旋转操作机构检测系统研究

岳 敏，龙 林，辛皓天

YUE Min1 ,LONG Lin1 ,XIN Hao-tian2

（1.上海工程技术大学 机械与汽车工程学院，上海 201620；2.上海电器科学研究所(集团)有限公司，上海 200063）

0 引言

低压电器通过外部信号和控制要求，手动或自动地接通和断开电路，以实现对电路的控制、检测、报警和保护等作用的元件或设备，其产品的性能和质量直接影响着电力系统与工业自动化系统的可靠运行[1]。然而，目前国内低压电器的检测系统普遍比较落后，国内低压电器寿命检测装置主要以气动装置为主的半自动检测设备，因此试验检测速度、检测力矩和旋转角度皆不可调，容易损坏试品且试验类型单一，而不能满足试品的检测需求且效率较低。但随着新产品的不断增加和对检测要求的日益严格，传统的半自动化检测方法显然不能满足检测要求[2]。因此，设计并开发一种可用于低压电器检测的先进自动化检测系统，不仅可以扩大试验检测的品种和规格，还能避免因人为操作而产生的随机性，从而有效地提高产品检测的准确性、稳定性和可靠性等。

本文将可编程逻辑控制器（PLC）、触摸屏、电滑台和伺服电机应用于旋转开关操作机构，设计了一种旋转操作机构检测系统，该系统可以实现各种尺寸的旋转开关等的寿命试验、通断能力试验等性能的检测。在试验之前，根据试验要求通过触摸屏参数设置界面来设置各个试验参数，如试验次数、试验方式、试验速度、最大限制扭矩、通断时间和自动定位信息等。同时，触摸屏采用3D图形化仿真实时再现了旋转操作机构执行器的运行状态，还可以监视各个执行器的详细数据。该设备操作简单，易于维护，且还具有防爆功能，防止因试品故障、爆炸而损坏自身部件及人身安全。

1 系统的组成及控制方式

旋转操作机构检测系统由PLC、触摸屏、电滑台定位装置、终端检测装置和安装背板等组成。旋转操作机构检测系统的组成框图如图1所示。

图1 检测系统组成框图

电滑台定位装置安装在旋转操作机构检测平台上，由X方向、Y方向和Z方向的电滑台和导轨组成，各个电滑台可任意移动，按照预先设定的定位参数实现三自由度的自动精确定位，精度可达0.05mm。

终端检测装置是由三套独立的伺服电机、减速器和试验夹具构成，伺服电机具有位置、速度和力矩反馈，可通过设置电机最大转矩限制来保护旋转开关，同时还可以设置电机转速来改变试品检测速度。电机最大转矩可在0～15N·M范围内任意调节，检测速度不超过1r/s。

安装背板主要用来固定检测试品，为了能够对各类型、各尺寸的的旋转开关进行检测，采用可更换安装背板设计。安装背板通过螺栓连接安装在旋转操作机构检测平台上，因此安装背板可以快速更换。试验前，可根据试品的具体尺寸、形状等来选择安装背板。旋转操作机构实物图如图2所示。

图2 旋转操作机构实物图

旋转操作机构检测系统具有三个检测工位，每个工位都可以独立运行。试验前，被测试品需安装在安装背板的三个工位上，然后根据具体试验要求，通过人机界面动作设置界面来任意选择各个试品试验工位和试验模式，通过电滑台设置界面来设置电滑台定位装置的自动定位位置和旋转开关旋钮的旋转角度，通过电机设置界面来设置终端检测装置的旋转角度、作用力矩和试验检测速度，可实现各种类型的通断、分断和电寿命试验。检测时，PLC控制电滑台定位装置按照预先设定的自动定位位置信息移动，电滑台定位装置带动终端检测装置移动到试品试验工位。当到达设定的位置时，电滑台定位装置自动停下，随后PLC再控制终端检测装置按照预先设定的试验模式进行试验，从而实现对各类旋转开关试品的检测，有效的提高了试品的检测精度和检测效率。

2 硬件设计与通信连接

2.1 硬件设计

PLC选用西门子S7-200系列的CPU 224XPsi，根据控制需要，旋转操作机构控制系统需要39个数字量输入信号和22个数字量输出信号，因此选用EM223模块作为PLC的扩展数字量输入/输出的模块，该模块具有32点数字量输入/输出端口[3～5]。触摸屏选用步科Kinco的MT4523T，界面支持文本和图形显示。伺服电机选用三菱HC-KFS13电机，伺服驱动器选用三菱MR-J2S-10A驱动器。伺服电机采用了分辨率为131072脉冲/转的绝对位置编码器，因此其具有高精度控制的能力。电滑台定位装置选用SMC公司的LEFS32B系列电滑台，电滑台控制器选用SMC公司的LECA6N1D型控制器。

2.2 触摸屏与PLC、电滑台的连接

触摸屏MT4523T有两个RS-485通信接口，触摸屏的COM0口接PLC的COM0接口，触摸屏COM1口通过RS485总线连接至电滑台驱动器的通信端口。触摸屏作为主站，电滑台驱动器作为从站，通过设置不同的站地址和指令来访问各个电滑台控制器的数据信息。通信配置原理图如图3所示。

图3 通信配置原理图

3 控制系统设计

3.1 PLC控制系统设计

旋转操作机构检测系统采用STEP7 Micro-Win开发，为了提高程序的执行效率和可读性，本系统采用模块化编程，将各个功能模块控制程序编写成各个功能子程序。PLC程序主要包括主程序、复位子程序、试验检测子程序、自动定位子程序、手动调节子程序和故障报警子程序等。

系统上电后，系统自检并初始化参数，点击复位按钮进入复位子程序，使电滑台、伺服电机依次进行复位。然后通过触摸屏设置系统运行参数，并选择试验方式。点击启动按钮后，进入自动定位子程序，然后手动微调使开关手柄进入终端执行装置的试验夹具。再次点击启动按钮后，系统开始进行试验。试验完成后，系统自动复位并记录试验数据。

程序中采用动态监控和逻辑判断的方法对检测系统进行故障诊断，响应各种类型的故障，暂停试验并进行声光报警。系统主程序流程图如图4所示。

图4 系统主程序流程图

3.2 PLC控制电滑台的方式

PLC通过数字量输入输出信号来控制电滑台的定位运行，下面简单介绍一下电滑台的驱动方式[6]。

电滑台上电后进入SVON伺服锁紧状态，运行前必须进行原点回归动作。运行前，需要通过触摸屏设置电滑台的步信息，电滑台驱动器可以存储64个位置信息，通过驱动器的输入端口IN0-IN5来获取本次定位的位置信息。当PLC输出DRIVE后，电滑台开始进入定位运行状态，当到达位置后返回INP到位信号。电滑台定位运行时序图如图5所示。

图5 电滑台定位运行时序图

3.3 PLC控制伺服电机的方式

伺服电机伺服驱动器选用绝对位置系统控制模式，伺服电机编码器既可以检测电机在1转内的绝对位置信息，又对电机旋转的周数进行计数，从而实现了对伺服电机绝对位置的控制。因此，不管旋转操作机构检测系统是否开启，伺服电机绝对位置编码器都能够实时检测出电机的绝对位置，并通过电池供电的计数器存储该数据。因此，试验前必须进行原点复归操作。

PLC的高速脉冲输出端子分别连接到伺服驱动器的PP和PG两端，通过发送不同数量和不同频率的高速脉冲串来实现对伺服电机旋转角度和旋转速度的控制。最大转矩限制通过PLC的模拟量输出端口输出模拟电压连接到伺服放大器的TLA和LG两端，伺服电机运行时会一直限制最大输出转矩。

4 人机界面设计

旋转操作机构检测系统人机界面采用步科触摸屏EV5000组态软件来设计，实时监视并控制现场设备的运行状态，以及生产数据、离线管理等管理功能。根据现场试验需求，人机界面主要设计了系统登录界面、监控主界面、动作设置界面、状态监控界面、参数设置界面、系统设置界面、报警及故障处理界面等。

1）监控主界面根据PLC各变量的变化驱动界面上相应模块状态的变化，通过3D图形化显示定位机构、电动执行器等的运行状态，实现了工作状态的真实再现及动态监控。系统主界面如图6所示。

图6 监控主界面

2）动作设置界面包括选择检测试品工位、试验次数、通电时间、间隔时间和旋转方式等参数的设置，根据各种按钮开关的检测要求来设置相应的动作参数，可实现各种类型的试验，如机械和电气寿命试验、接通与分断能力试验、操作性能试验和短路试验等。动作设置界面如图7所示。

图7 动作设置界面

3）状态监控界面主要的作用是监控各个电滑台和伺服电机的实时状态，如当前旋转角度、作用力矩、操作速度、通电时间、试验次数以及当前次数等，这些数值随着旋转操作机构的工作实时显示。状态监控界面如图8所示。

图8 电缸状态监控界面

4）参数设置界面由电滑台参数设置界面和电缸参数设置界面组成。参数设置界面可以设置试验时的检测速度和作用力等参数。

5）其他界面是检测系统辅助界面。其中，系统登录界面分二级权限登录，各级用户权限不同；系统设置界面可以设置触摸屏显示参数；报警及故障处理界面显示历史报警记录等。

5 结论

旋转操作机构检测系统采用PLC作为控制核心，以触摸屏为人机界面，通过3D图形仿真实时再现监控系统运行状态，使操作人员清楚的了解系统状态，并实现了对各类旋转开关的高速自动化检测。旋转操作机构检测系统已经投入实际试品检测，经现场应用情况表明，旋转操作机构检测系统运行良好、稳定，人机界面操作简单方便，通讯系统数据传输稳定、可靠，集成化、智能化程度高，而且具有很强的抗干扰能力。该系统大大提高了低压电器开关检测的生产效率，降低了工人的劳动强度，达到了企业的预期效果。