基于硬件在環(huán)的低壓電器自動化測試軟件設(shè)計(jì)

沈 文 婷

(上海機(jī)器人產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院有限公司, 上海 200063)

0 引 言

自動化程度的迅速提高決定了低壓電器的測試要求提高,且需要達(dá)到一定的測試強(qiáng)度,就對測試設(shè)備提出了很高的要求[1-3],傳統(tǒng)的測試方法已經(jīng)無法滿足現(xiàn)有的測試需求[4-5]。在完成測試的同時,需要考慮如何減少參數(shù)波動的次數(shù)、如何提高測試完成度、如何減少測試次數(shù)等[6-9]。

對于低壓電器的要求包括安全可靠性、壽命使用長度等,這也是測試的重點(diǎn)[10-13]。在眾多的測試項(xiàng)目中,溫升測試用來驗(yàn)證低壓電器在正常運(yùn)行時的發(fā)熱情況,需要在測試過程中獲得各項(xiàng)數(shù)據(jù),以驗(yàn)證其安全性、可靠性。

本文設(shè)計(jì)一種基于虛擬儀器的低壓電器自動化測試系統(tǒng),包括溫升試驗(yàn)、電能效率試驗(yàn)等,并設(shè)置管理員等多種角色,系統(tǒng)的管理及角色分配由管理員來執(zhí)行,提高了測試系統(tǒng)的安全性和工作效率。系統(tǒng)基于PXI平臺進(jìn)行搭建,具有很高的可擴(kuò)展性,測試程序使用圖形化編程語言,便于測試員測試開發(fā)。

1 虛擬儀器

虛擬儀器包含軟件系統(tǒng)和硬件系統(tǒng)。軟件系統(tǒng)在硬件系統(tǒng)的基礎(chǔ)上可完成一系列的開發(fā)活動。硬件系統(tǒng)主要用來采集信號,并將信號處理成軟件系統(tǒng)可以識別的二進(jìn)制數(shù)字信號。軟件系統(tǒng)則用來分析數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)和保存數(shù)據(jù),以及最大化利用數(shù)據(jù)進(jìn)行測試驗(yàn)證。

虛擬儀器開發(fā)平臺即LabVIEW,采用可視化的圖形編程語言,并可以與C、Python等主流編程語言進(jìn)行交互,從而高效率地完成系統(tǒng)的開發(fā),提高開發(fā)效率。LabVIEW封裝了信號處理的多種程序文件,并以動態(tài)鏈接庫文件的格式供開發(fā)者調(diào)用,基本不用寫代碼,只需要將封裝的圖標(biāo)與圖標(biāo)之間建立連線。

LabVIEW分為前面板和程序框圖。前面板作為人機(jī)交互界面,僅提供輸入/輸出接口和基本的裝飾控件;程序框圖作為虛擬儀器的核心,主要完成控制程序的邏輯設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn),包括數(shù)據(jù)采集、讀取、寫入以及數(shù)據(jù)運(yùn)算。與傳統(tǒng)測試儀器相比,虛擬儀器具有更高的靈活性和適應(yīng)性。傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器比較如表1所示。

表1 傳統(tǒng)儀器與虛擬儀器比較

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集硬件模塊、通訊模塊和數(shù)據(jù)分析終端組成。數(shù)據(jù)采集硬件模塊接入被測設(shè)備,并通過通訊模塊與數(shù)據(jù)分析終端進(jìn)行通訊,完成數(shù)據(jù)傳輸。數(shù)據(jù)分析終端將采集的數(shù)據(jù)包進(jìn)行解包并顯示,最終完成設(shè)備溫升測試。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

低壓電器溫升試驗(yàn)屬于型式試驗(yàn)部分,主要用來檢測設(shè)備在運(yùn)行過程中的發(fā)熱情況。如果設(shè)備某些零部件發(fā)熱過高,就會導(dǎo)致?lián)p害,如熔化、接觸不良等。因此,溫升測試可以測量各個零部件在運(yùn)行過程中的發(fā)熱程度,保證設(shè)備及其零部件不會發(fā)生損壞。

此外,設(shè)備在運(yùn)行過程中,電壓和電流會存在波動,因此需要使用高精度采集設(shè)備對測試設(shè)備產(chǎn)生的電壓、電流等測試數(shù)據(jù)進(jìn)行精確的采集和處理,并以此判斷電壓、電流的突變是否影響各零部件的溫度。

3 硬件設(shè)計(jì)

在溫升測試中,對溫度測量的精度、點(diǎn)數(shù)和實(shí)時性都會有一定的要求。系統(tǒng)選取PXI-4353作為溫度采集的設(shè)備。PXI-4353溫度輸入模塊,提供多達(dá)32個通道的模擬溫度測量,以及用于識別熱電偶斷開的開路熱電偶檢測功能。同時,該模塊可為溫度測量提供集成式數(shù)據(jù)采集和信號調(diào)理,包含更高的精度和同步功能。該模塊可優(yōu)化熱電偶終端和冷端補(bǔ)償通道間的導(dǎo)熱性。因此,PXI-4353溫度輸入模塊既有用于偏移補(bǔ)償?shù)?路自動調(diào)零通道,也有用于識別熱電偶斷開的熱電偶開路檢測。PXI-4353經(jīng)過內(nèi)部調(diào)理后,可選擇通過RTD或者熱電偶進(jìn)行溫度測量,實(shí)現(xiàn)32個差分通道的數(shù)據(jù)采集。此外,由于溫升測試的時間跨度很大,所以設(shè)備的運(yùn)行電壓和電流一般都會預(yù)先設(shè)定好。

在設(shè)備運(yùn)行過程中,對于設(shè)備的電壓和電流采集,主要關(guān)注三相三線制或三相四線制情況下相電壓、相電流、線電壓和線電流等參數(shù),因此系統(tǒng)選取NI-9244作為電壓測量設(shè)備。NI-9244提供了通道數(shù)、分辨率和速度的有效組合,滿足相量測量、電能計(jì)量、電能質(zhì)量監(jiān)測等參數(shù)的測量。同時,該采集卡提供3個通道,以便完成單相或三相電壓的測量。針對電流采集,系統(tǒng)選取NI-9203采集卡,其具有可編程輸入范圍、可變連接選項(xiàng)和內(nèi)置噪聲抑制的功能,可完成電力質(zhì)量監(jiān)測和計(jì)量、工業(yè)機(jī)器測量、健康監(jiān)測等任務(wù)。硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

4 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件可分為系統(tǒng)登入、參數(shù)設(shè)置和報(bào)警、通訊、數(shù)據(jù)采集和顯示、數(shù)據(jù)保存5個模塊。整體設(shè)計(jì)界面如圖3所示。

整體軟件運(yùn)行流程圖如圖4所示。

4.1 系統(tǒng)登入

登入角色可選管理員、測試員兩種角色,賬號及密碼由管理員輸入,并逐個分配給相關(guān)的測試人員。作為對相關(guān)測試的記錄,系統(tǒng)登錄界面會自動登記登入時間,登入地點(diǎn)由測試人員選擇,可選辦公室、實(shí)驗(yàn)室和外場,等待登錄進(jìn)度完成,就可以進(jìn)入系統(tǒng)界面。

4.2 參數(shù)設(shè)置和報(bào)警

參數(shù)和報(bào)警設(shè)置界面如圖5所示。系統(tǒng)按照設(shè)定的掃描時間間隔進(jìn)行溫度的采集,目前一共包含18個采集通道,當(dāng)某個通道的溫度超過閾值時,程序便開始報(bào)警提示,并自動記錄報(bào)警次數(shù)。報(bào)警次數(shù)主要以掃描時間間隔為單位。如果18個通道的溫度最大值連續(xù)1 min超過閾值,而掃描時間間隔設(shè)定為10 s時,則報(bào)警次數(shù)為6次。同時,系統(tǒng)將會同時記錄發(fā)生報(bào)警的位置,若第9個通道發(fā)生報(bào)警,報(bào)警位置顯示9,如果多個位置同時報(bào)警,系統(tǒng)會依次顯示。一般,當(dāng)有第一次報(bào)警時,系統(tǒng)就會停止采集。

由于不同的測試對象有不同的溫度變化、電壓變化以及電流變化,所以參數(shù)和報(bào)警設(shè)置模塊主要對報(bào)警溫度、報(bào)警次數(shù)、掃描時間間隔以及電壓參考值和電流參考值進(jìn)行設(shè)置。報(bào)警溫度沒有特殊的限制,當(dāng)實(shí)際溫度超過設(shè)定的溫度時,報(bào)警提示將發(fā)出信號。掃描時間間隔可實(shí)時更改,用于配置采集的最小時間間隔,建議設(shè)置在10～120 s之間。

4.3 通訊

通訊模塊按照不同的被測對象,可使用不同的通訊接口。系統(tǒng)所使用的溫度采集模塊可采集各通道溫度,也可以使用串口等方式轉(zhuǎn)換信號。當(dāng)選擇IO口采集數(shù)據(jù)時,將IO口設(shè)置區(qū)中的參數(shù)配置好,主要包括物理通道、采樣時鐘源、采樣數(shù)等;當(dāng)選擇串口數(shù)據(jù)時,需要配置串口的參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,主要包括VISA資源以及波特率等。系統(tǒng)預(yù)留了其他方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,如果選擇其他,需要進(jìn)行對應(yīng)的編程以及配置才可以進(jìn)行采集。

在串口讀取時,需要先配置讀取緩沖區(qū)的字節(jié)數(shù),否則當(dāng)讀取的字節(jié)數(shù)大于緩沖區(qū)字節(jié)數(shù)時,讀操作會一直等待。

4.4 數(shù)據(jù)采集和顯示

數(shù)據(jù)采集是連接被測環(huán)境與軟件終端的橋梁,能夠?qū)⒛M輸入信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號傳送到軟件終端進(jìn)行數(shù)據(jù)分析,是測試系統(tǒng)的核心模塊之一。

系統(tǒng)電壓信號采集使用NI-9244。因此程序設(shè)計(jì)時,需要使用以太網(wǎng)程序接口或者USB接口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和顯示,其核心是NI VISA模塊。USB編程界面如圖6所示。

同理,電流采集使用NI-9203模塊,使用相同的模塊即可完成數(shù)據(jù)的采集和顯示。

溫度采集模塊使用PXI-4353,使用PXI總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸,可直接通過串口完成數(shù)據(jù)包下載以及解包。

4.5 數(shù)據(jù)保存

數(shù)據(jù)保存模塊主要將測試系統(tǒng)采集的溫度、電壓、電流等數(shù)據(jù)包以字符串格式保存在TXT文件中,以便進(jìn)行后期數(shù)據(jù)分析、報(bào)告輸出等活動。

5 結(jié) 語

通過設(shè)計(jì)基于LabVIEW的溫升測量終端軟件,結(jié)合電器相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn),可為低壓電器設(shè)備快速搭建測試系統(tǒng),對測試系統(tǒng)的參與人員也可以使用管理員權(quán)限來管控,提升了測試系統(tǒng)的測試能力和管理能力。同時,本文設(shè)計(jì)的軟件可為低壓電器的測試提供一種高可靠性的方案,為后續(xù)相關(guān)產(chǎn)品設(shè)備的測試應(yīng)用提供依據(jù)和可實(shí)施途徑。