智能電動機(jī)保護(hù)器自動檢測系統(tǒng)設(shè)計

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、單片微型計算機(jī)及上位機(jī)語言，開發(fā)了一套自動檢測系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，并進(jìn)行多次測試。測試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能對智能電動機(jī)保護(hù)器自動施加信號，以檢驗(yàn)其精度、保護(hù)功能及附加性能，自動判別測試結(jié)果是否滿足技術(shù)指標(biāo)要求，且檢測結(jié)束后能實(shí)現(xiàn)測試數(shù)據(jù)的自動保存與打印。與常規(guī)的人工測試系統(tǒng)相比，具有檢測效率高、測試過程規(guī)范、自動化程度高、準(zhǔn)確度高、通用性強(qiáng)、測試數(shù)據(jù)管理便捷等特點(diǎn)。該自動檢測系統(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: 智能電動機(jī)保護(hù)器；自動檢測；單片機(jī)；上位機(jī)軟件；

0引言

智能電動機(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。目前，對其檢測采用手動方式，故存在檢測工序繁瑣、工作效率不高、可靠性低、檢測流程不規(guī)范、檢測數(shù)據(jù)存儲麻煩且無法自動打印等問題，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)和檢測的需要。此外，客戶對產(chǎn)品功能的定制還存在多樣化特點(diǎn)，故實(shí)現(xiàn)智能電動機(jī)保護(hù)器的自動檢測有著重要的意義。

電子元器件、現(xiàn)代單片機(jī)技術(shù)以及數(shù)據(jù)庫技術(shù)的發(fā)展，使得自動檢測智能電動機(jī)保護(hù)器成為可能。可以通過上位機(jī)控制整個檢測過程，采用單片機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號的產(chǎn)生并控制信號的通斷，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)行測試數(shù)據(jù)的存儲等組成一個自動檢測系統(tǒng)，以降低生產(chǎn)成本、提高了檢測效率、人工記錄時易產(chǎn)生錯誤等弊端^[2,3,4]。

1系統(tǒng)基本要求

該系統(tǒng)需能自動完成對保護(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，并且能自動判別檢測結(jié)果是否符合產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)要求，同時還應(yīng)具有測試結(jié)果的存儲、統(tǒng)計、查詢以及檢測報告輸出等功能^[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)格的智能電動機(jī)保護(hù)器。

(2) 工作模式。全自動與單個檢測項(xiàng)自動并存。

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

(4) 檢測效率?？赏瑫r檢測多臺相同規(guī)格的電動機(jī)保護(hù)器，并要求檢測時間短。

(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、電流正弦波輸出時波形的失真度<0.5%；正弦波輸出時功率源的電壓、電流、功率穩(wěn)定度<0.1%；可以驅(qū)動阻性、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檢測保護(hù)功能。

(6) 分機(jī)控制單元。能夠與被檢測保護(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)輸出控制和計時功能。

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)完成檢測參數(shù)的設(shè)定、檢測的啟?？刂?、檢測過程的實(shí)時監(jiān)控、檢測結(jié)果的保存與打印等工作，是完成整個檢測過程*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)字式信號源）產(chǎn)生檢測中所需要的各類信號，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。

（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，確保功率放大器長期穩(wěn)定可靠的工作。

（5）電流、電壓切換裝置。單臺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。

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、檢測保護(hù)器的開關(guān)量輸入、輸出狀態(tài)；具有直流模擬量測量信號，范圍為4-20mA，可以對保護(hù)器模擬量輸出進(jìn)行檢測；采用硬件時鐘計時，精度為ms級，能統(tǒng)計故障的脫扣時間；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)。用于打印檢測結(jié)果，形成產(chǎn)品出廠檢驗(yàn)報告。

3檢測流程及軟件

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

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，先輸入對應(yīng)分機(jī)單元接入的保護(hù)器序列號，系統(tǒng)會自動設(shè)定好檢測參數(shù)；然后，啟動檢測過程直到檢測結(jié)束。

圖5 上位機(jī)程序流程圖

（1）已設(shè)定參數(shù)的檢測。將被檢測的保護(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)測試。

（2）數(shù)顯精度檢測。將信號源升到對應(yīng)檢測所需的信號，等待信號源工作穩(wěn)定后，讀出對應(yīng)保護(hù)器的顯示值，計算誤差進(jìn)行判斷，結(jié)束此項(xiàng)精度檢測。其中，在檢測過程中啟動報文確認(rèn)機(jī)制。精度檢測的流程圖如圖6所示。

圖6 精度檢測流程圖

（3）保護(hù)功能檢測。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，主要檢測流程如圖7所示。檢測開始后，為了防止之前項(xiàng)檢測的干擾，首先切斷電流的輸入信號，然后根據(jù)檢測需要，升起相應(yīng)的故障信號，打開對應(yīng)檢測項(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，影響到檢測結(jié)果，需對保護(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，同時對分機(jī)單元發(fā)送計時命令（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)送讀取計時命令，獲取脫扣時間進(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)功能檢測流程圖

（4）附加功能檢測。根據(jù)客戶的訂貨單，進(jìn)行附加功能檢測，主要包括：欠載、起動超時、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?；緳z測流程與保護(hù)功能檢測相似，其中對于開關(guān)量的檢測需要單個開關(guān)量依次檢測，防止開關(guān)量之間的短接。

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

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

4測試結(jié)果及分析

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

表1 準(zhǔn)確度檢測結(jié)果

表2 功能檢測結(jié)果

5結(jié) 語

智能電動機(jī)保護(hù)器自動檢測系統(tǒng)具有人機(jī)界面友好、操作簡單、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)。檢測結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。在整個檢測過程中，基本無需人為干預(yù)，檢測自動化程度高，zui大限度地保證檢測過程的規(guī)范性與測試結(jié)果的客觀性。經(jīng)測試，在自動檢測模式下，多臺全功能保護(hù)器完成整個檢測流程需要時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檢測，具有適用范圍廣等特性。

文章來源于：《低壓電器》2013年第22期。

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