開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置智能化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究

周 恩 徐建楚 張秋聲 黃志炳 徐紅梅

（浙江方圓檢測(cè)集團(tuán)股份有限公司 杭州 310018）

引言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能化設(shè)備管理的應(yīng)用技術(shù)在世界各地得到了廣泛應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)是在計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用無(wú)線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和信息的互聯(lián)共享[1]。近年來(lái)，“數(shù)字質(zhì)檢”、“智慧質(zhì)檢”和“互聯(lián)網(wǎng)+檢測(cè)”建設(shè)地不斷推進(jìn)，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，電器附件行業(yè)的一些龍頭企業(yè)和國(guó)內(nèi)大型實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)著手于將傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)壽命試驗(yàn)裝置進(jìn)行智能化改造，采用人機(jī)交互方式，實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗(yàn)數(shù)據(jù)和曲線，通過(guò)遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟停、參數(shù)設(shè)定、報(bào)警等功能，并分析計(jì)算各個(gè)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程的全程記錄，并使完整的試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有可追溯性，提高實(shí)驗(yàn)室管理水平，同時(shí)節(jié)省時(shí)間和精力，提高檢測(cè)效率。

開(kāi)關(guān)插座的正常操作試驗(yàn)（又稱(chēng)壽命試驗(yàn)），是指在標(biāo)準(zhǔn)要求的接通和分?jǐn)鄺l件下，檢測(cè)開(kāi)關(guān)插座產(chǎn)品應(yīng)經(jīng)受得住正常使用時(shí)出現(xiàn)的機(jī)械應(yīng)力、電應(yīng)力和熱應(yīng)力而不出現(xiàn)過(guò)度磨損或其他有害影響的有載操作次數(shù)。這是評(píng)價(jià)開(kāi)關(guān)插座產(chǎn)品可靠性的重要指標(biāo)。開(kāi)關(guān)插座產(chǎn)品的電器安全事關(guān)每個(gè)家庭的用電安全，在我國(guó)每年都會(huì)發(fā)生許多因劣質(zhì)開(kāi)關(guān)插座引發(fā)的電器火災(zāi)。為了有效跟蹤電器附件產(chǎn)品開(kāi)關(guān)插座的檢測(cè)過(guò)程，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置智能化測(cè)試系統(tǒng)。硬件結(jié)構(gòu)上對(duì)原有的開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置進(jìn)行了改造，加入各個(gè)模塊。本系統(tǒng)軟件采用Qt，C++并采用了Cmake文件進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置智能化測(cè)試系統(tǒng)，它是未來(lái)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備監(jiān)控管理的重要發(fā)展方向。用戶(hù)可通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)控，在辦公室PC端或家庭PC端實(shí)現(xiàn)查看實(shí)驗(yàn)室的設(shè)備狀況，遠(yuǎn)程控制實(shí)驗(yàn)室設(shè)備地運(yùn)行，并在發(fā)生危險(xiǎn)時(shí)進(jìn)行及時(shí)的動(dòng)作。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置智能化測(cè)試系統(tǒng)提出了合理的方案。

開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置由兩部分組成，分為開(kāi)關(guān)插座壽命裝置試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜。整個(gè)系統(tǒng)總體框架為：首先將開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)臺(tái)引入PLC、傳感器和工業(yè)相機(jī)等硬件，然后將添加硬件改裝后的開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)臺(tái)加入RS-232串口通信模塊，將負(fù)載柜加入RS-485串口通信模塊，通過(guò)串口通信對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集讀取再轉(zhuǎn)成USB接口連接到設(shè)備計(jì)算機(jī)（PC1）上，辦公計(jì)算機(jī)（PC2-X）或家庭計(jì)算機(jī)（PC3-X）通過(guò)WiFi技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等對(duì)設(shè)備計(jì)算機(jī)（PC1）的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)讀取和操作。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案將體現(xiàn)出具有實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品狀況、讀取和設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)采集管理監(jiān)控、故障報(bào)警顯示、原始數(shù)據(jù)打印等各項(xiàng)功能。整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)示意圖

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置包含一個(gè)三工位的壽命裝置試驗(yàn)臺(tái)，且每個(gè)工位對(duì)應(yīng)一臺(tái)負(fù)載柜。由負(fù)載柜提供相應(yīng)參數(shù)的負(fù)載按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行試驗(yàn)。

將開(kāi)關(guān)插座壽命裝置試驗(yàn)臺(tái)加入工業(yè)相機(jī)、導(dǎo)軌和安裝架、電機(jī)、接近開(kāi)關(guān)、PLC以及擴(kuò)展串口、繼電器等硬件模塊。整個(gè)系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件模塊結(jié)構(gòu)圖

2.1 工業(yè)相機(jī)及安裝驅(qū)動(dòng)模塊

工業(yè)相機(jī)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、安裝架、導(dǎo)軌和夾具將實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控產(chǎn)品運(yùn)動(dòng)狀況的功能，并能檢測(cè)所放置三個(gè)樣品的一致性。

對(duì)整個(gè)開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)臺(tái)平面和空間距離進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)所測(cè)量尺寸分析計(jì)算后用SolidWorks分別設(shè)計(jì)出導(dǎo)軌、夾具和安裝架的尺寸。整套安裝架采用龍門(mén)架的推動(dòng)形式并由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一側(cè)放置導(dǎo)軌，另一側(cè)采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)同步帶以此帶動(dòng)導(dǎo)軌，安裝架上的夾具用于三臺(tái)工業(yè)相機(jī)的定位和安裝。通過(guò)軟件可對(duì)整個(gè)安裝架進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置使能模式時(shí)，當(dāng)開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)臺(tái)的門(mén)框打開(kāi)，安裝架上的工業(yè)相機(jī)將在電機(jī)驅(qū)動(dòng)下通過(guò)導(dǎo)軌自動(dòng)平移對(duì)準(zhǔn)到開(kāi)關(guān)插座產(chǎn)品的位置方向。設(shè)置不使能模式時(shí)，工業(yè)相機(jī)等均不動(dòng)作。

2.2 PLC和串口模塊

PLC和串口模塊將實(shí)現(xiàn)讀取和設(shè)置試驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)采集管理監(jiān)控、報(bào)警等功能，它是連接開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置和計(jì)算機(jī)PC的核心。

將開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜加入串口模塊，本項(xiàng)目對(duì)試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜中的功率因素表均進(jìn)行了改裝。同時(shí)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)接入新的一臺(tái)PLC，用于控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)、各傳感器和繼電器等傳感信號(hào)，以及來(lái)自試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜各個(gè)工位的串口通信數(shù)據(jù)，最終將所有的數(shù)據(jù)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)顯示到計(jì)算機(jī)上。

2.3 其它模塊

其它模塊包括繼電器模塊、接近開(kāi)關(guān)傳感模塊、煙霧報(bào)警模塊。繼電器主要對(duì)原有的停止、啟動(dòng)、急停按鈕進(jìn)行改裝，用于通過(guò)軟件實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。接近開(kāi)關(guān)傳感模塊將作為觸發(fā)工業(yè)相機(jī)和安裝架使能的信號(hào)。煙霧報(bào)警器將實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品發(fā)生陰燃或火災(zāi)時(shí)報(bào)警并給PLC信號(hào)，觸發(fā)急停按鈕。使整個(gè)系統(tǒng)擁有更好的安全性和用戶(hù)體驗(yàn)。

3 PC端軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件方案

用戶(hù)之間采用TCP/IP協(xié)議，它是Internet最基本的協(xié)議[2]。從上述系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖可知，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)壽命裝置試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜的數(shù)據(jù)監(jiān)控，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)需通過(guò)路由器與上位機(jī)設(shè)備PC1通信，設(shè)備PC1需與試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜進(jìn)行串口通訊。

系統(tǒng)用Visual Studio2019作為集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，運(yùn)用Qt、C#和C++編程語(yǔ)言，數(shù)據(jù)庫(kù)采用SQLite。設(shè)計(jì)出用戶(hù)登錄后使用便捷，可隨時(shí)對(duì)來(lái)自開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢(xún)、監(jiān)控、設(shè)置、停止啟動(dòng)等操作。開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置軟件方案的體系架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件體系架構(gòu)圖

整個(gè)軟件架構(gòu)主要分成工業(yè)相機(jī)管理、試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜管理、報(bào)警、數(shù)據(jù)庫(kù)管理、原始數(shù)據(jù)管理等幾部分。工業(yè)相機(jī)可判定產(chǎn)品一致性，通過(guò)攝像頭還可監(jiān)控產(chǎn)品的試驗(yàn)狀況。試驗(yàn)臺(tái)和負(fù)載柜的數(shù)據(jù)信息通過(guò)串口和PLC連接到PC端，試驗(yàn)人員可實(shí)時(shí)在辦公PC端查看產(chǎn)品的檢測(cè)數(shù)據(jù)。在壽命試驗(yàn)檢測(cè)過(guò)程中，需要采集和監(jiān)控的主要電性能試驗(yàn)參數(shù)包括[3]：電壓、電流、功率因數(shù)、通斷時(shí)間、當(dāng)前試驗(yàn)次數(shù)、設(shè)定試驗(yàn)次數(shù)、報(bào)警信號(hào)等。整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的主要功能是對(duì)壽命試驗(yàn)臺(tái)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并讀取所測(cè)量的數(shù)據(jù)，同時(shí)可將電流電壓等電性能參數(shù)繪制成曲線，記錄、監(jiān)控并保存其相關(guān)數(shù)值。如遇報(bào)警信號(hào)，經(jīng)分析后可通過(guò)PC端對(duì)其進(jìn)行停止或急停，當(dāng)故障排除后，仍可通過(guò)PC端進(jìn)行啟動(dòng)。

3.2 系統(tǒng)界面

本系統(tǒng)支持的運(yùn)行環(huán)境為：空間服務(wù)器需Window64位操作系統(tǒng)。系統(tǒng)界面由用戶(hù)登錄和測(cè)試系統(tǒng)主界面兩部分組成，用戶(hù)在登錄界面輸入用戶(hù)名和密碼后即可進(jìn)入測(cè)試系統(tǒng)主界面。開(kāi)關(guān)插座壽命試驗(yàn)裝置智能化測(cè)試系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4 測(cè)試系統(tǒng)主界面

本軟件主界面分為四部分：①系統(tǒng)首頁(yè)，②圖像采集，③試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)監(jiān)控， ④負(fù)載柜數(shù)據(jù)監(jiān)控。進(jìn)入首頁(yè)后可選擇ShowDatas按鍵和YH-8816GSF按鍵、其中ShowDatas按鈕對(duì)應(yīng)進(jìn)入圖像采集和負(fù)載柜數(shù)據(jù)的監(jiān)控，YH-8816GSF按鈕對(duì)應(yīng)進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)數(shù)據(jù)的監(jiān)控和設(shè)置。其余按鍵為檢測(cè)暫停、終止和生成原始數(shù)據(jù)。

點(diǎn)擊ShowDatas按鍵后，鼠標(biāo)右鍵點(diǎn)擊上方三個(gè)區(qū)域中的任何一個(gè)區(qū)域會(huì)彈出選擇框，如果系統(tǒng)連接有相機(jī)鼠標(biāo)懸浮在camera上會(huì)展示出相機(jī)名稱(chēng)，分別選擇三個(gè)相機(jī)并點(diǎn)擊OneFrame后相機(jī)采集一張圖片并展示在界面上，如果點(diǎn)擊Frame Continue則相機(jī)連續(xù)取圖并展示在界面上，點(diǎn)擊Stop相機(jī)停止取圖。下方三個(gè)區(qū)域顯示的數(shù)據(jù)則為三個(gè)工位負(fù)載柜所對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控。

點(diǎn)擊YH-8816GSF按鍵后，進(jìn)入試驗(yàn)臺(tái)參數(shù)的監(jiān)控和設(shè)置，界面上展示三個(gè)工位的實(shí)時(shí)狀態(tài)，如圖5中No1，No2，No3分別對(duì)應(yīng)三個(gè)工位的數(shù)據(jù)。Alarm表示報(bào)警指示，F(xiàn)uss表示保險(xiǎn)絲報(bào)警指示，Currency表示電流報(bào)警指示，Distance表示當(dāng)前位置，Time Count表示當(dāng)前通電時(shí)間，Count表示試驗(yàn)次數(shù)，AlarmCount表示連續(xù)報(bào)警次數(shù)。點(diǎn)擊Settings按鍵，即可對(duì)試驗(yàn)次數(shù)、通斷時(shí)間等部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖5 壽命試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)控界面

該系統(tǒng)可應(yīng)用于開(kāi)關(guān)插座產(chǎn)品的壽命試驗(yàn)中，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改造，將儀器設(shè)備和計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合，融入了物聯(lián)網(wǎng)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遠(yuǎn)程控制等。試驗(yàn)人員可在辦公場(chǎng)所通過(guò)局域網(wǎng)訪問(wèn)設(shè)備計(jì)算機(jī)，也可在家通過(guò)遠(yuǎn)程控制訪問(wèn)設(shè)備計(jì)算機(jī)，查看產(chǎn)品的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，還可實(shí)時(shí)監(jiān)控壽命試驗(yàn)的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時(shí)，所有測(cè)試數(shù)據(jù)可保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。大大提高了試驗(yàn)人員的工作效率，又保存了數(shù)據(jù)的完整可追溯性。

4 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果分析

本系統(tǒng)對(duì)電壓、電流、功率因數(shù)、試驗(yàn)次數(shù)等參數(shù)進(jìn)行了監(jiān)控分析。電壓、電流等電性能參數(shù)均在1 h內(nèi)取10組數(shù)據(jù)。經(jīng)測(cè)試，電壓的誤差在±0.5 V以?xún)?nèi)，電流的誤差在±0.05 A以?xún)?nèi)，功率因數(shù)的誤差在±0.002以?xún)?nèi)。通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控軟件讀取到的數(shù)據(jù)均與設(shè)備數(shù)據(jù)保持一致，且延時(shí)率不超過(guò)0.5 s。經(jīng)第三方軟件測(cè)試表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語(yǔ)

本文著眼于應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+檢測(cè)”的新模式，將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備實(shí)現(xiàn)智能化改進(jìn)后，運(yùn)用智能設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備數(shù)據(jù)和電性能參數(shù)，保存打印原始數(shù)據(jù)便于查詢(xún)追溯，故障報(bào)警等功能，可大大提高檢測(cè)人員的設(shè)備利用率和辦公時(shí)效性，其推進(jìn)結(jié)果也將對(duì)行業(yè)質(zhì)量產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。隨著電器附件產(chǎn)品質(zhì)量事件的頻發(fā)，更進(jìn)一步加大了對(duì)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備管理的要求。物聯(lián)網(wǎng)和設(shè)備智能化作為新型技術(shù)，將對(duì)推動(dòng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備檢測(cè)管理的規(guī)范化、高效化、數(shù)字化、智能化、信息化起到重要的作用[4]，對(duì)應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)推動(dòng)質(zhì)檢事業(yè)發(fā)展更是有著重要意義。