋轉角度，通過電機設置界面來設置終端檢測裝置的旋轉角度、作用力矩和試驗檢測速度，可實現各種類型的通斷、分斷和電壽命試驗。檢測時，PLC控制電滑臺定位裝置按照預先設定的自動定位位置信息移動，電滑臺定位裝置帶動終端檢測裝置移動到試品試驗工位。當到達設定的位置時，電滑臺定位裝置自動停下，隨后PLC再控制終端檢測裝置按照預先設定的試驗模式進行試驗，從而實現對各類旋轉開關試品的檢測，有效的提高了試品的檢測精度和檢測效率。

2 硬件設計與通信連接

2.1 硬件設計

PLC選用西門子S7-200系列的CPU 224XPsi，根據控制需要，旋轉操作機構控制系統需要39個數字量輸入信號和22個數字量輸出信號，因此選用EM223模塊作為PLC的擴展數字量輸入/輸出的模塊，該模塊具有32點數字量輸入/輸出端口[3～5]。觸摸屏選用步科Kinco的MT4523T，界面支持文本和圖形顯示。伺服電機選用三菱HC-KFS13電機，伺服驅動器選用三菱MR-J2S-10A驅動器。伺服電機采用了分辨率為131072脈沖/轉的絕對位置編碼器，因此其具有高精度控制的能力。電滑臺定位裝置選用SMC公司的LEFS32B系列電滑臺，電滑臺控制器選用SMC公司的LECA6N1D型控制器。

2.2 觸摸屏與PLC、電滑臺的連接

觸摸屏MT4523T有兩個RS-485通信接口，觸摸屏的COM0口接PLC的COM0接口，觸摸屏COM1口通過RS485總線連接至電滑臺驅動器的通信端口。觸摸屏作為主站，電滑臺驅動器作為從站，通過設置不同的站地址和指令來訪問各個電滑臺控制器的數據信息。通信配置原理圖如圖3所示。

圖3 通信配置原理圖

3 控制系統設計

3.1 PLC控制系統設計

旋轉操作機構檢測系統采用STEP7 Micro-Win開發，為了提高程序的執行效率和可讀性，本系統采用模塊化編程，將各個功能模塊控制程序編寫成各個功能子程序。PLC程序主要包括主程序、復位子程序、試驗檢測子程序、自動定位子程序、手動調節子程序和故障報警子程序等。

系統上電后，系統自檢并初始化參數，點擊復位按鈕進入復位子程序，使電滑臺、伺服電機依次進行復位。然后通過觸摸屏設置系統運行參數，并選擇試驗方式。點擊啟動按鈕后，進入自動定位子程序，然后手動微調使開關手柄進入終端執行裝置的試驗夾具。再次點擊啟動按鈕后，系統開始進行試驗。試驗完成后，系統自動復位并記錄試驗數據。

程序中采用動態監控和邏輯判斷的方法對檢測系統進行故障診斷，響應各種類型的故障，暫停試驗并進行聲光報警。系統主程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統主程序流程圖

3.2 PLC控制電滑臺的方式

PLC通過數字量輸入輸出信號來控制電滑臺的定位運行，下面簡單介紹一下電滑臺的驅動方式[6]。

電滑臺上電后進入SVON伺服鎖緊狀態，運行前必須進行原點回歸動作。運行前，需要通過觸摸屏設置電滑臺的步信息，電滑臺驅動器可以存儲64個位置信息，通過驅動器的輸入端口IN0-IN5來獲取本次定位的位置信息。當PLC輸出DRIVE后，電滑臺開始進入定位運行狀態，當到達位置后返回INP到位信號。電滑臺定位運行時序圖如圖5所示。

圖5 電滑臺定位運行時序圖

3.3 PLC控制伺服電機的方式

伺服電機伺服驅動器選用絕對位置系統控制模式，伺服電機編碼器既可以檢測電機在1轉內的絕對位置信息，又對電機旋轉的周數進行計數，從而實現了對伺服電機絕對位置的控制。因此，不管旋轉操作機構檢測系統是否開啟，伺服電機絕對位置編碼器都能夠實時檢測出電機的絕對位置，并通過電池供電的計數器存儲該數據。因此，試驗前必須進行原點復歸操作。

PLC的高速脈沖輸出端子分別連接到伺服驅動器的PP和PG兩端，通過發送不同數量和不同頻率的高速脈沖串來實現對伺服電機旋轉角度和旋轉速度的控制。最大轉矩限制通過PLC的模擬量輸出端口輸出模擬電壓連接到伺服放大器的TLA和LG兩端，伺服電機運行時會一直限制最大輸出轉矩。

4 人機界面設計

旋轉操作機構檢測系統人機界面采用步科觸摸屏EV5000組態軟件來設計，實時監視并控制現場設備的運行狀態，以及生產數據、離線管理等管理功能。根據現場試驗需求，人機界面主要設計了系統登錄界面、監控主界面、動作設置界面、狀態監控界面、參數設置界面、系統設置界面、報警及故障處理界面等。

1）監控主界面根據PLC各變量的變化驅動界面上相應模塊狀態的變化，通過3D圖形化顯示定位機構、電動執行器等的運行狀態，實現了工作狀態的真實再現及動態監控。系統主界面如圖6所示。

圖6 監控主界面

2）動作設置界面包括選擇檢測試品工位、試驗次數、通電時間、間隔時間和旋轉方式等參數的設置，根據各種按鈕開關的檢測要求來設置相應的動作參數，可實現各種類型的試驗，如機械和電氣壽命試驗、接通與分斷能力試驗、操作性能試驗和短路試驗等。動作設置界面如圖7所示。

圖7 動作設置界面

3）狀態監控界面主要的作用是監控各個電滑臺和伺服電機的實時狀態，如當前旋轉角度、作用力矩、操作速度、通電時間、試驗次數以及當前次數等，這些數值隨著旋轉操作機構的工作實時顯示。狀態監控界面如圖8所示。

圖8 電缸狀態監控界面

4）參數設置界面由電滑臺參數設置界面和電缸參數設置界面組成。參數設置界面可以設置試驗時的檢測速度和作用力等參數。

5）其他界面是檢測系統輔助界面。其中，系統登錄界面分二級權限登錄，各級用戶權限不同；系統設置界面可以設置觸摸屏顯示參數；報警及故障處理界面顯示歷史報警記錄等。

5 結論

旋轉操作機構檢測系統采用PLC作為控制核心，以觸摸屏為人機界面，通過3D圖形仿真實時再現監控系統運行狀態，使操作人員清楚的了解系統狀態，并實現了對各類旋轉開關的高速自動化檢測。旋轉操作機構檢測系統已經投入實際試品檢測，經現場應用情況表明，旋轉操作機構檢測系統運行良好、穩定，人機界面操作簡單方便，通訊系統數據傳輸穩定、可靠，集成化、智能化程度高，而且具有很強的抗干擾能力。該系統大大提高了低壓電器開關檢測的生產效率，降低了工人的勞動強度，達到了企業的預期效果。