基于硬件在环的低压电器自动化测试软件设计

沈 文 婷

(上海机器人产业技术研究院有限公司, 上海 200063)

0 引 言

自动化程度的迅速提高决定了低压电器的测试要求提高,且需要达到一定的测试强度,就对测试设备提出了很高的要求[1-3],传统的测试方法已经无法满足现有的测试需求[4-5]。在完成测试的同时,需要考虑如何减少参数波动的次数、如何提高测试完成度、如何减少测试次数等[6-9]。

对于低压电器的要求包括安全可靠性、寿命使用长度等,这也是测试的重点[10-13]。在众多的测试项目中,温升测试用来验证低压电器在正常运行时的发热情况,需要在测试过程中获得各项数据,以验证其安全性、可靠性。

本文设计一种基于虚拟仪器的低压电器自动化测试系统,包括温升试验、电能效率试验等,并设置管理员等多种角色,系统的管理及角色分配由管理员来执行,提高了测试系统的安全性和工作效率。系统基于PXI平台进行搭建,具有很高的可扩展性,测试程序使用图形化编程语言,便于测试员测试开发。

1 虚拟仪器

虚拟仪器包含软件系统和硬件系统。软件系统在硬件系统的基础上可完成一系列的开发活动。硬件系统主要用来采集信号,并将信号处理成软件系统可以识别的二进制数字信号。软件系统则用来分析数据、显示数据和保存数据,以及最大化利用数据进行测试验证。

虚拟仪器开发平台即LabVIEW,采用可视化的图形编程语言,并可以与C、Python等主流编程语言进行交互,从而高效率地完成系统的开发,提高开发效率。LabVIEW封装了信号处理的多种程序文件,并以动态链接库文件的格式供开发者调用,基本不用写代码,只需要将封装的图标与图标之间建立连线。

LabVIEW分为前面板和程序框图。前面板作为人机交互界面,仅提供输入/输出接口和基本的装饰控件;程序框图作为虚拟仪器的核心,主要完成控制程序的逻辑设计和实现,包括数据采集、读取、写入以及数据运算。与传统测试仪器相比,虚拟仪器具有更高的灵活性和适应性。传统仪器与虚拟仪器比较如表1所示。

表1 传统仪器与虚拟仪器比较

2 系统设计

系统主要由数据采集硬件模块、通讯模块和数据分析终端组成。数据采集硬件模块接入被测设备,并通过通讯模块与数据分析终端进行通讯,完成数据传输。数据分析终端将采集的数据包进行解包并显示,最终完成设备温升测试。系统架构如图1所示。

低压电器温升试验属于型式试验部分,主要用来检测设备在运行过程中的发热情况。如果设备某些零部件发热过高,就会导致损害,如熔化、接触不良等。因此,温升测试可以测量各个零部件在运行过程中的发热程度,保证设备及其零部件不会发生损坏。

此外,设备在运行过程中,电压和电流会存在波动,因此需要使用高精度采集设备对测试设备产生的电压、电流等测试数据进行精确的采集和处理,并以此判断电压、电流的突变是否影响各零部件的温度。

3 硬件设计

在温升测试中,对温度测量的精度、点数和实时性都会有一定的要求。系统选取PXI-4353作为温度采集的设备。PXI-4353温度输入模块,提供多达32个通道的模拟温度测量,以及用于识别热电偶断开的开路热电偶检测功能。同时,该模块可为温度测量提供集成式数据采集和信号调理,包含更高的精度和同步功能。该模块可优化热电偶终端和冷端补偿通道间的导热性。因此,PXI-4353温度输入模块既有用于偏移补偿的2路自动调零通道,也有用于识别热电偶断开的热电偶开路检测。PXI-4353经过内部调理后,可选择通过RTD或者热电偶进行温度测量,实现32个差分通道的数据采集。此外,由于温升测试的时间跨度很大,所以设备的运行电压和电流一般都会预先设定好。

在设备运行过程中,对于设备的电压和电流采集,主要关注三相三线制或三相四线制情况下相电压、相电流、线电压和线电流等参数,因此系统选取NI-9244作为电压测量设备。NI-9244提供了通道数、分辨率和速度的有效组合,满足相量测量、电能计量、电能质量监测等参数的测量。同时,该采集卡提供3个通道,以便完成单相或三相电压的测量。针对电流采集,系统选取NI-9203采集卡,其具有可编程输入范围、可变连接选项和内置噪声抑制的功能,可完成电力质量监测和计量、工业机器测量、健康监测等任务。硬件结构图如图2所示。

4 软件设计

系统软件可分为系统登入、参数设置和报警、通讯、数据采集和显示、数据保存5个模块。整体设计界面如图3所示。

整体软件运行流程图如图4所示。

4.1 系统登入

登入角色可选管理员、测试员两种角色,账号及密码由管理员输入,并逐个分配给相关的测试人员。作为对相关测试的记录,系统登录界面会自动登记登入时间,登入地点由测试人员选择,可选办公室、实验室和外场,等待登录进度完成,就可以进入系统界面。

4.2 参数设置和报警

参数和报警设置界面如图5所示。系统按照设定的扫描时间间隔进行温度的采集,目前一共包含18个采集通道,当某个通道的温度超过阈值时,程序便开始报警提示,并自动记录报警次数。报警次数主要以扫描时间间隔为单位。如果18个通道的温度最大值连续1 min超过阈值,而扫描时间间隔设定为10 s时,则报警次数为6次。同时,系统将会同时记录发生报警的位置,若第9个通道发生报警,报警位置显示9,如果多个位置同时报警,系统会依次显示。一般,当有第一次报警时,系统就会停止采集。

由于不同的测试对象有不同的温度变化、电压变化以及电流变化,所以参数和报警设置模块主要对报警温度、报警次数、扫描时间间隔以及电压参考值和电流参考值进行设置。报警温度没有特殊的限制,当实际温度超过设定的温度时,报警提示将发出信号。扫描时间间隔可实时更改,用于配置采集的最小时间间隔,建议设置在10～120 s之间。

4.3 通讯

通讯模块按照不同的被测对象,可使用不同的通讯接口。系统所使用的温度采集模块可采集各通道温度,也可以使用串口等方式转换信号。当选择IO口采集数据时,将IO口设置区中的参数配置好,主要包括物理通道、采样时钟源、采样数等;当选择串口数据时,需要配置串口的参数进行数据采集,主要包括VISA资源以及波特率等。系统预留了其他方式进行数据采集,如果选择其他,需要进行对应的编程以及配置才可以进行采集。

在串口读取时,需要先配置读取缓冲区的字节数,否则当读取的字节数大于缓冲区字节数时,读操作会一直等待。

4.4 数据采集和显示

数据采集是连接被测环境与软件终端的桥梁,能够将模拟输入信号转换为数字信号传送到软件终端进行数据分析,是测试系统的核心模块之一。

系统电压信号采集使用NI-9244。因此程序设计时,需要使用以太网程序接口或者USB接口进行数据采集和显示,其核心是NI VISA模块。USB编程界面如图6所示。

同理,电流采集使用NI-9203模块,使用相同的模块即可完成数据的采集和显示。

温度采集模块使用PXI-4353,使用PXI总线进行数据传输,可直接通过串口完成数据包下载以及解包。

4.5 数据保存

数据保存模块主要将测试系统采集的温度、电压、电流等数据包以字符串格式保存在TXT文件中,以便进行后期数据分析、报告输出等活动。

5 结 语

通过设计基于LabVIEW的温升测量终端软件,结合电器相关测试标准,可为低压电器设备快速搭建测试系统,对测试系统的参与人员也可以使用管理员权限来管控,提升了测试系统的测试能力和管理能力。同时,本文设计的软件可为低压电器的测试提供一种高可靠性的方案,为后续相关产品设备的测试应用提供依据和可实施途径。