一種多功能自動化電源測試臺

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（成都理工大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川成都610059）

0 前言

21世紀(jì)初，我國電焊機(jī)測試裝置大部分沿用基于電磁感應(yīng)基本定律的模擬指針式儀表測試系統(tǒng)。2004年前，我國使用的電弧焊電源檢測設(shè)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(shù)表，測量焊接電源的各種參數(shù)。直到2004年，部分焊接電源測試設(shè)備制造商對測試設(shè)備進(jìn)行技術(shù)完善，其中最具代表性的是數(shù)字式TDC-750AD系列電源測試臺，并應(yīng)用于大部分電焊機(jī)廠商作為出廠檢測測試設(shè)備使用。該設(shè)備具有真有效值采樣、顯示直觀、操作簡便、維護(hù)容易等特點，但是需要人工記錄數(shù)據(jù)，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(shè)計了數(shù)據(jù)自動記錄、管理系統(tǒng)，有效地避免了人為因素，保證了測試數(shù)據(jù)的真實性。測試數(shù)據(jù)可以由管理者查詢、編輯、打印。

本設(shè)計是對廣泛應(yīng)用的TDC系列產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)升級，替換主控為ARMv9，運行Linux操作系統(tǒng)，網(wǎng)口上傳測試數(shù)據(jù)，USB導(dǎo)入導(dǎo)出記錄數(shù)據(jù)。電焊機(jī)輸出測試端設(shè)計了小功率高頻高壓濾波電路，可在焊機(jī)有高頻引弧時實時測量，無需擔(dān)心高頻引弧脈沖對傳感器造成破壞，測試數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)管理平臺進(jìn)行統(tǒng)一管理。

1 自動化電源測試臺

電源測試系統(tǒng)主要由多功能自動化電源測試臺、焊機(jī)采樣端高頻高壓濾波電路以及上位機(jī)管理平臺軟件開發(fā)三部分組成。電源測試臺測試前，先找出被測焊機(jī)的靜態(tài)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(chǎn)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(qiáng)的高頻脈沖，為保障采集儀表的安全必須先進(jìn)行處理[1]。

測試數(shù)據(jù)通過與預(yù)置的電壓、電流合格范圍進(jìn)行比對，生成測試報告逐次上傳到管理平臺服務(wù)器進(jìn)行后臺監(jiān)測。通過判斷監(jiān)控軟件是否打開，靈活配置測試系統(tǒng)為單條上傳或打包上傳模式，所有數(shù)據(jù)都存儲在服務(wù)器數(shù)據(jù)庫，隨時可使用上位機(jī)軟件監(jiān)測當(dāng)前狀態(tài)。系統(tǒng)的工作流程示意如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的工作流程

測試系統(tǒng)采集的信息實時上傳到服務(wù)器，監(jiān)管人員可以遠(yuǎn)程實時查看檢測進(jìn)度，符合現(xiàn)場測試工作中操作人員在生產(chǎn)車間測試、監(jiān)督人員在辦公室監(jiān)督管理的實際工作機(jī)制。測試系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)測試人員每進(jìn)行一條測試、監(jiān)管人員都能看到實時數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)現(xiàn)有的電焊機(jī)測試設(shè)備均不具備這種功能。本測試設(shè)備能夠通過無線或有線局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時上傳，便于上位機(jī)實時監(jiān)控，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步管理。

系統(tǒng)采用科學(xué)的模塊化設(shè)計，解決了大部分同類電焊機(jī)檢測設(shè)備通過人工進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄，完成測量后對大量數(shù)據(jù)統(tǒng)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(shè)置參數(shù)指標(biāo)的合格范圍、各測試項目的負(fù)載大小、以及需要的測量項目等。當(dāng)測試儀器接收HMI工控屏的指令后，Linux系統(tǒng)控制各功能電路進(jìn)行測試，同時進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和結(jié)果判定，將數(shù)據(jù)存儲后同步到上位機(jī)管理平臺，大大減輕了勞動強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)線測試效率[2]。整個硬件系統(tǒng)的原理示意如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)工作示意

3 焊機(jī)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(jìn)行數(shù)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(jī)輸出信號、焊機(jī)引弧時產(chǎn)生的高頻和正常直流信號，以及焊機(jī)輸出端經(jīng)過濾波電路后實際輸出的波形。實驗測試結(jié)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(zhǔn)范圍內(nèi)，并且交流50 Hz衰減較小，脈沖干擾信號基本濾除，達(dá)到設(shè)計電路指標(biāo)要求[4]。

結(jié)果表明，高頻高壓小功率濾波電路能有效濾除破壞性極強(qiáng)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(guān)系

4 上位機(jī)管理平臺軟件

上位機(jī)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(tǒng)進(jìn)行電源檢測，并且可以設(shè)置電源檢測模式。管理員用戶可以設(shè)置低值、變比等參數(shù)，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(jī)管理平臺功能模塊

平臺以車間為單位對電源進(jìn)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(tài)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(nèi)所有在檢測電源的實時狀態(tài)，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(tài)顯示界面

圖6 各車間實時數(shù)據(jù)顯示

5 電源測試臺應(yīng)用前景和效益

本系統(tǒng)可以測試多種類型焊機(jī)，包括TIG、MMA、MIG、方波、等離子等焊機(jī)，并具有遠(yuǎn)端監(jiān)控功能和前端引弧濾波功能，大大提高企業(yè)產(chǎn)品的檢驗效率，降低企業(yè)成本，同時便于企業(yè)監(jiān)管。這類設(shè)備具有良好的市場前景，能夠產(chǎn)生較大的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。

國內(nèi)主要電源企業(yè)需求量為300～400臺，僅電焊機(jī)行業(yè)目前需要約50臺（套），市場前景較好。推廣到其他行業(yè)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(shè)備價格較高，如某電源測試臺為170余萬元，系統(tǒng)使用PLC控制，數(shù)據(jù)采樣依然采用分立器件。我國自主制造該類設(shè)備只需8～20萬元人民幣，如果年產(chǎn)20臺則可節(jié)約3 000萬元人民幣及大量外匯，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。

綜上所述，在高技術(shù)領(lǐng)域大功率電源的測試中，目前國內(nèi)絕大部分的高端測試設(shè)備均為進(jìn)口，測試項目也集中在通訊電源、開關(guān)電源等自身干擾小、對動特性要求不高的領(lǐng)域。而購置昂貴的進(jìn)口測試設(shè)備則對中小企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營造成了一定影響。尤其是為了合法進(jìn)入市場，中小企業(yè)必須提高自身產(chǎn)品的質(zhì)量，同時也必須提高與其相關(guān)的出廠測試技術(shù)水平，這加大了對檢測設(shè)備更新?lián)Q代的要求。

6 國內(nèi)外自動化測試臺現(xiàn)狀

目前國內(nèi)的電源檢測設(shè)備雖然便于攜帶，測量精度較高，但是數(shù)據(jù)后期處理需要投入大量人力物力，已經(jīng)不符合當(dāng)今自動化生產(chǎn)與測試的要求。某系列智能電源測試臺功能強(qiáng)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(jī)生產(chǎn)廠商用于產(chǎn)品的出廠檢測[6]?；趪鴥?nèi)外電焊機(jī)測試裝置的使用現(xiàn)狀，設(shè)計了一種多功能電源測試設(shè)備對焊接電源進(jìn)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(tǒng)管理、HMI人機(jī)觸摸屏顯示等技術(shù)，適用于測量輸出電流650 A以下的弧焊電源輸入、輸出參數(shù)。本測試儀器為自動檢測，操作人員根據(jù)設(shè)定好的程序進(jìn)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(shè)備中，減輕了勞動強(qiáng)度，提高生產(chǎn)線測試的效率，保證了測試數(shù)據(jù)的真實性。本測試儀器可以測試MMA、TIG、MIG/MAG、方波等不同焊機(jī)，加配不同的負(fù)載，可將輸出電流的測量范圍延伸至2 000 A。依據(jù)客戶需要，本測試儀器內(nèi)部預(yù)設(shè)了多種出廠試驗?zāi)０?，適應(yīng)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(xiàn)自動檢測，同時將檢測數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)端的管理平臺。設(shè)計的高頻高壓濾波電路能保護(hù)采樣傳感器，提高生產(chǎn)測試效率，降低運維成本，完全符合現(xiàn)代化高效率的生產(chǎn)測試要求。

7 結(jié)論

通過對現(xiàn)有焊機(jī)檢測設(shè)備原理進(jìn)行理論研究，借鑒可用技術(shù)，完成新型多功能電源測試設(shè)備原理和結(jié)構(gòu)設(shè)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(hù)信號傳感器，基于ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)為核心的邏輯控制、數(shù)據(jù)處理和算法，優(yōu)化了測試精度；人機(jī)交互界面采用維控HMI工控屏控制測試流程和數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)導(dǎo)出儲存在USB設(shè)備中，同時上傳到基于Java編寫的上位機(jī)監(jiān)控管理平臺軟件上，方便用戶從網(wǎng)絡(luò)上指定的IP地址讀取數(shù)據(jù)存儲和顯示記錄，HMI工控屏使用串口控制，上傳以太網(wǎng)絡(luò)采用無線或有線方式。

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[3]楊文杰，欒福香.數(shù)字信號處理：理論、算法與實現(xiàn)[M].北京：清華大學(xué)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(xué)學(xué)報，2003，1996（3）：204-207.

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