電壽命試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備開(kāi)發(fā)

摘要：電壽命試驗(yàn)是低壓電器產(chǎn)品性能檢測(cè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，旨在評(píng)估產(chǎn)品在標(biāo)稱額定工況下的穩(wěn)定性和可靠性。由于試驗(yàn)需要在全壓條件下進(jìn)行，且試驗(yàn)次數(shù)多、周期長(zhǎng)，為確保試驗(yàn)安全，檢驗(yàn)人員需全天值班，耗費(fèi)大量時(shí)間和人力。為解決這一問(wèn)題，文中基于PLC技術(shù)，開(kāi)發(fā)了一種便攜式程控器。該程控器可靈活根據(jù)試驗(yàn)要求設(shè)置控制時(shí)序，滿足各類低壓電器產(chǎn)品的電壽命、操作、接通分?jǐn)嗟仍囼?yàn)需求。通過(guò)無(wú)線模塊，試驗(yàn)狀態(tài)數(shù)據(jù)可上傳至云端，用戶可通過(guò)手機(jī)遠(yuǎn)程查看。此外，手機(jī)程序還設(shè)計(jì)了故障警報(bào)及遠(yuǎn)程終止試驗(yàn)的功能，使檢驗(yàn)人員無(wú)需時(shí)刻在現(xiàn)場(chǎng)值班，既保證了安全，又節(jié)約了人力成本。

關(guān)鍵詞：電壽命試驗(yàn)；PLC；遠(yuǎn)程監(jiān)控；微信小程序

Development of Remote Monitoring Equipment for Electrical Endurance Testing

YANG Jie

（ Fujian Inspection and Research Institute for Product Quality， Fuzhou 350002， Fujian， China ）

Abstract： Electrical endurance testing is a key component of the performance test for low-voltage electrical products， aiming to assess the stability and reliability of products under nominal rated working conditions. Due to the test need for full-voltage conditions， numerous test cycles， and long durations， inspectors must be on duty all day to ensure test safety， consuming a significant amount of time and manpower. To solve this problem， a portable program controller is developed based on PLC technology. The program controller can easily set the control time sequence according to the test requirements， and meet the test requirements of various low-voltage electrical products such as electrical durability， operation， making and breaking. Through the wireless module， the test status data can be uploaded to the cloud， and users can view it remotely through their mobile phones. In addition， the mobile phone program also designed the function of fault alarm and remote termination of the test， so that the inspection personnel do not need to be on duty at all times， which not only ensures safety， but also saves labor costs.

Key Words： Electrical endurance testing; PLC; Remote monitoring; Wechat Mini Program

0 引言

電壽命試驗(yàn)是低壓電器產(chǎn)品基礎(chǔ)試驗(yàn)，其需要在產(chǎn)品標(biāo)稱的額定工況下進(jìn)行。隨著電器種類越來(lái)越多，各類產(chǎn)品對(duì)試驗(yàn)的時(shí)序要求變得多樣化。由于傳統(tǒng)的程控器在設(shè)置操作上顯得繁瑣且不夠直觀，故已無(wú)法滿足現(xiàn)在的需求。此外，由于電壽命試驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng)、試驗(yàn)次數(shù)多，為確保試驗(yàn)安全，檢驗(yàn)人員需全程現(xiàn)場(chǎng)值班。文中基于以上需求，結(jié)合觸摸屏、PLC、無(wú)線通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)以及手機(jī)程序，開(kāi)發(fā)了操作簡(jiǎn)便直觀、功能豐富且能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控的程控器設(shè)備。

1 硬件設(shè)計(jì)

本設(shè)備的硬件結(jié)構(gòu)主要由以下組件構(gòu)成：可編程邏輯控制器（PLC）、繼電器模組、觸摸屏、RS485轉(zhuǎn)TTL模塊、三相電壓隔離轉(zhuǎn)換模塊、無(wú)線通信模塊、物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)以及手機(jī)終端。其中，PLC作為核心部件，負(fù)責(zé)重要任務(wù)，包括輸入信號(hào)監(jiān)測(cè)、邏輯運(yùn)算和輸出控制。用戶可以通過(guò)觸摸屏輕松設(shè)置運(yùn)行參數(shù)并實(shí)時(shí)查看設(shè)備狀態(tài)。此外，光耦隔離轉(zhuǎn)換模塊在系統(tǒng)中扮演關(guān)鍵角色，其將開(kāi)關(guān)主觸頭兩端的電壓進(jìn)行隔離，并將其轉(zhuǎn)換為開(kāi)關(guān)量信號(hào)，以準(zhǔn)確判斷開(kāi)關(guān)觸頭的合分狀態(tài)。為了提升系統(tǒng)的便捷性和實(shí)時(shí)性，本系統(tǒng)還特別引入無(wú)線通信模塊與物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)。通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接，PLC與手機(jī)終端之間實(shí)現(xiàn)了高效的無(wú)線通信，使用戶能夠更加靈活和實(shí)時(shí)地監(jiān)控和管理設(shè)備。

圖1中，開(kāi)關(guān)S1為試品，開(kāi)關(guān)S2為保護(hù)電器。通過(guò)觸摸屏，可以設(shè)置開(kāi)關(guān)S1的控制時(shí)序，確保其按照標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行電路的合分操作。一旦試品S1出現(xiàn)熔焊，PLC將迅速控制開(kāi)關(guān)S2斷開(kāi)電路，以保護(hù)試驗(yàn)系統(tǒng)安全。此外，通過(guò)無(wú)線通信模塊，PLC與云端實(shí)現(xiàn)信息交互，手機(jī)通過(guò)微信小程序訪問(wèn)云端數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。

1.1 PLC開(kāi)發(fā)

本設(shè)備的PLC使用歐姆龍的CP1H-XA40DR。如圖2所示，此次設(shè)計(jì)通過(guò)將各時(shí)序程序分配到不同的任務(wù)模塊中，實(shí)現(xiàn)程序結(jié)構(gòu)化，能夠更加簡(jiǎn)便、直觀地調(diào)試與修正程序，程序編寫邏輯簡(jiǎn)潔明了。在觸摸屏中選擇不同時(shí)序類型時(shí)，PLC啟動(dòng)對(duì)應(yīng)的程序模塊，提高了代碼的可讀性與執(zhí)行效率。

PLC中集成了常用的時(shí)序控制程序，包括C-O-CO控制時(shí)序以及無(wú)雙分位置與有雙分位置的雙電源控制時(shí)序。此外，為了更好地滿足各種定制化試驗(yàn)需求，程序設(shè)計(jì)了3組自由控制時(shí)序，界面如圖3所示。同時(shí)，為了防止電壽命試驗(yàn)過(guò)程中，因試品觸頭熔焊粘連，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間通電而引起試驗(yàn)系統(tǒng)毀壞，文中設(shè)計(jì)的程控器具備了熔焊監(jiān)測(cè)與保護(hù)功能。這一功能能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)試品的觸頭狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)熔焊粘連現(xiàn)象，將立即采取保護(hù)措施，確保試驗(yàn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。其主要通過(guò)監(jiān)測(cè)試品各相進(jìn)出線端子間的電壓判斷試品是否發(fā)生熔焊，若進(jìn)出線電壓為零則代表試品處于閉合狀態(tài)，電壓非零則代表試品處于分?jǐn)酄顟B(tài)。測(cè)量合分時(shí)間與PLC時(shí)序設(shè)定值進(jìn)行比較，若超過(guò)設(shè)定時(shí)長(zhǎng)則判斷觸頭發(fā)生熔焊。程控器內(nèi)裝配有繼電器，試驗(yàn)時(shí)需外接至主回路萬(wàn)能斷路器的控制電路，一旦監(jiān)測(cè)到熔焊發(fā)生，PLC則驅(qū)動(dòng)該繼電器自動(dòng)切斷主回路，觸摸屏顯示發(fā)生熔焊，通過(guò)無(wú)線模塊將警報(bào)信號(hào)發(fā)送至檢驗(yàn)人員的手機(jī)上，以確保問(wèn)題能夠及時(shí)得到解決。

1.2 觸摸屏開(kāi)發(fā)

觸摸屏使用威綸MT8071IE，通過(guò)配套的EB8000軟件編寫顯示界面，通過(guò)RS232串口進(jìn)行觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)傳輸。如圖3所示，設(shè)計(jì)了高效率、易操作的人機(jī)交互界面，主要涉及的固有時(shí)序包括常用的C-O-CO三類控制時(shí)序、無(wú)雙分位置的雙電源控制時(shí)序以及有雙分位置的雙電源控制時(shí)序。此外，還提供了自定義時(shí)序。[2]

圖3 " "人機(jī)交互界面

1.3 無(wú)線通信模塊開(kāi)發(fā)

如圖1所示，無(wú)線通信模塊通過(guò)串口與PLC相連，通過(guò)“貝殼互聯(lián)”云服務(wù)器完成設(shè)備與手機(jī)微信小程的數(shù)據(jù)交互。此次設(shè)計(jì)無(wú)線通信模塊采用了鑫ESP-01S，基于Micropython編寫通信程序。

如圖4所示，無(wú)線通信模塊分別配置串口與WIFI網(wǎng)絡(luò)，分別連接至PLC與“貝殼互聯(lián)”云平臺(tái)。PLC發(fā)送出試驗(yàn)數(shù)據(jù)，包括當(dāng)前設(shè)備編號(hào)、試品熔焊狀態(tài)、當(dāng)前操作次數(shù)、循環(huán)操作總次數(shù)，信號(hào)經(jīng)RS485轉(zhuǎn)TTL模塊完成電平轉(zhuǎn)換后，送至無(wú)線模塊。在接收到無(wú)線模塊的數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)將通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將這些數(shù)據(jù)傳輸至物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，得以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控。同時(shí)，無(wú)線通信模塊通過(guò)監(jiān)測(cè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，一旦接收到云平臺(tái)發(fā)送的操作指令，就將指令數(shù)據(jù)通過(guò)串口轉(zhuǎn)發(fā)至PLC，PLC執(zhí)行相關(guān)指令。

圖4 " " ESP—01S開(kāi)發(fā)流程圖

組裝完成的設(shè)備如圖5所示，使用金屬箱進(jìn)行封裝，通過(guò)環(huán)氧樹(shù)脂板將元器件封裝在箱內(nèi)，將PLC與接線端子固定在板上，方便接線使用。

圖5 " 設(shè)備實(shí)物圖

圖6 " 試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置圖

2 軟件開(kāi)發(fā)

本設(shè)備使用微信小程序開(kāi)發(fā)手機(jī)軟件，用于遠(yuǎn)程查看設(shè)備編號(hào)、試品熔焊狀態(tài)、當(dāng)前操作次數(shù)、循環(huán)操作總次數(shù)等信息，以及遠(yuǎn)程終止試驗(yàn)操作。微信小程序與程控器之間的數(shù)據(jù)交互，是通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)的。[3]

圖7 " 微信小程序操作界面

2.1 微信小程序

圖7為微信小程序的操作界面，展示了試驗(yàn)進(jìn)行的關(guān)鍵信息，包括試驗(yàn)位置、設(shè)備編號(hào)、已完成的試驗(yàn)次數(shù)與總次數(shù)以及試驗(yàn)狀態(tài)等。點(diǎn)擊“切換”按鈕以選擇不同的程控器，查看不同試驗(yàn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)。點(diǎn)擊“刷新”按鈕可刷新試驗(yàn)次數(shù)。點(diǎn)擊“中斷”按鈕可觸發(fā)繼電器，實(shí)現(xiàn)主回路斷路器的快速切斷。[3]

2.2 物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)

為了確保微信小程序與程控器之間的數(shù)據(jù)交互安全可靠，通常需要在本地搭建服務(wù)器，需要注冊(cè)公網(wǎng)IP、關(guān)聯(lián)域名以及進(jìn)行超文本安全加密等步驟，不僅成本高，操作難度也較大。因此，為了簡(jiǎn)化這一過(guò)程并降低成本，本設(shè)備采用物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)“貝殼物聯(lián)”提供的免費(fèi)數(shù)據(jù)收發(fā)服務(wù)。通過(guò)該平臺(tái)，微信小程序、程控器與平臺(tái)建立WebSocket連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。在實(shí)際測(cè)試中，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定時(shí)，指令發(fā)出的延遲時(shí)間在1s以內(nèi)，完全滿足實(shí)際使用需求。采用這種方式，既確保了數(shù)據(jù)交互的安全性，又降低了操作的復(fù)雜性和成本。

3 試驗(yàn)測(cè)試

通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)試該設(shè)備輸出端子的控制精度，其中“CO時(shí)序”與“自由時(shí)序”的控制精度分別如表1與表2所示。由于繼電器合、分閘時(shí)時(shí)間有一定分散性，通電時(shí)間或斷電時(shí)間存在微小誤差。

表1 " "“CO時(shí)序”控制精度測(cè)試

表2 " "“自由時(shí)序”控制精度測(cè)試

各類低壓電器產(chǎn)品在進(jìn)行電壽命、操作、接通分?jǐn)嗟仍囼?yàn)時(shí)，對(duì)試品的操作頻率、通電時(shí)間及操作時(shí)序等都有明確的要求。以接觸為例，依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14048.4—2020中9.3.3.6條款，驗(yàn)證接觸器約定操作性能，試驗(yàn)電路。對(duì)于類別為AC—3，額定電流95A的交流接觸器，進(jìn)行接觸器約定操作性能試驗(yàn)時(shí)，要求斷電時(shí)間不大于10s，操作次數(shù)為5000次。[1]

將接觸器線圈接入該設(shè)備，接觸器主出頭接入試驗(yàn)端口，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布置如圖6所示。設(shè)置“CO時(shí)序”操作頻率與通電時(shí)間，控制接觸器完成約定操作性能試驗(yàn)操作，拍攝其主觸頭間電壓與電流波形，如圖8所示。

圖8 " " 三相交流接觸器約定操作性能試驗(yàn)示波圖

試驗(yàn)正常進(jìn)行時(shí)，可通過(guò)微信小程序遠(yuǎn)程查看試驗(yàn)狀態(tài)，界面如圖7所示，若試品發(fā)生熔焊，則會(huì)通過(guò)手機(jī)微信發(fā)送信息提醒試驗(yàn)人員手機(jī)（如圖9所示），此時(shí)打開(kāi)微信小程序，下方試驗(yàn)狀態(tài)如圖10所示，紅色顯示“發(fā)生熔焊”。由于此次驗(yàn)證測(cè)試樣品合格，無(wú)法實(shí)際觸發(fā)故障提醒，故通過(guò)模擬的方式展示。

圖9 " " 故障提示消息

圖10 "故障頁(yè)面信息

4 結(jié)語(yǔ)

電壽命試驗(yàn)具有重復(fù)性要求高、耗時(shí)長(zhǎng)的特點(diǎn)，需要通過(guò)程控器來(lái)實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)參數(shù)的控制和記錄。而傳統(tǒng)的程控器操作繁瑣，復(fù)雜的指令無(wú)法直觀地進(jìn)行設(shè)置。文中設(shè)備結(jié)合觸摸屏、PLC、繼電器、無(wú)線通信模塊等，開(kāi)發(fā)了一種電壽命試驗(yàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備。本設(shè)備將標(biāo)準(zhǔn)中常用試驗(yàn)的時(shí)序控制程序固化在程序內(nèi)，通過(guò)簡(jiǎn)單設(shè)置即可完成時(shí)序設(shè)置，并另外設(shè)計(jì)了自由時(shí)序輸出工位，用于滿足定制化試驗(yàn)需求。不僅實(shí)現(xiàn)了直觀的程控設(shè)置操作，同時(shí)加入了熔焊監(jiān)測(cè)保護(hù)功能，且能夠通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。本項(xiàng)目的硬件可應(yīng)用于各類開(kāi)關(guān)電器試驗(yàn)中，增強(qiáng)安全性的同時(shí)，提升了工作效率。

參考文獻(xiàn)

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