开关插座寿命试验装置智能化测试系统的设计研究

周 恩 徐建楚 张秋声 黄志炳 徐红梅

（浙江方圆检测集团股份有限公司 杭州 310018）

引言

随着计算机网络技术和自动控制技术的迅速发展，智能化设备管理的应用技术在世界各地得到了广泛应用。物联网是在计算机互联网的基础上，利用无线数据通信等技术，实现产品数据和信息的互联共享[1]。近年来，“数字质检”、“智慧质检”和“互联网+检测”建设地不断推进，以及物联网技术的飞速发展，电器附件行业的一些龙头企业和国内大型实验室已经着手于将传统的开关寿命试验装置进行智能化改造，采用人机交互方式，实时远程监控试验数据和曲线，通过远程控制设备的启停、参数设定、报警等功能，并分析计算各个参数，实现对试验过程的全程记录，并使完整的试验数据具有可追溯性，提高实验室管理水平，同时节省时间和精力，提高检测效率。

开关插座的正常操作试验（又称寿命试验），是指在标准要求的接通和分断条件下，检测开关插座产品应经受得住正常使用时出现的机械应力、电应力和热应力而不出现过度磨损或其他有害影响的有载操作次数。这是评价开关插座产品可靠性的重要指标。开关插座产品的电器安全事关每个家庭的用电安全，在我国每年都会发生许多因劣质开关插座引发的电器火灾。为了有效跟踪电器附件产品开关插座的检测过程，本文提出一种基于物联网的开关插座寿命试验装置智能化测试系统。硬件结构上对原有的开关插座寿命试验装置进行了改造，加入各个模块。本系统软件采用Qt，C++并采用了Cmake文件进行开发。

1 系统总体设计

基于物联网的开关插座寿命试验装置智能化测试系统，它是未来实验室设备监控管理的重要发展方向。用户可通过远程监控，在办公室PC端或家庭PC端实现查看实验室的设备状况，远程控制实验室设备地运行，并在发生危险时进行及时的动作。本系统设计对开关插座寿命试验装置智能化测试系统提出了合理的方案。

开关插座寿命试验装置由两部分组成，分为开关插座寿命装置试验台和负载柜。整个系统总体框架为：首先将开关插座寿命试验台引入PLC、传感器和工业相机等硬件，然后将添加硬件改装后的开关插座寿命试验台加入RS-232串口通信模块，将负载柜加入RS-485串口通信模块，通过串口通信对数据进行采集读取再转成USB接口连接到设备计算机（PC1）上，办公计算机（PC2-X）或家庭计算机（PC3-X）通过WiFi技术、TCP/IP网络等对设备计算机（PC1）的数据进行访问读取和操作。该系统的设计方案将体现出具有实时监控产品状况、读取和设置试验参数、数据采集管理监控、故障报警显示、原始数据打印等各项功能。整个系统的总体设计示意图如图1所示。

图1 系统总体设计示意图

2 硬件结构设计

开关插座寿命试验装置包含一个三工位的寿命装置试验台，且每个工位对应一台负载柜。由负载柜提供相应参数的负载按照标准要求进行试验。

将开关插座寿命装置试验台加入工业相机、导轨和安装架、电机、接近开关、PLC以及扩展串口、继电器等硬件模块。整个系统硬件模块结构如图2所示。

图2 系统硬件模块结构图

2.1 工业相机及安装驱动模块

工业相机、电机驱动模块、安装架、导轨和夹具将实现实时监控产品运动状况的功能，并能检测所放置三个样品的一致性。

对整个开关插座寿命试验台平面和空间距离进行测量，根据所测量尺寸分析计算后用SolidWorks分别设计出导轨、夹具和安装架的尺寸。整套安装架采用龙门架的推动形式并由电机驱动，一侧放置导轨，另一侧采用电机驱动同步带以此带动导轨，安装架上的夹具用于三台工业相机的定位和安装。通过软件可对整个安装架进行设置，设置使能模式时，当开关插座寿命试验台的门框打开，安装架上的工业相机将在电机驱动下通过导轨自动平移对准到开关插座产品的位置方向。设置不使能模式时，工业相机等均不动作。

2.2 PLC和串口模块

PLC和串口模块将实现读取和设置试验参数、数据采集管理监控、报警等功能，它是连接开关插座寿命试验装置和计算机PC的核心。

将开关插座寿命试验台和负载柜加入串口模块，本项目对试验台和负载柜中的功率因素表均进行了改装。同时对试验台接入新的一台PLC，用于控制电机驱动、各传感器和继电器等传感信号，以及来自试验台和负载柜各个工位的串口通信数据，最终将所有的数据通过软件设计显示到计算机上。

2.3 其它模块

其它模块包括继电器模块、接近开关传感模块、烟雾报警模块。继电器主要对原有的停止、启动、急停按钮进行改装，用于通过软件实现远程控制。接近开关传感模块将作为触发工业相机和安装架使能的信号。烟雾报警器将实现产品发生阴燃或火灾时报警并给PLC信号，触发急停按钮。使整个系统拥有更好的安全性和用户体验。

3 PC端软件设计

3.1 软件方案

用户之间采用TCP/IP协议，它是Internet最基本的协议[2]。从上述系统结构图可知，为了实现对寿命装置试验台和负载柜的数据监控，无线网络需通过路由器与上位机设备PC1通信，设备PC1需与试验台和负载柜进行串口通讯。

系统用Visual Studio2019作为集成开发环境，运用Qt、C#和C++编程语言，数据库采用SQLite。设计出用户登录后使用便捷，可随时对来自开关插座寿命试验装置的相关数据进行查询、监控、设置、停止启动等操作。开关插座寿命试验装置软件方案的体系架构如图3所示。

图3 软件体系架构图

整个软件架构主要分成工业相机管理、试验台和负载柜管理、报警、数据库管理、原始数据管理等几部分。工业相机可判定产品一致性，通过摄像头还可监控产品的试验状况。试验台和负载柜的数据信息通过串口和PLC连接到PC端，试验人员可实时在办公PC端查看产品的检测数据。在寿命试验检测过程中，需要采集和监控的主要电性能试验参数包括[3]：电压、电流、功率因数、通断时间、当前试验次数、设定试验次数、报警信号等。整个测试系统的主要功能是对寿命试验台进行参数设置，并读取所测量的数据，同时可将电流电压等电性能参数绘制成曲线，记录、监控并保存其相关数值。如遇报警信号，经分析后可通过PC端对其进行停止或急停，当故障排除后，仍可通过PC端进行启动。

3.2 系统界面

本系统支持的运行环境为：空间服务器需Window64位操作系统。系统界面由用户登录和测试系统主界面两部分组成，用户在登录界面输入用户名和密码后即可进入测试系统主界面。开关插座寿命试验装置智能化测试系统软件主界面如图4所示。

图4 测试系统主界面

本软件主界面分为四部分：①系统首页，②图像采集，③试验台数据监控， ④负载柜数据监控。进入首页后可选择ShowDatas按键和YH-8816GSF按键、其中ShowDatas按钮对应进入图像采集和负载柜数据的监控，YH-8816GSF按钮对应进入试验台数据的监控和设置。其余按键为检测暂停、终止和生成原始数据。

点击ShowDatas按键后，鼠标右键点击上方三个区域中的任何一个区域会弹出选择框，如果系统连接有相机鼠标悬浮在camera上会展示出相机名称，分别选择三个相机并点击OneFrame后相机采集一张图片并展示在界面上，如果点击Frame Continue则相机连续取图并展示在界面上，点击Stop相机停止取图。下方三个区域显示的数据则为三个工位负载柜所对应的数据监控。

点击YH-8816GSF按键后，进入试验台参数的监控和设置，界面上展示三个工位的实时状态，如图5中No1，No2，No3分别对应三个工位的数据。Alarm表示报警指示，Fuss表示保险丝报警指示，Currency表示电流报警指示，Distance表示当前位置，Time Count表示当前通电时间，Count表示试验次数，AlarmCount表示连续报警次数。点击Settings按键，即可对试验次数、通断时间等部分参数进行设置。

图5 寿命试验台监控界面

该系统可应用于开关插座产品的寿命试验中，通过对现有的设备进行改造，将仪器设备和计算机应用技术相结合，融入了物联网、TCP/IP网络技术、远程控制等。试验人员可在办公场所通过局域网访问设备计算机，也可在家通过远程控制访问设备计算机，查看产品的运动状态，还可实时监控寿命试验的相关数据，并对部分参数进行设置，同时，所有测试数据可保存至数据库。大大提高了试验人员的工作效率，又保存了数据的完整可追溯性。

4 系统测试结果分析

本系统对电压、电流、功率因数、试验次数等参数进行了监控分析。电压、电流等电性能参数均在1 h内取10组数据。经测试，电压的误差在±0.5 V以内，电流的误差在±0.05 A以内，功率因数的误差在±0.002以内。通过系统监控软件读取到的数据均与设备数据保持一致，且延时率不超过0.5 s。经第三方软件测试表明，系统稳定可靠。

5 结语

本文着眼于应用“互联网+检测”的新模式，将传统的实验室设备实现智能化改进后，运用智能设备进行实时监控设备数据和电性能参数，保存打印原始数据便于查询追溯，故障报警等功能，可大大提高检测人员的设备利用率和办公时效性，其推进结果也将对行业质量产生深远影响。随着电器附件产品质量事件的频发，更进一步加大了对检测实验室设备管理的要求。物联网和设备智能化作为新型技术，将对推动实验室设备检测管理的规范化、高效化、数字化、智能化、信息化起到重要的作用[4]，对应用先进的科学技术推动质检事业发展更是有着重要意义。