PLC和觸摸屏在繼電器測試臺(tái)中的應(yīng)用

1引言

　　鐵路安全繼電器是鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件之一，必須在出廠時(shí)和使用過程中定期對其電氣特性參數(shù)進(jìn)行測試。然而，傳統(tǒng)測試設(shè)備存在測試精度低，可靠性差，效率低下以及對測試人員要求高等缺點(diǎn)，不能滿足現(xiàn)代繼電器測試的要求。PLC作為一種新型的控制裝置與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，具有時(shí)間響應(yīng)快，控制精度高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易與計(jì)算機(jī)相連、維修方便、體積小、重量輕、功耗低及高性能等優(yōu)點(diǎn)。觸摸屏也是一種新型的人機(jī)交互設(shè)備，操作者只需用手觸摸計(jì)算機(jī)顯示屏上的圖標(biāo)或文字就能對主機(jī)進(jìn)行操作，這樣就擺脫了傳統(tǒng)交互設(shè)備復(fù)雜操作，即使新手也能輕松操作整個(gè)設(shè)備。因此，既減少了對操作人員的要求，也提高了工作效率。本文采用PLC、觸摸屏及相關(guān)輔助電路設(shè)計(jì)了一種綜合電器測試臺(tái)。

2硬件電路設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)概述

　　該繼電器測試臺(tái)采用歐姆龍CPM2A型號(hào)PLC作為控制單元、ET500系列觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，測試普通繼電器、接觸器、過流繼電器、接地繼電器的吸合電壓(電流)、釋放電壓(電流)及電磁(電子)式時(shí)間繼電器的延時(shí)時(shí)間等參數(shù)。圖1給出其硬件結(jié)構(gòu)框圖。

 
　　PLC通過I／O捕獲繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，通過擴(kuò)展模擬I／O模塊記錄待測繼電器動(dòng)作時(shí)的電壓(電流)值。同時(shí)，PLC把檢測到的繼電器狀態(tài)和動(dòng)作信號(hào)送人觸摸屏顯示，并對各種故障報(bào)警等。

2.2測試原理

　　測試前根據(jù)待測繼電器型號(hào)及類型通過觸摸屏設(shè)定參數(shù)，測試開始后可選擇自動(dòng)、人工方式通過PLC控制增(減)電壓(電流)，待達(dá)到待測繼電器吸合電壓(電流)、釋放電壓(電流)后，動(dòng)合接點(diǎn)(銜鐵)動(dòng)作，PLC記錄此時(shí)的電壓(電流)值或和接點(diǎn)傳喚時(shí)間存入內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)，待測試完畢后通過觸摸屏顯示并打印。

　　由于測試對象包括直流或交流繼電器，電子式或電磁式繼電器。電子式又包括共陰或共陽型。因此，該測試臺(tái)在設(shè)計(jì)中滿足了各種型號(hào)、類型繼電器的測試需求，其原理如圖2所示。系統(tǒng)通過擴(kuò)展單元的4～20 mA模擬量控制信號(hào)選擇直流或交流電源。

 
　　在測試時(shí)間繼電器時(shí)，被測的是額定電壓下繼電器的動(dòng)作延時(shí)時(shí)間或釋放延時(shí)時(shí)間?？紤]到繼電器線圈電壓從0 V加至額定值需要一定時(shí)間，這會(huì)帶來測量誤差。所以該測試臺(tái)采用在電源輸出端加上一個(gè)固體繼電器(SSR)，圖2所示的是使系統(tǒng)自動(dòng)識(shí)別延時(shí)類型。開始測試時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整輸出電壓為設(shè)定的線圈額定電壓，然后通過SSR切斷輸出電壓，等待6 s使線圈兩端電壓降為0 V，然后再觸發(fā)SSR使之導(dǎo)通，此時(shí)設(shè)定額定電壓直接輸出到時(shí)間繼電器線圈，并開始計(jì)時(shí)。

　　當(dāng)操作人員在測試前選擇電磁或電子式時(shí)，測試臺(tái)根據(jù)觸摸屏傳來的參數(shù)自動(dòng)切換輔助繼電器J10的觸點(diǎn)位置，以完成類型的自動(dòng)識(shí)別。圖2中J10觸點(diǎn)向上構(gòu)成電子式測量電路連接，J11為電子式繼電器的負(fù)載繼電器；J10觸點(diǎn)向下構(gòu)成電磁式測量電路連接。在選擇電子式的同時(shí)還要選擇被測繼電器為共陰還是共陽極，測試臺(tái)中采用輔助繼電器J12的自動(dòng)切換來完成共陰和共陽極的切換，觸點(diǎn)向右構(gòu)成共陰極，向左構(gòu)成共陽極。

3軟件部分設(shè)計(jì)

　　繼電器測試臺(tái)的軟件設(shè)計(jì)主要包括PLC控制軟件和觸摸屏組態(tài)軟件兩部分。由于歐姆龍CPM2A中增加了一個(gè)內(nèi)置的RS232連接器，PLC無需配置專用的通訊模塊就能方便地與外部設(shè)備進(jìn)行通信，所以通過觸摸屏與PLC之間的RS232傳輸就能實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信功能，點(diǎn)擊觸摸屏向PLC發(fā)出各種控制信號(hào)，PLC接到觸摸屏發(fā)出的指令信號(hào)后執(zhí)行運(yùn)算與控制任務(wù)。

3.1 PLC控制軟件

　　PLC作為控制單元，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。通過接收開關(guān)量和模擬量的輸入，經(jīng)處理后輸出開關(guān)量和模擬量去控制繼電器的動(dòng)作。PLC控制軟件主要由初始化模塊、狀態(tài)檢測模塊、控制模塊、通信模塊和故障處理模塊組成，如圖3所示。

 
　　初始化模塊用于測試電流、電壓、時(shí)間和日期的初始化，以及所測繼電器類型的選擇。狀態(tài)檢測模塊用于各組成部分的狀態(tài)檢測和顯示，并通知故障處理模塊進(jìn)行故障處理。通信模塊用于接收觸摸屏傳來的參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)與PLC的通信。控制模塊用于電流、電壓調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)。

3.1.1狀態(tài)檢測

　　狀態(tài)模塊主要是檢測繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。由于觸點(diǎn)的物理特性。動(dòng)觸點(diǎn)在吸合接觸靜觸點(diǎn)的瞬間往往會(huì)先吸合，再以微小的幅值彈開后再次吸合。針對這樣的"抖動(dòng)"，傳統(tǒng)測試裝置因靈敏度太差，而對測試結(jié)果不會(huì)造成影響；然而，該測試臺(tái)因采用PLC檢測觸點(diǎn)接觸，雖然僅僅是不到0.01s，但是PLC會(huì)因捕捉到這樣的"抖動(dòng)"而誤認(rèn)為觸點(diǎn)吸合了兩次或更多次，以致測量無法正常進(jìn)行。因此，在軟件設(shè)計(jì)中采取了防抖功能，如圖4所示。接點(diǎn)不動(dòng)作時(shí)定時(shí)器002計(jì)時(shí)開始，20 ms后輸出為"1"。當(dāng)接點(diǎn)閉合或斷開瞬間，輔助繼電器20.09或20.10接通一個(gè)掃描周期，高速計(jì)數(shù)器002開始計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)到后輔助繼電器20.12接通一個(gè)掃描周期，表示繼電器狀態(tài)已可靠轉(zhuǎn)換。

3.1.2輸出控制

　　在測試中，當(dāng)需要對線圈兩端升(降)電壓(電流)時(shí)，為防止電壓(電流)上升過快而造成測量誤差較大的問題，通過PLC發(fā)出0.2 s的定時(shí)脈沖。在PLC發(fā)出每個(gè)脈沖的同時(shí)對電壓進(jìn)行增減，步長為0.1 V。但是有時(shí)需要快速增加輸出，操作人員可以選擇手動(dòng)輸出方式，長按時(shí)間2 s以上觸摸屏上輸出增按鈕。這種情況下，采用單位輸出增量△a為變值來實(shí)現(xiàn)。圖5所示快速輸出增量圖?？梢?，第n-1次輸出增量為an-1，第n次輸出增量為△an，控制輸出增量△a使△an=an-1+1，使每相同時(shí)間△t內(nèi)的輸出增量遞增，就可實(shí)現(xiàn)輸出值a的快速增加。人工輸出快速減少時(shí)其原理一樣。

 
3.1.3故障處理

　　測試過程中有異常情況時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)檢測的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)操作。例如，在測量繼電器的吸合電壓時(shí)，假如繼電器線圈斷線。根據(jù)常識(shí)在這種情況下無論系統(tǒng)怎么增加電壓，觸點(diǎn)都不會(huì)吸合，繼電器都不會(huì)動(dòng)作。因此，當(dāng)系統(tǒng)加壓到一定值后繼電器如果還未動(dòng)作，系統(tǒng)即認(rèn)為繼電器損壞，結(jié)束測量，彈出錯(cuò)誤報(bào)告。還有其他異常情況，諸如打印時(shí)未接打印機(jī)、調(diào)壓模塊故障等。

3.2觸摸屏組態(tài)

　　觸摸屏界面由支持軟件設(shè)計(jì)、編譯，然后從支持工具下載到觸摸屏即可使用。觸摸屏與PLC之間通過RS232通信電纜進(jìn)行連接。由PLC對觸摸屏狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進(jìn)行讀寫，以達(dá)到兩者之間的信息交互。 觸摸屏的組態(tài)是在EasyBuilder組態(tài)軟件下完成。根據(jù)綜合電器測試臺(tái)的要求，設(shè)計(jì)了初始界面、測試主控界面、電壓測試界面、電流測試界面、接地繼電器測試界面、電磁式時(shí)間繼電器測試界面、電子式時(shí)間繼電器測試界面和手動(dòng)輸出界面共8個(gè)人機(jī)交互界面。

　　圖6所示為測試主控界面。其過程為是先完成測試界面各個(gè)窗口、按鈕的布局；其次為了使觸摸屏和PLC能夠正常通信，還要對測試界面的各個(gè)子窗口、按鈕和輸入?yún)^(qū)域進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置。設(shè)置完成后對其編譯，編譯通過后就可通過RS232通信電纜將組態(tài)信息下載至觸摸屏中，這樣觸摸屏和PLC的通信就建立起來了。然后，運(yùn)行組態(tài)軟件，操作人員用手觸控這些輸入?yún)^(qū)域時(shí)，系統(tǒng)將彈出數(shù)字字母鍵盤，如圖7信息輸入鍵盤所示。在該界面可以輸入設(shè)備名稱、規(guī)格型號(hào)、產(chǎn)品編號(hào)、操作員代號(hào)、上車號(hào)、下車號(hào)等信息。根據(jù)需要測試的項(xiàng)目觸控界面中相應(yīng)的按鈕進(jìn)入相應(yīng)的測試操作界面。

 
4結(jié)語

　　該設(shè)計(jì)的繼電器電器測試臺(tái)已經(jīng)投入使用，運(yùn)行結(jié)果證明，基于PLC和觸摸屏控制的綜合電器測試臺(tái)的工作效率較傳統(tǒng)測試設(shè)備有大幅度提高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。具有下述優(yōu)點(diǎn)：(1)觸摸屏人機(jī)界面上設(shè)置的各種按鈕、開關(guān)、信號(hào)顯示燈、儀表等都是實(shí)物的替代品，觸控壽命長，大大提高了電器測試的可靠性。(2)觸摸屏與PLC的連接通訊是通過軟件實(shí)現(xiàn)的，不占用PLC的I／O點(diǎn)，只需要小型的PLC即可滿足測試臺(tái)的生產(chǎn)，節(jié)省了成本。(3)檢測精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)測試方式，且安全性高。(4)系統(tǒng)的程序接口簡單，用戶能夠很方便地進(jìn)行系統(tǒng)的二次開發(fā)，配置靈活，適應(yīng)客戶要求，保證了整體系統(tǒng)的靈活性和可伸縮性。