航空開(kāi)關(guān)U 型部件絕緣性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

萬(wàn)晟睿，周志峰，馮垚

（201620 上海市 上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院）

0 引言

U 型部件是航空開(kāi)關(guān)中的重要組成部分，為保證開(kāi)關(guān)質(zhì)量，該部件需進(jìn)行絕緣性能測(cè)試。傳統(tǒng)U型部件的絕緣性能測(cè)試依靠人工測(cè)量，在測(cè)試板的兩端加載直流電壓，從而得到數(shù)據(jù)并找出不良件，其自動(dòng)化程度低、識(shí)別不良件的效率低，因此設(shè)計(jì)一種能自動(dòng)測(cè)量并對(duì)不良件進(jìn)行定位的U 型部件絕緣測(cè)試系統(tǒng)很有必要。本設(shè)計(jì)是基于PLC 和MCGS 組態(tài)軟件相結(jié)合的U 型部件絕緣性能測(cè)試方案，由漏電流傳感器采集漏電流信號(hào)并轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，模擬量輸入模塊將標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，PLC 作為測(cè)試系統(tǒng)的控制核心實(shí)時(shí)處理數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)漏電流的自動(dòng)測(cè)量。由MCGS 組態(tài)軟件與PLC 之間建立信息通道，實(shí)現(xiàn)可視化、不良品定位、報(bào)警反饋、電流值的讀存等功能，運(yùn)行安全、方便、準(zhǔn)確，提高了測(cè)試效率和自動(dòng)化程度[1]。

1 U 型部件測(cè)試規(guī)范

1.1 U 型部件

U 型部件是航空開(kāi)關(guān)內(nèi)關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和聯(lián)結(jié)部件，若發(fā)生漏電會(huì)直接導(dǎo)致開(kāi)關(guān)手柄和電路絕緣不良、甚至導(dǎo)通帶電。U 型部件如圖1 所示，左右兩端對(duì)稱(chēng)位置各有一根金屬軸，中間有盲孔。

圖1 U 型部件剖面圖Fig.1 Section drawing of U-shape parts

1.2 傳統(tǒng)測(cè)試流程

目前，U 型部件絕緣性能測(cè)試是通過(guò)在U 型部件的金屬軸和孔壁內(nèi)側(cè)兩端施加直流電壓并保持一定時(shí)間的方式實(shí)現(xiàn)的，一批次需要測(cè)試10 個(gè)。具體流程：（1）在耐壓測(cè)試儀上分別設(shè)置漏電流報(bào)警值、測(cè)試時(shí)長(zhǎng)、高壓輸出值；（2）啟動(dòng)耐壓測(cè)試儀，給測(cè)試板兩端輸出直流高壓，如果在測(cè)試過(guò)程中耐壓測(cè)試儀報(bào)警，表明該批次中有不良件；（3）對(duì)有不良件的批次，需對(duì)該批次的每個(gè)U 型部件再進(jìn)行測(cè)試，直到找出所有不良件。

1.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

設(shè)備主要用于航空開(kāi)關(guān)U 型部件的絕緣性能測(cè)試，單個(gè)U 型部件的絕緣性能測(cè)試的時(shí)間不超過(guò)20 s。測(cè)試過(guò)程中，U 型部件的絕緣測(cè)試采用半自動(dòng)化作業(yè)形式，人工批量上下料并裝夾完畢。工人通過(guò)觸摸屏啟動(dòng)設(shè)備對(duì)U 型部件孔壁內(nèi)側(cè)和金屬軸間施加直流電壓保持1 min，每個(gè)U 型部件有獨(dú)立的電流值采集通道，自動(dòng)測(cè)量漏電流值，自動(dòng)判別定位超出設(shè)定值外的不良件，漏電流值和報(bào)警狀態(tài)顯示在觸摸屏上。

系統(tǒng)主要技術(shù)指標(biāo)：（1）輸出直流電壓可在0～2 000 V 可調(diào)，耐壓測(cè)試時(shí)間在0～99 s 內(nèi)可調(diào)；2）報(bào)警電流在0～20 mA 可設(shè)置，漏電流超過(guò)0.5 mA進(jìn)行報(bào)警；（3）漏電流檢測(cè)精度≤10 μA。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 測(cè)控方案設(shè)計(jì)

測(cè)控方案設(shè)計(jì)圖如圖2 所示。輸出直流電壓加載到U 型部件檢測(cè)臺(tái)，對(duì)每個(gè)工位通過(guò)U 型部件的電流進(jìn)行漏電流檢測(cè)，漏電流傳感器采集漏電流輸出標(biāo)準(zhǔn)電壓進(jìn)入A/D 采樣模塊，由PLC 控制進(jìn)行A/D 采樣，計(jì)算出當(dāng)前U 型部件的電流，如果超出預(yù)設(shè)報(bào)警電流，則PLC 輸出控制點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈，提醒操作人員，所有工位的U 型部件漏電流和指示燈狀態(tài)都可在上位機(jī)觸摸屏顯示并存儲(chǔ)。

圖2 測(cè)控方案設(shè)計(jì)圖Fig.2 Measurement and control scheme design drawing

西門(mén)子S7-200 SMART PLC（CPU ST30）作為整個(gè)絕緣測(cè)試系統(tǒng)的核心，既要處理模擬量輸入模塊輸出的電壓信號(hào)，又要響應(yīng)組態(tài)軟件發(fā)出的操作指令，并通過(guò)和組態(tài)軟件建立的通道將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)，顯示每個(gè)U 型部件的漏電流數(shù)值和報(bào)警。本次設(shè)計(jì)選用CPUST30 模塊，本體帶18 輸入、12輸出[2]。

模擬量采集模塊，對(duì)通過(guò)每個(gè)U 型部件的電流進(jìn)行采集。選用S7-200 SMART 系列的模擬量采集模塊EMAE08，8 路模擬量輸入，輸入范圍±2.5V、±5V、±10V、0～20 mA 等，共3 個(gè)模塊，滿(mǎn)足20 個(gè)工件電流的同時(shí)獨(dú)立采集。由隔離變送器將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成0～10 V 的電壓信號(hào)送到模擬量輸入模塊，由PLC計(jì)算出漏電流的數(shù)值，發(fā)出控制信號(hào)決定指示燈報(bào)警與否，從而實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位不良品。

數(shù)字量輸出模塊方面，每個(gè)被測(cè)U 型部件設(shè)置一個(gè)指示燈，當(dāng)電流超過(guò)設(shè)定電流時(shí)，點(diǎn)亮指示燈進(jìn)行報(bào)警。本次設(shè)計(jì)選用S7-200 SMART 系列的數(shù)字量輸出模塊EM QT16，本體帶16 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，CPUST30 模塊自身帶12 個(gè)數(shù)字量輸出，一共28 個(gè)數(shù)字量輸出點(diǎn)，完全可以滿(mǎn)足20 個(gè)指示燈控制需要。

漏電流傳感器方面，串入U(xiǎn) 型部件電流測(cè)試回路，實(shí)時(shí)監(jiān)控工件電流，輸出的電壓信號(hào)進(jìn)入模擬量采集模塊，20 個(gè)工件對(duì)應(yīng)20 個(gè)漏電流傳感器模塊，輸入信號(hào)±10 mA，輸出信號(hào)±5 V。

MCGS 觸摸屏方面，測(cè)試過(guò)程中通過(guò)每個(gè)工件的電流在觸摸屏上顯示。本次設(shè)計(jì)中采用昆侖通泰7 寸觸摸屏顯示20 個(gè)工件的電流和當(dāng)前狀態(tài)，分辨率800×480，內(nèi)存128 M、系統(tǒng)存儲(chǔ)128 M，10/100 M 自適應(yīng)以太網(wǎng)接口，2 個(gè)串行COM 接口，該類(lèi)型觸摸屏在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)廣泛使用[3]。

2.2 工裝夾具設(shè)計(jì)

測(cè)試工裝如圖3 所示。圖3（a）為未安裝U型部件狀態(tài)，中間圓柱體和U 型部件本體中間的盲孔接觸，左右兩邊為不銹鋼夾具，和U 型部件兩端的金屬軸接觸，安裝時(shí)只需把U 型部件插入工裝，中間圓柱體和U 型部件孔壁內(nèi)側(cè)接觸，不銹鋼夾具和U 型部件兩端金屬軸緊密接觸；圖3（b）為U 型部件安裝后的狀態(tài)。

圖3 測(cè)試工裝圖Fig.3 Test fixture diagram

2.3 漏電流檢測(cè)

漏電流檢測(cè)是U 型部件絕緣測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)重點(diǎn)，采用閉環(huán)霍爾電流傳感器采集漏電流?；魻栯娏鱾鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場(chǎng)傳感器（如圖4 所示），它是由原邊電路、聚磁環(huán)、霍爾元件次級(jí)線(xiàn)圈、放大器等組成。當(dāng)原邊電流Ip產(chǎn)生的磁通通過(guò)高品質(zhì)磁芯集中在磁路中,霍爾元件固定在氣隙中檢測(cè)磁通，通過(guò)繞在磁芯上的多匝線(xiàn)圈輸出反向的補(bǔ)償電流，用于抵消原邊Ip產(chǎn)生的磁通，使得磁路中磁通始終保持為零。經(jīng)過(guò)特殊電路的處理,傳感器的輸出端能夠精確反映原邊電流的電流變化。

圖4 閉環(huán)霍爾電流傳感器電路原理圖Fig.4 Closed loop Hall current sensor circuit diagram

依據(jù)互感器電磁隔離、磁調(diào)制工作原理將被測(cè)交流微電流、直流微電流轉(zhuǎn)換成直流電流、直流電壓并隔離輸出標(biāo)準(zhǔn)模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)，漏電流傳感器環(huán)繞安裝在直流回路的正負(fù)出線(xiàn)上，當(dāng)裝置運(yùn)行時(shí)，實(shí)時(shí)檢測(cè)各支路傳感器輸出的信號(hào)。

2.4 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)由機(jī)械部分、電氣部分、觸摸屏等組成，其中機(jī)械部分由安裝面板、箱體、物理防護(hù)結(jié)構(gòu)等組成；電氣部分由控制器、模擬量采集模塊、數(shù)字量輸出模塊等組成；觸摸屏用于人機(jī)交互，設(shè)置測(cè)試參數(shù)，顯示測(cè)試結(jié)果。

為了保證絕緣測(cè)試系統(tǒng)的安全性，系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)時(shí)操作人員只在弱電一面操作，強(qiáng)電部分實(shí)際上是被隔離的，每個(gè)U 型部件都具備獨(dú)立的漏電流采集通道（20 個(gè)）。當(dāng)任意一個(gè)工件的漏電流大于或等于報(bào)警值，測(cè)試板指示燈亮起，軟件界面指示燈同時(shí)點(diǎn)亮，測(cè)試結(jié)束后，自動(dòng)保存上一次測(cè)試的每個(gè)工件的漏電流值，自動(dòng)生成報(bào)表，可以通過(guò)預(yù)置的USB 接口讀取。檢測(cè)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)如圖5 所示，左側(cè)為負(fù)載箱，右側(cè)為測(cè)控箱，負(fù)載箱內(nèi)包括漏電流傳感器、指示燈、電源等，測(cè)控箱內(nèi)包括控制核心PLC、觸摸屏、控制按鈕等，操作人員則主要操作測(cè)控箱。

圖5 檢測(cè)臺(tái)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Overall structure of testing platform

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件主流程

檢測(cè)臺(tái)下位機(jī)PLC 程序的主流程圖如圖6 所示。在測(cè)試時(shí)間內(nèi)(例如1 min)，依次采集20 個(gè)工位上被測(cè)U 型部件的電流值并顯示，直至測(cè)試時(shí)間結(jié)束，如果某個(gè)U 型部件的電流值達(dá)到了預(yù)設(shè)的報(bào)警值則點(diǎn)亮相應(yīng)的指示燈，定位出不合格工件的位置，提醒操作人員注意。

圖6 主程序流程圖Fig.6 Main program flow chart

3.2 PLC 軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)PLC 控制程序采用STEP 7-Micro/WIN SMART 軟件開(kāi)發(fā)，該軟件是西門(mén)子專(zhuān)為S7-200 SMART PLC 開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)。

U 型部件絕緣性能測(cè)試系統(tǒng)工作時(shí)，漏電流傳感器將采集到的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為0～5 V 的標(biāo)準(zhǔn)電壓信號(hào)，然后傳送給模擬量輸入模塊，轉(zhuǎn)換為電壓數(shù)據(jù)，再經(jīng)控制核心PLC CPUST30 實(shí)時(shí)接收計(jì)算出電流值。每個(gè)U 型部件的電流值被保存在不同地址的寄存器內(nèi)，與報(bào)警電流值比較，決定報(bào)警指示燈點(diǎn)亮與否，也可被組態(tài)軟件實(shí)時(shí)讀取。在上位機(jī)界面分別顯示每個(gè)U 型部件的電流值和報(bào)警狀態(tài)，其中某一路漏電流傳感器模擬量輸入編程如圖7 所示。

圖7 模擬量輸入編程圖Fig.7 Analog input programming diagram

PLC 首先計(jì)算漏電流實(shí)際值，如圖7（a）所示。漏電流傳感器原邊額定輸入電流10 mA，副邊額定輸出電壓5 V，模擬量接入的通道地址是AIW16，AIW16 為整型數(shù)據(jù)（0～27 648）就是輸入電流（0～10 mA）對(duì)應(yīng)的數(shù)值，1 mA 對(duì)應(yīng)276.48。先將整型數(shù)據(jù)VW0 轉(zhuǎn)換成雙整型數(shù)據(jù)VD100，再將雙整型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)據(jù)VD104 最后經(jīng)實(shí)數(shù)除法(/R)指令將兩個(gè)實(shí)數(shù)相除，產(chǎn)生一個(gè)實(shí)數(shù)結(jié)果VD108即為漏電流實(shí)際值。

漏電流實(shí)際值與報(bào)警值比較決定指示燈狀態(tài)如圖7（b）所示。實(shí)數(shù)VD108 的漏電流值與預(yù)設(shè)的報(bào)警值VD52 比較，大于或等于報(bào)警值，這個(gè)工位的指示燈被點(diǎn)亮。

3.3 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

上位機(jī)觸摸屏程序采用昆侖通態(tài)組態(tài)軟件設(shè)計(jì)，該軟件可以快速、方便地開(kāi)發(fā)各種用于現(xiàn)場(chǎng)采集、數(shù)據(jù)處理和控制設(shè)備，安裝部署容易，操作簡(jiǎn)單方便、功能強(qiáng)大，具有很高的可靠性和實(shí)用性[4]。

MCGS 監(jiān)控系統(tǒng)主要包括監(jiān)控和操作控制兩部分。監(jiān)控部分包括20 個(gè)U 型部件漏電流的實(shí)時(shí)顯示和20 個(gè)U 型部件的漏電流報(bào)警狀態(tài)；操作控制部分包括啟動(dòng)、停止的啟?？刂?，報(bào)警電流的設(shè)置、U 盤(pán)導(dǎo)出數(shù)據(jù)和導(dǎo)出時(shí)間段設(shè)置。上位機(jī)軟件界面如圖8 所示。

圖8 上位機(jī)軟件界面圖Fig.8 Upper computer software interface diagram

測(cè)試界面共20 個(gè)工位，每個(gè)工位有一個(gè)電流顯示和狀態(tài)指示燈，實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工位的電流值和報(bào)警狀態(tài)。如果電流值≥預(yù)設(shè)報(bào)警值，則在上位機(jī)觸摸屏對(duì)應(yīng)工位指示燈顯示紅色，同時(shí)在檢測(cè)臺(tái)上對(duì)應(yīng)工位的指示燈點(diǎn)亮，提醒測(cè)試人員注意。

上位機(jī)自動(dòng)檢測(cè)并顯示系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)參數(shù)，當(dāng)漏電流超過(guò)報(bào)警電流，自動(dòng)定位不合格工件，實(shí)現(xiàn)可視化、智能化地對(duì)絕緣測(cè)試進(jìn)行控制。

3.4 PLC 與MCGS 通訊

PLC與MCGS通訊是為了兩者建立數(shù)據(jù)通道，在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)與測(cè)控對(duì)象之間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，達(dá)到對(duì)外部設(shè)備的工作狀態(tài)實(shí)時(shí)檢測(cè)與控制的目的。首先連接設(shè)備，在設(shè)備窗口添加通用TCP/IP 父設(shè)備和子設(shè)備西門(mén)子Smart200，其父設(shè)備的參數(shù)會(huì)自動(dòng)初始化通訊默認(rèn)參數(shù)；再通過(guò)設(shè)備編輯窗口連接變量，將設(shè)備通道(模擬量輸入裝置的輸入通道、開(kāi)關(guān)量輸入輸出裝置的輸入輸出通道等)與實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)連接,設(shè)置設(shè)備構(gòu)件的基本屬性、建立設(shè)備通道和數(shù)據(jù)庫(kù)之間的連接、設(shè)備數(shù)據(jù)通道處理內(nèi)容的設(shè)置；最后下載工程，通過(guò)TCP/IP連接啟動(dòng)運(yùn)行[5]。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)中選用TL5502A 型號(hào)耐壓測(cè)試儀輸出直流高壓，電壓輸出0～5 kV、測(cè)試時(shí)間1～99 s 均可調(diào)節(jié)，漏電流傳感器的輸入量程范圍為±10 mA，輸出量程范圍±5 V。在進(jìn)行轉(zhuǎn)換時(shí)，程序中漏電流的量程與漏電流傳感器的量程設(shè)定一樣，設(shè)定為±10 mA。上位機(jī)上的實(shí)測(cè)電流值與程序中相應(yīng)的寄存器相關(guān)聯(lián)，可把漏電流模擬信號(hào)送至上位機(jī)顯示。單個(gè)U 型部件測(cè)試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)如圖9 所示。

圖9 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)圖Fig.9 Experimental platform diagram

從系統(tǒng)測(cè)得的電流值可以得到漏電流數(shù)據(jù)表，詳見(jiàn)表1。

表1 漏電流數(shù)據(jù)表Tab.1 Leakage current data sheet

分析表中漏電流數(shù)據(jù)可知，在實(shí)際絕緣測(cè)試的漏電流值，本方案設(shè)計(jì)的高壓絕緣測(cè)試系統(tǒng)得出的漏電流值的測(cè)量誤差最大為9.6 μA，均在要求的誤差范圍10μA 以?xún)?nèi)，能夠滿(mǎn)足用戶(hù)產(chǎn)品的測(cè)試。

5 結(jié)語(yǔ)

基于PLC 和MCGS 的U 型部件絕緣性能測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人工批量上料、自動(dòng)測(cè)量、定位不良品和報(bào)警等功能，并對(duì)電流值保存和讀取，解決了高壓絕緣測(cè)試中無(wú)法自動(dòng)測(cè)量和無(wú)法自動(dòng)定位不良品等問(wèn)題。大大提升了U 型部件絕緣測(cè)試的自動(dòng)化程度、效率和安全性，同時(shí)更減輕工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率。以MCGS 為上位機(jī)監(jiān)控和PLC為控制核心的U 型部件絕緣測(cè)試系統(tǒng)可控可調(diào)精度高，完全滿(mǎn)足絕緣測(cè)試需求。MCGS 和PLC 的結(jié)合提高了工業(yè)系統(tǒng)的自動(dòng)化水平，具有很高的推廣應(yīng)用價(jià)值。