智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄭月節(jié)¹ 陳江² 李海全¹ 蔡磊¹

摘  要: 為了提高智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器產(chǎn)品精度及可靠性，基于數(shù)字電子技術(shù)、模擬電子線路、單片微型計(jì)算機(jī)及上位機(jī)語(yǔ)言，開發(fā)了一套自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，并進(jìn)行多次測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對(duì)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器自動(dòng)施加信號(hào)，以檢驗(yàn)其精度、保護(hù)功能及附加性能，自動(dòng)判別測(cè)試結(jié)果是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且檢測(cè)結(jié)束后能實(shí)現(xiàn)測(cè)試數(shù)據(jù)的自動(dòng)保存與打印。與常規(guī)的人工測(cè)試系統(tǒng)相比，具有檢測(cè)效率高、測(cè)試過程規(guī)范、自動(dòng)化程度高、準(zhǔn)確度高、通用性強(qiáng)、測(cè)試數(shù)據(jù)管理便捷等特點(diǎn)。該自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)已在公司流水線上正常運(yùn)行，被證明是切實(shí)可行的。

關(guān)鍵詞: 智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器；自動(dòng)檢測(cè)；單片機(jī)；上位機(jī)軟件；

0引言

智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器具有遠(yuǎn)程通信接口，模擬量輸入輸出、開關(guān)量輸入輸出，與傳感器、PLC、PC等組成控制系統(tǒng)，能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的遠(yuǎn)程監(jiān)控^[1]，適用于煤礦、石化、冶煉、電力、船舶、污水處理等領(lǐng)域的自動(dòng)化管控、民用建筑的智能管理。由于用戶需要功能多樣、保護(hù)功能復(fù)雜，所以其可靠性涉及到多方面指標(biāo)，為了確保產(chǎn)品的質(zhì)量，智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的各項(xiàng)指標(biāo)在出廠之前均需要經(jīng)過嚴(yán)格的檢測(cè)。目前，對(duì)其檢測(cè)采用手動(dòng)方式，故存在檢測(cè)工序繁瑣、工作效率不高、可靠性低、檢測(cè)流程不規(guī)范、檢測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)麻煩且無法自動(dòng)打印等問題，增加了該產(chǎn)品的生產(chǎn)成本，制約了企業(yè)的生產(chǎn)效率和效益的提高，不能滿足現(xiàn)代大規(guī)模的生產(chǎn)和檢測(cè)的需要。此外，客戶對(duì)產(chǎn)品功能的定制還存在多樣化特點(diǎn)，故實(shí)現(xiàn)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器的自動(dòng)檢測(cè)有著重要的意義。

電子元器件、現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)的發(fā)展，使得自動(dòng)檢測(cè)智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器成為可能?？梢酝ㄟ^上位機(jī)控制整個(gè)檢測(cè)過程，采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的產(chǎn)生并控制信號(hào)的通斷，應(yīng)用串口服務(wù)器技術(shù)控制多表位通信，借助遠(yuǎn)程服務(wù)器技術(shù)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)等組成一個(gè)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，以降低生產(chǎn)成本、提高了檢測(cè)效率、人工記錄時(shí)易產(chǎn)生錯(cuò)誤等弊端^[2,3,4]。

1系統(tǒng)基本要求

該系統(tǒng)需能自動(dòng)完成對(duì)保護(hù)器各設(shè)定參數(shù)、數(shù)顯精度、保護(hù)功能、附加功能等進(jìn)行全面的檢測(cè)，并且能自動(dòng)判別檢測(cè)結(jié)果是否符合產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求，同時(shí)還應(yīng)具有測(cè)試結(jié)果的存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)、查詢以及檢測(cè)報(bào)告輸出等功能^[5,6]。該系統(tǒng)主要需求和技術(shù)指標(biāo)如下：

(1) 使用產(chǎn)品范圍。適合各種不同規(guī)格的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器。

(2) 工作模式。全自動(dòng)與單個(gè)檢測(cè)項(xiàng)自動(dòng)并存。

(3) 工作環(huán)境。魯棒性強(qiáng)，能夠應(yīng)對(duì)流水線突然斷電、人員誤操作等突發(fā)情況。

(4) 檢測(cè)效率?？赏瑫r(shí)檢測(cè)多臺(tái)相同規(guī)格的電動(dòng)機(jī)保護(hù)器，并要求檢測(cè)時(shí)間短。

(5) 功率源的技術(shù)指標(biāo)。輸出電壓范圍為：AC 3×30V~ 3×450V；輸電流范圍為：AC 0.1A~800A；移相范圍為：0~360°；電壓電流輸出頻率范圍為：45Hz~65Hz；電壓、電流正弦波輸出時(shí)波形的失真度<0.5%；正弦波輸出時(shí)功率源的電壓、電流、功率穩(wěn)定度<0.1%；可以驅(qū)動(dòng)阻性、感性、容性(<4uF)負(fù)載；具有內(nèi)置的輸出電壓短路和輸出電流開路自動(dòng)檢測(cè)保護(hù)功能。

(6) 分機(jī)控制單元。能夠與被檢測(cè)保護(hù)器及上位機(jī)通信，能采集到保護(hù)器的開關(guān)量輸入、模擬量輸入，并具有開關(guān)輸出控制和計(jì)時(shí)功能。

2系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)原理

系統(tǒng)基本原理框圖如圖1所示。該系統(tǒng)主要模塊包括：PC機(jī)，RS-485擴(kuò)展通信模塊，波形發(fā)生模塊，電流、電壓功放及切換裝置，分機(jī)控制模塊，打印機(jī)等。

圖1 系統(tǒng)基本原理框圖

（1）PC機(jī)。PC機(jī)作用于上位機(jī)操作，主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能，負(fù)責(zé)完成檢測(cè)參數(shù)的設(shè)定、檢測(cè)的啟?？刂?、檢測(cè)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控、檢測(cè)結(jié)果的保存與打印等工作，是完成整個(gè)檢測(cè)過程*的設(shè)備。

（2）RS-485擴(kuò)展通信模塊。該模塊主要完成PC機(jī)、波形發(fā)生模塊、分機(jī)控制模塊以及被檢測(cè)保護(hù)器之間的通信。

（3）波形發(fā)生模塊。波形發(fā)生模塊（精密數(shù)字式信號(hào)源）產(chǎn)生檢測(cè)中所需要的各類信號(hào)，通過電流、電壓切換裝置控制打開電流、電壓輸出，并zui終流入智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器中進(jìn)行精度、保護(hù)、開關(guān)量等功能的檢測(cè)。

（4）電流、電壓功率放大器。系統(tǒng)功率放大器采用了PWM功率放大技術(shù)，并設(shè)計(jì)了電壓短路過載，電流開路過載及快速限流保護(hù)措施，確保功率放大器長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠的工作。

（5）電流、電壓切換裝置。單臺(tái)電流切換裝置示意圖如圖2所示，該裝置主要有短路繼電器和輸出繼電器組成，能夠的避免電流開路。通過短路繼電器和輸出繼電器之間的切換，可控制保護(hù)器輸入電流的有無；通過選擇短路繼電器某一路或某幾路閉合，可以得到單相電流或多相電流。單臺(tái)電壓切換裝置示意圖如圖3所示，通過控制繼電器的斷開閉合，來決定是否輸入電壓信號(hào)。

圖2 電流切換裝置示意圖

圖3 電壓切換裝置示意圖

（6）分機(jī)控制模塊。具有9路開關(guān)量輸出，5路開關(guān)量輸入，可以控制、檢測(cè)保護(hù)器的開關(guān)量輸入、輸出狀態(tài)；具有直流模擬量測(cè)量信號(hào)，范圍為4-20mA，可以對(duì)保護(hù)器模擬量輸出進(jìn)行檢測(cè)；采用硬件時(shí)鐘計(jì)時(shí)，精度為ms級(jí)，能統(tǒng)計(jì)故障的脫扣時(shí)間；擁有RS485通信接口，可與保護(hù)器、PC機(jī)間進(jìn)行通信。

（7）打印機(jī)。用于打印檢測(cè)結(jié)果，形成產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)報(bào)告。

3檢測(cè)流程及軟件

智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)軟件主要包括下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩個(gè)部分。下位機(jī)主要接收上位機(jī)的指令，完成對(duì)系統(tǒng)各部分硬件的實(shí)時(shí)控制，并實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)中參數(shù)和變量。上位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互、檢測(cè)參數(shù)的設(shè)置、檢測(cè)流程控制等功能。

3.1下位機(jī)軟件

該系統(tǒng)控制模塊的CPU為Cortex-M3內(nèi)核的STM32單片機(jī)，用于各硬件模塊的實(shí)時(shí)控制。下位機(jī)軟件即單片機(jī)程序，其主程序流程如圖4所示。系統(tǒng)上電后，首行系統(tǒng)初始化，包括單片機(jī)的配置、I/O口初始化等，然后通過鍵盤或上位機(jī)輸入不同控制命令，來完成對(duì)外部各種模塊的控制。

圖4  單片機(jī)程序主流程圖

3.2上位機(jī)軟件

上位機(jī)程序流程圖如圖5所示。運(yùn)行軟件后，先輸入對(duì)應(yīng)分機(jī)單元接入的保護(hù)器序列號(hào)，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)設(shè)定好檢測(cè)參數(shù)；然后，啟動(dòng)檢測(cè)過程直到檢測(cè)結(jié)束。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

（1）已設(shè)定參數(shù)的檢測(cè)。將被檢測(cè)的保護(hù)器寄存器值讀取并保存，然后將其與正確的配置參數(shù)做比較，合格后進(jìn)入下一項(xiàng)測(cè)試，否則退回調(diào)試部門，待調(diào)試正確后方可進(jìn)行其他項(xiàng)測(cè)試。

（2）數(shù)顯精度檢測(cè)。將信號(hào)源升到對(duì)應(yīng)檢測(cè)所需的信號(hào)，等待信號(hào)源工作穩(wěn)定后，讀出對(duì)應(yīng)保護(hù)器的顯示值，計(jì)算誤差進(jìn)行判斷，結(jié)束此項(xiàng)精度檢測(cè)。其中，在檢測(cè)過程中啟動(dòng)報(bào)文確認(rèn)機(jī)制。精度檢測(cè)的流程圖如圖6所示。

圖6 精度檢測(cè)流程圖

（3）保護(hù)功能檢測(cè)。包括過載、斷相、接地、剩余電流、堵轉(zhuǎn)、阻塞、不平衡等功能檢測(cè)，主要檢測(cè)流程如圖7所示。檢測(cè)開始后，為了防止之前項(xiàng)檢測(cè)的干擾，首先切斷電流的輸入信號(hào)，然后根據(jù)檢測(cè)需要，升起相應(yīng)的故障信號(hào)，打開對(duì)應(yīng)檢測(cè)項(xiàng)的脫扣使能位，并屏蔽其他脫扣位。其中，為了防止保護(hù)器工作狀態(tài)處于脫扣，影響到檢測(cè)結(jié)果，需對(duì)保護(hù)器進(jìn)行一次遠(yuǎn)程復(fù)位操作，隨后操作繼電器，給保護(hù)器輸入信號(hào)，同時(shí)對(duì)分機(jī)單元發(fā)送計(jì)時(shí)命令（該命令為廣播包命令），此后不斷的讀取保護(hù)器運(yùn)行狀態(tài)。若讀到保護(hù)器為脫扣狀態(tài)，則分機(jī)發(fā)送讀取計(jì)時(shí)命令，獲取脫扣時(shí)間進(jìn)行判斷是否合格；否則，在超過規(guī)定的zui大設(shè)定不脫扣閾值后仍然不脫扣，就判斷該保護(hù)器該項(xiàng)功能不合格。

圖7 保護(hù)功能檢測(cè)流程圖

（4）附加功能檢測(cè)。根據(jù)客戶的訂貨單，進(jìn)行附加功能檢測(cè)，主要包括：欠載、起動(dòng)超時(shí)、短路、欠電壓、過電壓、欠功率、過功率、相序等保護(hù)以及故障記錄和開關(guān)量。基本檢測(cè)流程與保護(hù)功能檢測(cè)相似，其中對(duì)于開關(guān)量的檢測(cè)需要單個(gè)開關(guān)量依次檢測(cè)，防止開關(guān)量之間的短接。

（5）恢復(fù)出廠設(shè)置。針對(duì)檢測(cè)過程中對(duì)保護(hù)器參數(shù)的修改，在檢測(cè)結(jié)束前要恢復(fù)出廠設(shè)置，保證保護(hù)器出廠時(shí)滿足各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)要求。

（6）保存結(jié)果。系統(tǒng)將測(cè)試數(shù)據(jù)與結(jié)果存入了遠(yuǎn)程服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中，利用存儲(chǔ)過程來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)的操作。數(shù)據(jù)保存結(jié)束后，檢驗(yàn)人員可以利用上位機(jī)中的報(bào)表管理模塊對(duì)出廠檢驗(yàn)報(bào)表進(jìn)行輸出。系統(tǒng)的報(bào)表功能是通過企業(yè)級(jí)報(bào)表開發(fā)工具來實(shí)現(xiàn)的。

4測(cè)試結(jié)果及分析

    該自動(dòng)化檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過不同規(guī)格型號(hào)的智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器多次測(cè)試，結(jié)果表明：系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確、規(guī)范、的完成檢測(cè)過程。其中多臺(tái)全功能保護(hù)器一次檢測(cè)完成時(shí)間為5min左右，較常規(guī)的手動(dòng)檢測(cè)，大的提高了生產(chǎn)效率。某種全功能保護(hù)器的一次準(zhǔn)確度檢測(cè)結(jié)果與功能檢測(cè)結(jié)果分別如表1和表2所示。

表1 準(zhǔn)確度檢測(cè)結(jié)果

表2 功能檢測(cè)結(jié)果

5結(jié) 語(yǔ)

智能電動(dòng)機(jī)保護(hù)器自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好、操作簡(jiǎn)單、自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)。檢測(cè)結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。在整個(gè)檢測(cè)過程中，基本無需人為干預(yù)，檢測(cè)自動(dòng)化程度高，zui大限度地保證檢測(cè)過程的規(guī)范性與測(cè)試結(jié)果的客觀性。經(jīng)測(cè)試，在自動(dòng)檢測(cè)模式下，多臺(tái)全功能保護(hù)器完成整個(gè)檢測(cè)流程需要時(shí)間大大地得到了縮短。此外，該系統(tǒng)稍加修改即可用于其他儀表的自動(dòng)檢測(cè)，具有適用范圍廣等特性。

文章來源于：《低壓電器》2013年第22期。

參考文獻(xiàn)

［1］安科瑞電氣有限公司.ARD2系列使用說明書[G], 2013:25-57.

［2］ 肖東岳,李英堂, 周強(qiáng)等. 基于MATLAB的步進(jìn)電機(jī)自動(dòng)化測(cè)試系[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化, 2012,34(17):30-31.

［3］李繼平, 凌志浩. 本安儀表自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的研發(fā)及其實(shí)現(xiàn)[J].自動(dòng)化儀表, 2009,30(2): 42-46.

［4］趙波,周中,黃少杰. 淺談ARD3電動(dòng)機(jī)保護(hù)器設(shè)計(jì)原理[J].繼電器,2008,36(9):80-83.

［5］ Liu Y, Liu Y B, Chen K Z. Design and application of automatic test system software framework [J]. Computer Measurement & Control, 2007,15(11):1627-1630.

［6］閆道廣,候長(zhǎng)滿. 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中的報(bào)表設(shè)計(jì)方法研究[J].計(jì)量管理,2005(9):47-50.

• 1. 江蘇安科瑞電器制造有限公司，江蘇 江陰 214405）
  2. 中國(guó)海誠(chéng)工程科技股份有限公司，上海 徐匯 200031）