周 恩 徐建楚 張秋聲 黃志炳 徐紅梅

（浙江方圓檢測集團(tuán)股份有限公司 杭州 310018）

引言

隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動控制技術(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)是在計算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，利用無線數(shù)據(jù)通信等技術(shù)，實現(xiàn)產(chǎn)品數(shù)據(jù)和信息的互聯(lián)共享[1]。近年來，“數(shù)字質(zhì)檢”、“智慧質(zhì)檢”和“互聯(lián)網(wǎng)+檢測”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)和國內(nèi)大型實驗室已經(jīng)著手于將傳統(tǒng)的開關(guān)壽命試驗裝置進(jìn)行智能化改造，采用人機(jī)交互方式，實時遠(yuǎn)程監(jiān)控試驗數(shù)據(jù)和曲線，通過遠(yuǎn)程控制設(shè)備的啟停、參數(shù)設(shè)定、報警等功能，并分析計算各個參數(shù)，實現(xiàn)對試驗過程的全程記錄，并使完整的試驗數(shù)據(jù)具有可追溯性，提高實驗室管理水平，同時節(jié)省時間和精力，提高檢測效率。

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

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

基于物聯(lián)網(wǎng)的開關(guān)插座壽命試驗裝置智能化測試系統(tǒng)，它是未來實驗室設(shè)備監(jiān)控管理的重要發(fā)展方向。用戶可通過遠(yuǎn)程監(jiān)控，在辦公室PC端或家庭PC端實現(xiàn)查看實驗室的設(shè)備狀況，遠(yuǎn)程控制實驗室設(shè)備地運(yùn)行，并在發(fā)生危險時進(jìn)行及時的動作。本系統(tǒng)設(shè)計對開關(guān)插座壽命試驗裝置智能化測試系統(tǒng)提出了合理的方案。

開關(guān)插座壽命試驗裝置由兩部分組成，分為開關(guān)插座壽命裝置試驗臺和負(fù)載柜。整個系統(tǒng)總體框架為：首先將開關(guān)插座壽命試驗臺引入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關(guān)插座壽命試驗臺加入RS-232串口通信模塊，將負(fù)載柜加入RS-485串口通信模塊，通過串口通信對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集讀取再轉(zhuǎn)成USB接口連接到設(shè)備計算機(jī)（PC1）上，辦公計算機(jī)（PC2-X）或家庭計算機(jī)（PC3-X）通過WiFi技術(shù)、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)等對設(shè)備計算機(jī)（PC1）的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問讀取和操作。該系統(tǒng)的設(shè)計方案將體現(xiàn)出具有實時監(jiān)控產(chǎn)品狀況、讀取和設(shè)置試驗參數(shù)、數(shù)據(jù)采集管理監(jiān)控、故障報警顯示、原始數(shù)據(jù)打印等各項功能。整個系統(tǒng)的總體設(shè)計示意圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計示意圖

2 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

開關(guān)插座壽命試驗裝置包含一個三工位的壽命裝置試驗臺，且每個工位對應(yīng)一臺負(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。

將開關(guān)插座壽命裝置試驗臺加入工業(yè)相機(jī)、導(dǎo)軌和安裝架、電機(jī)、接近開關(guān)、PLC以及擴(kuò)展串口、繼電器等硬件模塊。整個系統(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)動模塊

工業(yè)相機(jī)、電機(jī)驅(qū)動模塊、安裝架、導(dǎo)軌和夾具將實現(xiàn)實時監(jiān)控產(chǎn)品運(yùn)動狀況的功能，并能檢測所放置三個樣品的一致性。

對整個開關(guān)插座壽命試驗臺平面和空間距離進(jìn)行測量，根據(jù)所測量尺寸分析計算后用SolidWorks分別設(shè)計出導(dǎo)軌、夾具和安裝架的尺寸。整套安裝架采用龍門架的推動形式并由電機(jī)驅(qū)動，一側(cè)放置導(dǎo)軌，另一側(cè)采用電機(jī)驅(qū)動同步帶以此帶動導(dǎo)軌，安裝架上的夾具用于三臺工業(yè)相機(jī)的定位和安裝。通過軟件可對整個安裝架進(jìn)行設(shè)置，設(shè)置使能模式時，當(dāng)開關(guān)插座壽命試驗臺的門框打開，安裝架上的工業(yè)相機(jī)將在電機(jī)驅(qū)動下通過導(dǎo)軌自動平移對準(zhǔn)到開關(guān)插座產(chǎn)品的位置方向。設(shè)置不使能模式時，工業(yè)相機(jī)等均不動作。

2.2 PLC和串口模塊

PLC和串口模塊將實現(xiàn)讀取和設(shè)置試驗參數(shù)、數(shù)據(jù)采集管理監(jiān)控、報警等功能，它是連接開關(guān)插座壽命試驗裝置和計算機(jī)PC的核心。

將開關(guān)插座壽命試驗臺和負(fù)載柜加入串口模塊，本項目對試驗臺和負(fù)載柜中的功率因素表均進(jìn)行了改裝。同時對試驗臺接入新的一臺PLC，用于控制電機(jī)驅(qū)動、各傳感器和繼電器等傳感信號，以及來自試驗臺和負(fù)載柜各個工位的串口通信數(shù)據(jù)，最終將所有的數(shù)據(jù)通過軟件設(shè)計顯示到計算機(jī)上。

2.3 其它模塊

其它模塊包括繼電器模塊、接近開關(guān)傳感模塊、煙霧報警模塊。繼電器主要對原有的停止、啟動、急停按鈕進(jìn)行改裝，用于通過軟件實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。接近開關(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。煙霧報警器將實現(xiàn)產(chǎn)品發(fā)生陰燃或火災(zāi)時報警并給PLC信號，觸發(fā)急停按鈕。使整個系統(tǒng)擁有更好的安全性和用戶體驗。

3 PC端軟件設(shè)計

3.1 軟件方案

用戶之間采用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，為了實現(xiàn)對壽命裝置試驗臺和負(fù)載柜的數(shù)據(jù)監(jiān)控，無線網(wǎng)絡(luò)需通過路由器與上位機(jī)設(shè)備PC1通信，設(shè)備PC1需與試驗臺和負(fù)載柜進(jìn)行串口通訊。

系統(tǒng)用Visual Studio2019作為集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用Qt、C#和C++編程語言，數(shù)據(jù)庫采用SQLite。設(shè)計出用戶登錄后使用便捷，可隨時對來自開關(guān)插座壽命試驗裝置的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢、監(jiān)控、設(shè)置、停止啟動等操作。開關(guān)插座壽命試驗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

整個軟件架構(gòu)主要分成工業(yè)相機(jī)管理、試驗臺和負(fù)載柜管理、報警、數(shù)據(jù)庫管理、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，通過攝像頭還可監(jiān)控產(chǎn)品的試驗狀況。試驗臺和負(fù)載柜的數(shù)據(jù)信息通過串口和PLC連接到PC端，試驗人員可實時在辦公PC端查看產(chǎn)品的檢測數(shù)據(jù)。在壽命試驗檢測過程中，需要采集和監(jiān)控的主要電性能試驗參數(shù)包括[3]：電壓、電流、功率因數(shù)、通斷時間、當(dāng)前試驗次數(shù)、設(shè)定試驗次數(shù)、報警信號等。整個測試系統(tǒng)的主要功能是對壽命試驗臺進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，并讀取所測量的數(shù)據(jù)，同時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。如遇報警信號，經(jīng)分析后可通過PC端對其進(jìn)行停止或急停，當(dāng)故障排除后，仍可通過PC端進(jìn)行啟動。

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)界面由用戶登錄和測試系統(tǒng)主界面兩部分組成，用戶在登錄界面輸入用戶名和密碼后即可進(jìn)入測試系統(tǒng)主界面。開關(guān)插座壽命試驗裝置智能化測試系統(tǒng)軟件主界面如圖4所示。

圖4 測試系統(tǒng)主界面

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

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

點擊YH-8816GSF按鍵后，進(jìn)入試驗臺參數(shù)的監(jiān)控和設(shè)置，界面上展示三個工位的實時狀態(tài)，如圖5中No1，No2，No3分別對應(yīng)三個工位的數(shù)據(jù)。Alarm表示報警指示，F(xiàn)uss表示保險絲報警指示，Currency表示電流報警指示，Distance表示當(dāng)前位置，Time Count表示當(dāng)前通電時間，Count表示試驗次數(shù)，AlarmCount表示連續(xù)報警次數(shù)。點擊Settings按鍵，即可對試驗次數(shù)、通斷時間等部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

圖5 壽命試驗臺監(jiān)控界面

該系統(tǒng)可應(yīng)用于開關(guān)插座產(chǎn)品的壽命試驗中，通過對現(xiàn)有的設(shè)備進(jìn)行改造，將儀器設(shè)備和計算機(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。試驗人員可在辦公場所通過局域網(wǎng)訪問設(shè)備計算機(jī)，也可在家通過遠(yuǎn)程控制訪問設(shè)備計算機(jī)，查看產(chǎn)品的運(yùn)動狀態(tài)，還可實時監(jiān)控壽命試驗的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對部分參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，同時，所有測試數(shù)據(jù)可保存至數(shù)據(jù)庫。大大提高了試驗人員的工作效率，又保存了數(shù)據(jù)的完整可追溯性。

4 系統(tǒng)測試結(jié)果分析

本系統(tǒng)對電壓、電流、功率因數(shù)、試驗次數(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)測試，電壓的誤差在±0.5 V以內(nèi)，電流的誤差在±0.05 A以內(nèi)，功率因數(shù)的誤差在±0.002以內(nèi)。通過系統(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，且延時率不超過0.5 s。經(jīng)第三方軟件測試表明，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語

本文著眼于應(yīng)用“互聯(lián)網(wǎng)+檢測”的新模式，將傳統(tǒng)的實驗室設(shè)備實現(xiàn)智能化改進(jìn)后，運(yùn)用智能設(shè)備進(jìn)行實時監(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)便于查詢追溯，故障報警等功能，可大大提高檢測人員的設(shè)備利用率和辦公時效性，其推進(jìn)結(jié)果也將對行業(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)一步加大了對檢測實驗室設(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)，將對推動實驗室設(shè)備檢測管理的規(guī)范化、高效化、數(shù)字化、智能化、信息化起到重要的作用[4]，對應(yīng)用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)推動質(zhì)檢事業(yè)發(fā)展更是有著重要意義。