基于儀器控制技術(shù)的電梯控制柜綜合測(cè)試系統(tǒng)

陳泰潮 劉艷斌 林 堯

(福州大學(xué)測(cè)試中心1，福建 福州 350002;福建省特種設(shè)備檢驗(yàn)院2，福建 福州 350003)

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們?cè)谙硎茈娞萆舷聵菍涌旖莘?wù)的同時(shí)，對(duì)電梯的安全性與舒適性也提出了更高的要求。電梯控制柜作為整個(gè)電梯控制系統(tǒng)的核心部件，合理、全面地對(duì)其功能進(jìn)行檢測(cè)是電梯安全可靠運(yùn)行的重要保證［1］。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)電梯控制柜的檢測(cè)基本上還停留在控制柜出廠前的型式試驗(yàn)階段［2］，并未對(duì)運(yùn)行中的電梯控制柜整體性能進(jìn)行綜合測(cè)試與評(píng)價(jià)，而這正是保證電梯可靠、安全、舒適運(yùn)行的關(guān)鍵所在。

為此，本文以電梯控制柜為研究對(duì)象，根據(jù)影響其性能的測(cè)試指標(biāo)和檢測(cè)設(shè)備，采用儀器控制技術(shù)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套電梯控制柜綜合檢測(cè)與評(píng)價(jià)的測(cè)試系統(tǒng)，以滿足電梯控制柜的出廠測(cè)試和投入使用后的定時(shí)檢驗(yàn)等要求，保證電梯的安全運(yùn)行。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

作為虛擬儀器技術(shù)的重要內(nèi)容之一，儀器控制技術(shù)已成為開(kāi)發(fā)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)［3］。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)流程如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)流程圖Fig.1 Overall design flowchart of the system

儀器控制不同于單純的數(shù)據(jù)采集，它是通過(guò)PC機(jī)上的軟件遠(yuǎn)程控制總線上的一臺(tái)或多臺(tái)儀器。一個(gè)完整的儀器控制系統(tǒng)除了包括計(jì)算機(jī)和儀器外，還必須建立儀器與計(jì)算機(jī)的通路(包括總線和針對(duì)不同儀器的驅(qū)動(dòng)程序)以及上層應(yīng)用程序［4］，通過(guò)硬件與軟件相結(jié)合，將計(jì)算機(jī)與儀器或設(shè)備連接起來(lái)協(xié)同工作;同時(shí)，還可以利用計(jì)算機(jī)的資源，拓展儀器的功能。

電梯控制柜主要由柜體和各種控制電氣元件組成，是電梯電氣控制系統(tǒng)完成各種主要任務(wù)、實(shí)現(xiàn)電梯各種性能的控制中心［5］。為了能夠客觀、全面地評(píng)價(jià)各種電梯控制柜的性能，通過(guò)分析影響電梯控制柜性能的主要因素，得到系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目主要包括電磁敏感度(EMS)測(cè)試、諧波分析測(cè)試、能耗測(cè)試、電機(jī)轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩測(cè)試及噪聲溫度測(cè)試等。針對(duì)以上測(cè)試項(xiàng)目要求，利用儀器控制技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套電梯控制柜綜合測(cè)試系統(tǒng)。

1.1 系統(tǒng)的硬件組成

測(cè)試系統(tǒng)的硬件部分主要由一臺(tái)PC機(jī)和儀器儀表庫(kù)組成。根據(jù)系統(tǒng)的測(cè)試項(xiàng)目要求，所需的測(cè)試儀器采用Prima公司制造的電磁敏感度測(cè)試設(shè)備，包括靜電放電發(fā)生器ESD61002A、脈沖群發(fā)生器EFT61004B、周波跌落模擬器DRP61011C、雷擊浪涌發(fā)生器SUG61005C;同時(shí)還包括Yokogawa公司生產(chǎn)的數(shù)字功率計(jì)WT1600、Tektronix示波器TDS 2002B、聲級(jí)計(jì)和測(cè)溫儀等。不同的儀器設(shè)備可通過(guò)各自的接口總線(如圖1所示的LAN總線和USB總線)與PC機(jī)進(jìn)行通信連接。

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用LabVIEW 8.5軟件作為開(kāi)發(fā)工具，通過(guò)編寫(xiě)相應(yīng)的程序組建測(cè)量系統(tǒng)，并構(gòu)造自己的儀器界面［6］，完成電梯控制柜性能的各項(xiàng)檢測(cè)。

1.2.1 軟件架構(gòu)

系統(tǒng)的軟件架構(gòu)主要由測(cè)試程序、儀器驅(qū)動(dòng)程序和VISA(virtual instruments software architecture)I/O軟件三個(gè)層次組成，其原理如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件架構(gòu)原理圖Fig.2 Principle of systematic software framework

虛擬儀器軟件架構(gòu)VISA是由VXI plug＆play系統(tǒng)聯(lián)盟統(tǒng)一制定的I/O接口軟件標(biāo)準(zhǔn)及其相關(guān)規(guī)范的總稱，具有與儀器硬件接口無(wú)關(guān)的特性，是理想的儀器I/O軟件［4］。因此，無(wú)論底層是何種接口總線，用戶只需使用相同的應(yīng)用程序編程接口創(chuàng)建相應(yīng)的應(yīng)用程序，便能夠?qū)崿F(xiàn)與儀器的通信。

儀器驅(qū)動(dòng)程序是實(shí)現(xiàn)儀器控制和快速開(kāi)發(fā)測(cè)試測(cè)量應(yīng)用的關(guān)鍵。該程序是一個(gè)包含高層函數(shù)的庫(kù)，這些高層函數(shù)支持所要控制的某個(gè)儀器或某個(gè)儀器簇。NI公司在其官方網(wǎng)站上為多種儀器免費(fèi)提供了用LabVIEW或LabWindows/CVI編寫(xiě)的儀器驅(qū)動(dòng)程序，并使用虛擬儀器軟件架構(gòu)(VISA)API進(jìn)行儀器控制［7］。利用儀器驅(qū)動(dòng)程序，結(jié)合儀器供應(yīng)商提供的儀器遠(yuǎn)程控制的SCPI命令庫(kù)，就可以很容易地實(shí)現(xiàn)儀器配置、從儀器讀取、向儀器寫(xiě)入和觸發(fā)儀器等基本功能，而不需要學(xué)習(xí)某個(gè)儀器專用、復(fù)雜的底層編程協(xié)議，這就大大縮短了測(cè)試系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)周期。

1.2.2 測(cè)試程序的流程設(shè)計(jì)

電梯控制柜綜合測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試程序采用LabVIEW軟件模塊化編程方法，將系統(tǒng)中不同測(cè)試項(xiàng)目的測(cè)試程序分別封裝成獨(dú)立的測(cè)試模塊供系統(tǒng)使用。系統(tǒng)主要由登錄模塊、測(cè)試模塊和綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)模塊三大部分構(gòu)成。測(cè)試實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目的不同選擇相應(yīng)的測(cè)試模塊。

雖然各個(gè)儀器的驅(qū)動(dòng)程序不同，不同測(cè)試項(xiàng)目之間的測(cè)試參數(shù)的設(shè)置也有所區(qū)別，但是它們內(nèi)部程序設(shè)計(jì)的基本流程卻十分相似，如圖3所示。

圖3 測(cè)試程序基本流程圖Fig.3 Fundamental flowchart of test program

2 測(cè)試系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為實(shí)現(xiàn)電梯控制柜綜合測(cè)試，必須完成各種檢測(cè)儀器的連接、測(cè)試程序的編寫(xiě)以及測(cè)試面板的設(shè)計(jì)，最終構(gòu)成綜合測(cè)試系統(tǒng)。下面以諧波測(cè)試為例，介紹系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程，包括儀器接口總線的連接設(shè)置和測(cè)試程序的編寫(xiě)。

2.1 以太網(wǎng)(LAN)總線的連接設(shè)置

測(cè)試系統(tǒng)中，計(jì)算機(jī)與數(shù)字功率計(jì)WT1600通過(guò)雙絞線相連接。為了實(shí)現(xiàn)兩者的正常通信，首先要設(shè)置儀器的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(包括IP地址、子網(wǎng)掩碼和網(wǎng)關(guān))，然后利用LabVIEW提供的儀器配置工具M(jìn)easurement＆Automation Explorer(MAX)檢測(cè)數(shù)字功率計(jì)WT1600，并在MAX下進(jìn)行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)置。完成相關(guān)的參數(shù)設(shè)置之后，在MAX軟件的“設(shè)備和接口”下就會(huì)出現(xiàn)新連接的TCP/IP接口設(shè)備的儀器描述符“TCPIP0::192.168.1.10::10001::SOCKET”。這說(shuō)明計(jì)算機(jī)與數(shù)字功率計(jì)之間的連接已配置成功，兩者可以實(shí)現(xiàn)正常通信了。

2.2 測(cè)試程序的編寫(xiě)

對(duì)于程序的編寫(xiě)，主要用到儀器的驅(qū)動(dòng)程序和儀器控制的標(biāo)準(zhǔn)命令SCPI(standard commands for programmable instruments)。數(shù)字功率計(jì)WT1600的儀器驅(qū)動(dòng)程序模塊可從NI公司官方的網(wǎng)站上免費(fèi)下載，相關(guān)儀器控制、諧波測(cè)試程序編程的SCPI命令可從儀器制造商橫河公司提供的WT1600 Communication User’s Manual中查得。在測(cè)試過(guò)程中，需要對(duì)測(cè)試儀器進(jìn)行初始化設(shè)置，包括儀器的數(shù)據(jù)更新速度、儀器描述符的設(shè)置、接線方式的選擇以及儀器輸入輸出電壓/電流量程的配置等;對(duì)于相同儀器下的測(cè)試項(xiàng)目，初始化程序基本一致，無(wú)需再作修改。因此，將這些初始化設(shè)置封裝成一個(gè)子VI(subVI)，并提供給該儀器的其他測(cè)試項(xiàng)目調(diào)用。

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 14549-93《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波及附錄D》推薦測(cè)量的諧波次數(shù)一般為2～19次。因此，實(shí)驗(yàn)選擇測(cè)量1～25次的諧波，主要測(cè)量以下六個(gè)參數(shù):諧波電壓值Uh(1≤h≤25，下同)、諧波電壓含有率HRUh(在本儀器測(cè)試參數(shù)中稱為諧波電壓失真因數(shù)Uhdf，同理，諧波電流為Ihdf)、諧波電流值Ih、諧波電流含有率HRIh、電壓總諧波畸變率THDu和電流總諧波畸變率THDi。在諧波測(cè)試程序的編寫(xiě)過(guò)程中，主要用到諧波配置和諧波數(shù)值的讀取等驅(qū)動(dòng)程序模塊。

圖4為YKWT1600諧波配置VI界面。

圖4 YKWT1600諧波配置VI界面Fig.4 YKWT1600 harmonics configuration VI interface

通過(guò)諧波配置VI，可設(shè)定測(cè)試的諧波次數(shù)(Min/Max Order)、諧波模式(Harmonics Mode)、測(cè)試對(duì)象(Object)、PLL源(PLL Source)、總諧波畸變率的計(jì)算方法(THD)和諧波窗大小(Harmonics Window)。諧波次數(shù)默認(rèn)最小為1次，最大可達(dá)100次，在本測(cè)試中，我們只測(cè)量1～25次的諧波，所以將Max Order設(shè)置為25;測(cè)試對(duì)象分為 SigmaA、SigmaB和SigmaC三種，根據(jù)接線方式的不同，選擇不同的測(cè)試對(duì)象;PLL源一般選擇與諧波測(cè)量對(duì)象信號(hào)同周期的信號(hào)，選擇畸變較少的輸入信號(hào)作為PLL源可使諧波測(cè)量更為穩(wěn)定，而且建議選擇與電流相比畸變較少的PLL源的電壓，所以，選擇默認(rèn) U1;對(duì)于 THD的計(jì)算，國(guó)內(nèi)一般選擇Fundamental(基波)為分母;諧波窗口選用默認(rèn)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為8192。

利用儀器控制技術(shù)，結(jié)合儀器驅(qū)動(dòng)程序和通信手冊(cè)的SCPI命令，在LabVIEW環(huán)境下完成諧波測(cè)試程序的編寫(xiě)。該程序既能夠?qū)崟r(shí)顯示所測(cè)諧波的數(shù)值大小，又能夠以柱狀圖的形式直觀地表達(dá)出各次諧波的諧波電壓和諧波電流的幅值，還可以對(duì)實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行暫停、保存操作，以供綜合評(píng)價(jià)系統(tǒng)調(diào)用分析，生成相應(yīng)的檢測(cè)報(bào)告。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文運(yùn)用儀器控制技術(shù)，以LabVIEW作為綜合測(cè)試系統(tǒng)的軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并構(gòu)建了一套電梯控制柜進(jìn)行綜合檢測(cè)與評(píng)價(jià)的測(cè)試系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了一臺(tái)PC機(jī)對(duì)多個(gè)測(cè)試儀器的控制，完成了控制柜性能的各項(xiàng)檢測(cè)。該方法既簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，又實(shí)現(xiàn)了控制柜性能的綜合檢測(cè)與評(píng)價(jià)，為評(píng)價(jià)電梯的安全性能提供了一種簡(jiǎn)便有效的檢測(cè)方法。

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