可靠性试验室控制系统的研究与实现

龙 林， 程武山， 岳 敏， 阮庆洲

（1.上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620；2.上海电器设备检测所，上海 200063）

可靠性试验室控制系统的研究与实现

龙 林1， 程武山1， 岳 敏1， 阮庆洲2

（1.上海工程技术大学 机械工程学院，上海 201620；2.上海电器设备检测所，上海 200063）

文章针对上海低压电器检测试验室实际情况，结合虚拟技术、分布式控制技术、组件化构建技术及网络通讯技术研究开发出了低压电器检测试验室控制系统，实现了测试系统的智能化、自动化和信息化，系统具有对用户操作权限有效控制、海量数据实时存储和离线分析等功能。

低压电器；分布式；组件化；控制系统

测控系统正向网络化、远程化发展，并具有分布式、开放性、可扩展性的特点［1］。为满足上海电器科学研究所检测所对原有寿命回路试验室改造的要求，需充分运用计算机技术、网络通信技术、软件技术及数据采集技术［2］，开发一套集监控、测量、控制一体化测控软件系统，使其具有数据采集、数据分析、模块化控制、全方位保护、自动实时监控及自动生成试验数据等诸多功能，才能大大提高可靠性试验室的检测能力。

1 系统需求

可靠性试验室控制系统分为4个部分，即分布式测控站、集中控制站、数据存储服务器和安防监测系统。① 集中控制站系统，即中央控制台，采用17寸触摸屏工业控制机，可集中控制所有20个低压电器寿命测试房间，功能包括测量、监视、控制及试验选择；② 分布式测控站，作为各个房间测试终端，选用15寸触摸屏可以独立操作、控制，可以对各类电信号进行实时监控并存储，存储的数据文件可以波形显示并进行离线分析，分布式测控站可以响应集中监控站请求并可根据集中监控站的指令完成相应试验操作；③ 数据存储服务器，主要存储试验过程中的临时数据、经验数据、用户管理数据、视频监控数据、操作记录跟踪数据、报警记录数据、历史故障数据，系统运行数据应记录在服务器上；④ 安防监测系统，主要指温度监测及烟雾监测，可预先设定2级报警阀值，超过1级小于2级报警阀值，发出相应的温度及烟雾报警信号，超过2级报警阀值，直接切断主回路电源并发出报警信号，报警触发到接触器断开的时间必须保证在50ms以内。

2 系统拓扑结构

根据需求建立系统网络拓扑结构图如图1所示。网络使用高效的总线通讯方式，提高数据传输速率，满足大量数据高速传输的要求。系统可非常方便地通过网路实现数据共享，也可以很方便地连接到其他的工业外围设备，以便实时地将采集数据保存到硬盘中，便于后期对数据进行分析和处理。

图1 系统网络拓扑图

可靠性试验室（即寿命试验室）、辅助触头试验室和接近开关试验室均采用星型网络拓扑结构，即每个试验室中的所有计算机都分别连接到该试验室中的集线器，通过该试验室中的集线器传递信号。可靠性试验室、辅助触头试验室和接近开关试验室作为3个独立的局域网，接入千兆路由器，千兆路由器通过WAN接口接入SIMIS系统，而千兆路由器为3个试验室设置不同的子网，以保证各个试验室之间的相互独立。各个试验室中的任意一台计算机可通过路由器连入SIMIS系统上传与下载试品数据。根据可靠性试验室中网络传输数据量较大、传输稳定等要求，可靠性试验室网络采用有线介质接入，组建千兆级局域网。

3 系统设计与实现

3.1 系统组件化设计

系统采用组件化开发方式，主要组件包括自动化控制组件、数据与波形组件、处理异常组件、安防管理组件、报表生成组件、用户管理组件及通讯组件，如图2所示。

图2 系统组件集成图

（1）自动化控制组件。分布式测控站现场控制采用西门子PLC［3－4］（可编程序控制器）完成，主要控制对象为试验室主回路中各个框架断路器、接触器、操作机构及温度监测、烟雾监测装置。

（2）通讯组件。封装PLC连接 OPC［5］通讯接口程序。

（3）安防组件。该组件不仅能以多宫格形式实时显示从摄像头监控的现场画面，同时，此组件还提供现场温度以及烟浓度信息。

（4）报表生成组件。封装数据源连接串与SQL语句，组件内嵌有调用Word和Excel接口。

（5）数据与波形组件。封装Synergy多功能记录仪采集数据的接口程序，组件功能可解析相电压和相电流数据，其数据本质是2个同频、初相和为π／2的正弦波，即

其中，V为电压；I为电流；f为频率；φ为初相位。组件可计算参数如合闸相角、功率因数等。程序中可通过移动光标直接得到某点的峰值、正弦波的有效值、2个光标之间的最大值、最小值、积分、I2t、微分、时间间隔、cosφ，还包括通电时间、燃弧时间、熔断时间、燃弧角、分断过电压、限流系数、弧前I2t、熔断I2t、电弧能量等试验参数［6］。

（6）处理异常组件。本组件定义了2个异常类：①ServiceRuntimeException，用来封装服务组件运行和远程服务交互发生的系统异常；②ServiceBusinessException，用来封装业务逻辑异常。这2个异常类可以详细地记录异常信息，形成历史故障数据库，为异常处理决策分析提供更有效的依据。

（7）用户管理组件。本系统有多个操作者和多个权限级别，权限控制相当复杂，系统采用位映射法来控制用户权限［7］。

3.2 系统软件的实现

软件的开发工具和数据库系统分别选用Visual Studio 2008、SQL Server2005，部分调用接口的动态库使用 Visual C＋＋6.0编写。VS2008是由Microsoft公司推出的可视化、高集成的开发工具和一系列具有丰富功能的编程工具，VS2008内含C＋＋、C＃等多种编译器，提供丰富组件以及类向导等开发工具［8］，提供支持Windows系统的函数接口，适合开发PC应用程序因而得到了广泛的应用。依据上述设计进行应用系统开发，开发实现的分布式测控站控制系统主界面如图3所示，系统具有如下功能。

（1）监控系统能显示每个试验回路中样品的试验波形图，并能方便各回路的切换。

（2）每个试验回路由PLC独立控制，能准确记录电流、电压值。

（3）常见的故障发生时，监控系统能自动判断，框架断路器均能跳闸，主控台能显示故障类型并停止计数。

（4）系统可根据设置温度及烟雾浓度值自动报警。

（5）主控台显示屏幕可设置和显示所有试验回路的工作参数即试验项目、时间参数、试验电压、电流、操作频率、计数、故障显示、回路状况等。

（6）系统能记录各回路累计使用时间，生成每日值班记录表，并可随时查询历史值班记录表。

图3 分布式测控站控制系统主界面

图3中右边上半部分表示主回路，右边下半部分为操作机构仿真功能模块，其通过OPC－PLC通讯方式［9－10］获得PLC控制信号，实时显示操作机构运行状况。

系统中电流、电压数据通过调用Synergy API（应用程序接口）与Synergy多功能记录仪进行通讯，实时获取数据包。

（1）调用接口初始化代码，即

图4所示为操作机构控制部分实物图，操作机构中电杆运动主要由PLC控制电杆驱动器完成。

图4 操作机构控制系统实物图

PLC控制信号及状态通过Profibus－DP网传输给分布式测控站中的工控机。分布式测控站各种现场状态信息、试验电能参数和试验结果通过以太网传送给数据存储服务器。

由图2可知集中控制站系统由控制功能、测试功能、实时监控、安防功能等功能模块组成。集中控制站系统与分布式测控站系统功能模块类似，两者的通信协议基于可靠的TCP（即传输控制协议）和更便捷的UDP（即用户数据报协议）双重优化传输机制，集中控制站与分布式测控站通信接口采用TCP／IP Socket网络编程技术，多线程同步技术实现。集中控制站系统可远程与分布式测控站系统通信，可远程控制主回路和操作机构。

4 结束语

可靠性试验室控制系统软件部分主要包括集中控制站子系统和分布式测控站控制子系统，系统从技术上消除了人为因素对采集原始数据的影响，可远程实时监控试验现场设备运行状态，界面友好、美观，实现了测试的智能化、自动化和信息化，可为管理者提供科学、全面、详尽的决策依据。

［1］郑荣茂，刘桂雄，洪晓斌.基于.NET的网络化测控平台的设计开发［J］.制造业自动化，2007（9）：12－15.

［2］阮庆洲，陈建兵，朱 刚，等.基于LabVIEW的智能低压电器测试技术［J］.低压电器，2011（5）：55－60.

［3］王志开.PLC及 WINCC组态软件在自动控制中的应用［J］.中国科技信息，2005（5）：12－13.

［4］谢 飞，张 华.基于PROFIBUS－DP总线的PLC控制系统实时性能研究［J］.工业控制计算机，2011（6）：100－101.

［5］宋清昆，林 森，冯金超.基于Profibus－DP现场总线通信接口设计［J］.现代电子技术，2010（11）：197－199.

［6］丁正平.低压电器试验数据采集及处理系统：Ⅱ ［J］.低压电器，1995（5）：8－11.

［7］朱守业，张 蕾，黄飞江，等.HIS中基于角色的用户登录权限分配研究［J］.计算机与现代化，2004（3）：69－72.

［8］王小科.C＃开发实践宝典［M］.北京：清华大学出版社，2010：1－8.

［9］董 菁，董学平，王华强.利用 Modbus和OPC技术实现水电站数据通信［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2011，34（9）：1351－1353.

［10］蒋冰华，涂志威，王国庆.基于PLC与触摸屏的磨皮机控制系统设计［J］.合肥工业大学学报：自然科学版，2009，32（9）：1351－1353.

Study and realization of reliable laboratory control system

LONG Lin1， CHENG Wu－shan1， YUE Min1， RUAN Qing－zhou2

（1.College of Mechanical Engineering，Shanghai University of Engineering and Science，Shanghai 201620，China；2.Shanghai Electrical Apparatus Research Institute，Shanghai 200063，China）

In order to improve the real situation of Shanghai Low－voltage Apparatus Detection Laboratory，based on the virtual technology，distributed control technology，component technology and network communication technology，a laboratory control system of low－voltage apparatus detection is designed and developed，which is intelligent，automatic and infomationization－based.The control of operation authority of users and the real－time transmission and off－line analysis of mass data and other functions are realized in the system.

low－voltage apparatus；distributed control；component；control system

TP202

A

1003－5060（2012）11－1480－04

10.3969／j.issn.1003－5060.2012.11.010

2012－03－23

上海市产学研合作资助项目（K（11）JX－023）

龙 林（1976－），男，安徽桐城人，上海工程技术大学讲师.

（责任编辑 张 镅）