接近开关操作频率智能测试平台的研究与实现

龙 林， 程武山， 岳 敏， 阮庆洲

(1.上海工程技术大学，上海 201620;2.上海电器设备检测所，上海 200063)

0 引言

接近开关是一种用于工业自动化控制系统中以实现检测、控制并与输出环节全盘无触点化的新型开关元件。当开关接近某一物体时，即发出控制信号。由于接近开关的广泛适用性，使得市场供求越来越大，其增长与工业经济的发展密切相关，同时接近开关产品的种类越来越多，精度要求越来越高，导致国外产品在竞争激烈的市场占有先机。国内的接近开关生产制造要改变现状，提高接近开关质量是关键，接近开关检测试验是鉴定接近开关质量的一个重要环节，接近开关研究性试验是改进设计与新产品开发的重要依据。试验的目的就是验证产品性能是否符合标准和技术条件的规定，检验产品在制造上是否存在影响运行的各种缺陷。国内对接近开关智能低压电器测试系统的研究尚处于起步阶段，检测设备的水平还落后于国外的先进水平。传统接近开关操作频率检测普遍采用单一的检测方法，每次试验只能检测一种试品，检测效率不高，能源浪费严重，且每台检测设备处于独立运行状态，无法形成网络化的测试体系结构。另一方面，对接近开关的检测仍然普遍采用人工控制的方式，随机误差大、可靠性低、精度低［1］。

本研究针对测试电感式、电容式、非机械磁性式和超声波式乃至光电式所有形式的接近开关的操作频率检测，操作频率是接近开关最重要检测指标之一，检测过程中被测信号多、数据量大、强电磁干扰严重、试验间隔时间短、数据处理工作量大等特点，采用计算机技术、现代控制技术、高精密传感器技术和计算机网络技术，研究开发接近开关操作频率智能测试平台。

1 智能测试平台原理

1.1 智能测试平台集成原理

智能测试平台主要由平台柜、标靶转盘、变频器、调速电机、电缸、电滑台、频率测定装置、基准传感器和被测接近开关装夹机构、西门子 PLC、研华 PCI-1714UL数据采集卡［2-3］等硬件集成，智能测试平台各部件控制框架原理如图1所示。为保证测试人员安全，接近开关的测试是在封闭的平台柜里进行，测试平台的测试流程由软件系统控制。试验是通过PLC和变频器联合控制电机旋转标靶转盘，使接近开关不断动作响应，测出接近开关输出信号的响应频率或者根据其输出信号与基准传感器输出信号间的延时换算得到操作频率值。

图1 控制系统控制框架原理图

运行接近开关智能测试平台控制系统，启动电机带动标靶转盘旋转，使接近开关不断感应转盘上标靶产生电压输出信号，然后，转化范围为±5 V电压信号经采集卡采集。对采集的信号进行计算处理，以验证厂家生产的接近开关是否符合国家规定的标准。基准传感器需具备大于40 kHz的转换频率，测控系统采用研华触摸屏工业控制计算机和研华PCI-1714UL高速数据采集卡。PCI-1714UL是通用的数据采集卡，适用于PC及兼容机，具有4路单端模拟量输入通道，4路A/D［4］转换器可同时进行数据采集并转换，每个通道的参数可单独进行编程设置，具有多种A/D触发方式。此测试系统主要应用数据采集卡采集(±5 V)的电压信号，因此需配置电压转换器对采集的电压进行转化。

1.2 接近开关操作频率计算原理

图2为接近开关试品导通波形与基准传感器导通波形相差图。光电式接近开关操作频率试验需要计算的量包括波形的最大上升延(Ton)值，最大下降延(Toff)值，接近开关试品操作频率可根Ton和Toff值计算，f=1/(Ton+Toff)，其中Ton+Toff≥0.3 ms，Tinter＜2(Ton+Toff)。

图2 接近开关试品导通波形与基准传感器导通波形

1.3 电能质量参数计算

电能质量定义为导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，其内容包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、暂时或瞬态过电压、波形畸变、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。电能质量分析所需主要参数计算公式如下。

电流有效值Irms、电压有效值Urms分别为:

最后求m个周期的平均值。

三相平均功率:

最后求m个周期的平均值。

相位差。先求无功功率:

求m个周期的平均值，根据有功功率和平均功率的三角关系:φ=arctan(Q/P)。

三相功率因数:

2 控制软件系统的开发

2.1 系统组件化设计

控制系统组件集成如图3所示。通过人机界面实现发布调度目标、调度过程监测、数据报表输入输出、信息确认、信息发布等各种交互功能。

(1)通讯组件。封装可编程序控制器(PLC)［5-6］连接OPC通讯接口程序，其中OPC包括两种接口即自定义接口和自动化接口，自定义接口是一组COM接口，自动化接口是一组OLE接口。OPC服务器主要由三类对象组成:Server服务器、Group组和Item项目，基于自定义接口，OPC软件包括OPC服务器软件和OPC客户端软件，客户端OPC Client调用OPC Server对PLC进行读写操作［7-8］。

(2)自动化控制组件。以PLC为核心控制器控制电滑台、电缸，根据测试过程要求，使用PLC梯形图进行各种功能编程，实现电缸驱动电缸。控制系统I/O点包括开关量和模拟量两种，分别对开关量和模拟量I/O地址做出分配。在电缸的控制器LEC系列中，搭载了RS-485传输线路的LEC串行通讯口。

(3)数据与波形组件。该组件基于LabView2010［9-10］平台开发，通过采集卡采集接近开关通断信号，其中模拟触发功能提供多种触发条件的选择，数字触发则提供上升沿触发与下降沿触发两种选择。

(4)报表生成组件。封装数据源连接接口程序调用检测所一体化管理信息系统数据库已有存储过程，组件还内嵌有调用Word和Excel接口。

图3 控制系统组件集成图

(5)视频控制组件。该组件为第三方控件，测试开始时，测试人员可以根据视频方便地调节操作机构如电滑台、电缸的位置使其对准被测试品即接近开关，也通过视频对安装在智能测试平台柜里操作机构的运行状况进行监控。

(6)电能质量分析组件。该组件基于Matlab和Visual C++混合编程技术［11］实现，调用该组件动态库可计算电流有效值Irms、电压有效值Urms、三相平均功率、三相功率因、电压偏差［12］、三相电压不平衡、电压谐波总畸变度率、2～64次谐波电压含有率、电压波动与闪变等40多项指标数等电能质量其他参数值，也可对采样N点的Irms、Urms数值进行计算。

2.2 软件系统的实现

软件的开发工具和数据库系统分别选用Visual Studio 2008、SQL Server2005，部分调用接口的动态库使用Visual C++6.0编写。VS2008内含C++，C#等多种编译器，提供丰富组件以及类向导等开发工具［13］。软件系统界面功能主要包括实时显示所测物理量数值、输出测量信号实时显示波形曲线，并能生成原始数据自动保存到SIMIS数据库。SIMIS即检测所一体化管理信息系统。

(1)系统主控模块。接近开关动作频率智能测试平台中电滑台、电缸运动主要由PLC控制电缸驱动器完成，可靠性高，抗干扰性强。PLC作为下位机控制的核心模块，通过串口与上位机通信。当操作员通过设置工控机中的参数，将动作指令发送至PLC，PLC内部的CPU模块读取相应指令与现场信号，通过自身集成的输出端口控制电动执行器完成试品的定位和装夹;然后，PLC的模拟量输出模块发出模拟量电信号控制变频器运行，进而控制异步电机带动调节转盘的转速以满足不同接近开关操作频率检测的需求。当电机运行平稳后，采集电路开始将接近开关实时的通断波形采集到控制系统中，波形显示功能模块调用电能质量分析组件接口可在线和离线分析采集数据并存储，并根据用户需要生成测试报表。

(2)系统登录界面。本系统有多个操作者和多个权限级别，权限控制相当复杂，系统采用位映射法来控制用户权限，用户登录密码采用MD5算法验证用户信息的有效性，MD5算法是在哈希函数中计算散列值，由于算法的某些不可逆特征，在加密应用上有较好的安全性，并且，MD5算法的使用不需要支付任何版权费用。

(3)变频器控制模块。电机启动、停止及转速由变频器控制。工业控制计算机与变频器使用RS485传输线路和ModbusRTU协议［14］进行串行通讯，通信协议帧结构如表1所示。Address:设定从站地址，当该值与基本参数内的“控制器ID”一致时，通信数据判断为本站的数据，控制器ID(01h～FFh)。Function参数编码功能如表2所示。

表1 通信帧结构

(4)SIMIS数据库模块。为实现检测活动的无纸化作业，以及检测报告的全自动生成，接近开关操作频率智能测试平台控制系统需要与SIMIS系统进行接口，SIMIS系统提供两类数据库接口，一类是获取信息接口，可以从数据库中获取到相关的检验信息;另一类是回传数据接口，可以回传检验数据到数据库中。控制系统为节省与SIMIS系统长时间连接的占用SIMIS服务器资源，仅在需要访问数据库时才建立数据库连接，并在数据库访问结束后立即释放数据库连接。数据库接口的数据交互功能受整个检测业务流程所控制。例如回传检测数据功能，只在当前检测任务处在检测节点时才能正常回传，否则会产生异常。

3 智能测试平台实现

根据控制系统控制框架原理图开发了接近开关操作频率智能测试平台，为保证操作人员安全测试过程平台柜体封闭，图4为测试平台实物图主要由计算机控制系统(1);手动操作面板(2);试品装夹机构(3);定位机构(4);低速标靶转盘(5);高速标靶转盘(6);基准传感器(7);可调速电机(8);控制系统硬件模块(9)等组成。装夹机构能将接近开关固定在转盘正面区域，水平及垂直位置在一定范围内均可由定位机构自由调节，转盘上的标靶在试验时需固定，标靶可方便更换或通过更换转盘来实现，标靶边长最小5 mm，最大100 mm，标靶厚度1 mm，标靶为方形，常用尺寸从小到大:5、10、18、30、45、60、75 及 100 mm，时间测量精度大于等于1 s:±0.8%。不同类型的接近开关操作频率的检测通过改变不同的标靶或转盘来实现，试验是通过旋转标靶转盘，使接近开关不断响应动作，测出接近开关输出信号Ton和Toff值，然后计算出被测接近开关的响应频率。其中，转盘转动速度不小于2 500 r/min，试品与标靶固定的距离2～100 mm，基准传感器可大于40 kHz的检测频率，波形显示界面能显示大于4 kHz频率的波形。

图4 智能测试平台实物图

4 结语

接近开关操作频率智能测试平台试验时可实时监控平台柜内试验设备运行状态，在此基础上对高速数据采集与处理系统进行了设计和研究，从技术上消除了人为因素对采集原始数据的影响。平台工控机软件系统可根据被测试品输出信号与基准传感器输出信号间的延时换算得到操作频率值，软件界面还具有显示主要电能质量参数值功能。目前，该平台应用于上海电器检测所，现场检测试验结果表明该测试平台运行稳定、可靠，测量方法科学，测量精度高。

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