大电容芯子分选机测控系统研发

2018-07-04厦门法拉电子股份有限公司

电子世界 2018年12期

厦门法拉电子股份有限公司江峰

1 引言

我司作为电容器行业的领军企业，在小电容的生产上自动化程度较高，但是在大电容的生产上，特别是分选工序，仍旧沿用传统的工业测控方式。采用单台仪器独立工作、手工操作、人工分选的方式，每台测控设备的功能和使用范围是固定不变的，且每台测控设备的测试信息是彼此孤立的。然而, 目前工业的发展对工控现场的测控系统的要求越来越高, 不但要求测控设备能够完成对工业现场的实时在线测试，而且还要求测控设备能够满足不同测试对象的需求、具备可扩展的升级换代功能，并且能够通过监测、分析、优化及控制等手段为工业现场控制和决策提供依据。

2 总体设计

本系统采用了目前应用广泛的虚拟仪器技术，使用美国国家仪器公司（National InstrumentsTM，NI）的LabVIEW开发平台及其配套的DIO和AI数据采集卡为基础，建立起一套适用于测试大电容芯子的容量、损耗、耐压、绝缘电阻、充放电等重要性能指标的自动控制系统。测控系统主要进行容量/损耗测试、充放电测试、耐压测试、绝缘电阻测试等四项测试，测试流程如图1所示。

图1 测试流程图

3 测控系统硬件设计

3.1 硬件平台搭建

如图2所示，测控系统中枢选用西门子工业控制机，确保在恶劣的工业环境（例如具有高粉尘浓度、高温和高撞击荷载的环境）中的可靠性，11个可选插槽使系统极具灵活性和可扩展性。IPC847C通过PCI插槽与多种数据采集卡进行数据交换：利用模拟量采集卡对电压、电流等模拟信号就行采集；利用数字量采集卡采集传感器、电机等数字信号，控制气缸等动作；利用RS232串口卡与容量/损耗测试仪器和绝缘电阻测试仪器进行通讯，采集测试数据。

图2 主要硬件配置图

3.2 耐压测试

如图3所示，耐压测试电压较高，因此每一路的耐压测试的充电和放电回路都加了10K的限流电阻。预充电回路因为充电电流较大需串联接入电流采样电阻，通过采集电压隔离变送器两端的电压，换算出回路的电流，来测算充电电流。其它测试回路由于测试的是漏电流，电流较小，直接用毫安隔离变送器，将电流信号（量程10mA）转换成电压信号（0-10V）再进行采集。要测量电容两端的高压，不能直接进行采集，需利用电阻分压的方式进行采样换算，分压比例为200:1。

3.3 充放电测试

如图4所示，一台充放电测试电源可同时对两个电容进行充放电。通过电机带动调压器可自动对多路充放电的电源电压进行统一设定，操作方便。充电回路利用固态继电器通断高压变压器初级端来控制次级端进行整流给电容充电；放电回路利用电磁继电器通断低压变压器初级端来控制次级端进行整流导通可控硅给电容放电。充电开关与放电开关通过电磁继电器形成硬件互锁，确保充电回路与放电回路不会同时导通。当运行继电器导通时，默认进行放电；充放电切换继电器闭合时进行充电，断开时进行放电。

图3 耐压测试电路图

图4 充放电测试电源电路图（单台）

4 测控系统软件开发

4.1 软件界面

如图5所示是软件的主控制界面，包含了丰富的信息内容。界面根据分选机的工位分布，整齐排列出49个仿真芯子。每个仿真芯子都可以显示条形码，还配有进度条，可以动态显示正在进行测试项目的进展情况。仿真芯子还会根据测试结果变化颜色：白色表示空夹具；绿色表示合格；紫色表示容量/损耗测试不合格；红色表示耐压测试不合格；深蓝色表示绝缘电阻测试不合格；橙色表示充放电测试不合格。这样，根据颜色的不同，就能马上了解目前芯子的状况，简单直观。界面下方是参数设置和数据显示区，包含自动调压等按钮，可以一键设置充放电电压。按下按钮，28个电机一起带动调压器调压，当电压达到设定值时自动停止。

图5 软件界面

4.2 软件后台

4.2.1 程序总框架

LabVIEW是自动多线程的编程语言，考虑到工控机搭载的是4核CPU，因此将程序设计成四段并行执行的循环程序以提高效率。如图6所示，这四段程序分别是：控制程序、采集程序、辅助程序和显示程序。它们都独立运行，互不干扰，但又通过局部变量互相传递着相关数据。图

图6 程序总框图

7 控制程序流程图

4.2.2 控制程序

控制程序作为后台程序的核心，较为繁琐，为了方便管理，给每个工位都编写了单独的子程序。如图7所示，按下启动按钮后，程序先进行初始化，然后开始各项测试。每个工位并行执行各自子程序，循环检测各工位测试情况，未完成则继续等待，直到所以工位的测试都完成。此时，如果接收到停止信号就停止测试，反之则启动主传动电机，让夹具移动一个工位。夹具到位后，开始新一轮的测试，循环往复。

4.2.3 采集程序

如图8所示，为了提高采集程序的运行效率，数据采集通道的开启通道和关闭分别只在软件启动和退出时才执行。由3.2章节可知，工控机采集到的值是经过降压处理的。低电压很容易受到工业环境中的各种电磁干扰，然后再经过数值换算后，测量误差就被放大了。先为了提高测量精度，在一个循环周期内进行了10组数据的采集，然后求平均值，以减小电压值和电流值的波动。

图8 采集程序流程图

4.2.4 辅助程序

如图9所示，辅助程序包含四段子程序：容量/损耗测试读取和保存子程序，耐压测试数据保存子程序，充放电测试数据保存子程序，绝缘电阻测试数据保存子程序。它们在相对应工位的一个测试期间内只执行一次，且独立运行，互不干涉。众所周知，工控机中CPU的缓存速度最快，内存次之，而硬盘的读写速度最慢。这些子程序本来应该是控制程序里的一部分，虽然执行的次数少，不是每个循环都会被执行，但是它们都涉及到对硬盘的读写，一旦被执行了就会拖慢控制程序的运行速度，影响到其它工位的测试，所以被单独归在同一个循环里运行，减轻控制程序的负担。

图9 辅助程序

4.2.5 显示程序

控制程序、辅助程序和采集程序都会把有关数据传递给显示程序，通过它呈现在软件界面上。正如图10所展现的那样，由于软件界面控件较多，每个循环周期需要运行的控件刷新子程序很多。为了进一步提高显示程序的执行效率，减少对系统资源的消耗，每个控件在进行刷新之前，必须先通过反馈节点与上一个循环周期内同一控件中的数据进行比较。如果该控件中的数据有发生变化则进行刷新，反之则直接跳过相对应的控件刷新子程序，以达到节约系统资源的目的。