无人值守的温控器寿命与温漂综合测试系统

    摘要：本文使用NI公司的FieldPoint分布测控模块，建造一个无人职守的温控器寿命与温度漂移综合实验系统，彻底解决以往由于物理仪表及电器元件的故障导致实验失败的问题。

    关键词：现场测试 Fieldpoint

为了检测各生产批次不同型号温控器的加工、装配质量，进而考核其恒温特性，温控器生产厂家需要对其产品进行寿命、温漂实验。

寿命实验用于检测给定周期内，温控器双金属片、接点片弹力的变化情况，银接点的烧蚀程度，通、断电时间，以及接点片的跳变频率。

温漂实验用于考核给定时间内，温控器的温度浮动范围是否在给定界限内。要求检查温度的峰、谷值、均值和差值的变动情况。这两项实验要求长期不停机的运行。

传统的寿命实验过程是靠普通的继电器、鼓风机和齿轮式计数器实现的。由于长期频繁的启停动作，这些实验装置、元器件极易损坏。据统计，每个月毁损的实验元、器件约占本月整个实验装机量的三分之一。由此带来的经济损失十分严重。更为严重的后果是，元器件故障常常引起实验数据丢失，实验常常会因故停止或给出不合理的实验报告。

同样，传统的温漂实验是通过物理仪器如温度打点仪，依在纸带上打点的形式记录温度测量曲线。这种方式的缺点是需购买多台测量仪器，并配置大量的纸带；完全靠人工定时读取数据，因而误差较大；一旦出现故障如热电偶脱落，无法及时报警。

据此，温控器生产厂家提出了彻底改造发生两大实验系统的要求。在完全取消原有物理控制元、器件的基础上，新的寿命、温漂综合测试系统在功能上要求能自动统计测量数据资料，自动追综错误，自动出错报警并紧急拉闸，能监控大电流、高电压回路，自动定时开、关测量通道，抗干扰能力强，具有远程通信和分布式控制能力，能自动生成实验报告。测量通道数可视需要自由增减。在使用上要求人机界面简单，学习时间短，并能够作到无人值守。

方案设计

在工业自动化领域中，基于PC的自动化系统以其强大的数据处理能力、友好的人机操作界面以及富于柔性的接口扩展方式，打破了基于普通物理逻辑控制元件控制系统一统天下的格局，并逐渐占据了主导地位。越来越受到国民经济各个应用领域的欢迎和重视。

根据用户的要求，结合现今基于PC机的自动化技术发展实际，我们拟定了客户/服务器模式的系统设备和运行方案。从用户的操作习惯和应用系统的稳定性出发，确定主机操作系统为Windows NT Server 4.0，客户机操作系统为Windows 9X。编程平台采用NI的图形程序设计语言LabVIEW。

应用系统依客户/服务器模式将任务分解成两部分。实时控制与数据处理部分放在服务器端、过程监控、报告输出以及参数设定部分则放在客户端。这样可避免某些交互过程中实时控制可能产生的岔断作用。依据上述任务模型划分，将温控器寿命实验系统置于服务器端，这是因为寿命实验是实时的，系统要求必须能够在0.2秒之内对温控器的通断状态作出响应，以便确定是否需要接通冷却风阀或者紧拉闸。温漂实验的数据处理部分放在服务器端，报告输出、过程监控、参数与状态设定放在客户机一端。使用TCP/IP作为应用系统之间的数据通信协议，利用DCOM技术远程动态加载服务器端的数据处理，状态分析过程，一旦处理完成，则可动态卸载应用过程处理程序，以便节省内存空间。系统在体系结构上形成了分布式控制机制。

由于用户要求新的测试系统测量通道数量必须具备可扩充性，以备今后在不更改应用程序的情况下，能够按需增加测量任务，经考察决定在硬件上使用NI公司的FielelPoint作信号采集、处理设备。因为FiddPoint是模组的形式构造测量点，因此在测量通道数量的增减方面具有很大的灵活性。并且该设备支持热拔插。在出现故障时，用户可即时更换故障模块而无须关闭电源，保证了系统工作的连续性。针对不同的测量需求，FieldPoint提供了模拟、数字信号I/O模块。为实现远程控制，使用支持RS-485协议的通信模块作为主机与测量模块之间的信号传输媒介。利用工厂现有的局域网建立客户机、主机之间星形工业控制网络拓扑结构。为避免网络广播信息对客户机上过程监控系统的干扰，需要为工控网络建立独立的域。

方案实施

依据应用系统的设计方案，我们提出了实施计划。考虑到温控器寿命实验回路电流、电压均为非标准值，例如，有的实验电流、电压为15A 125V，有的则要求10A 250V。因此，在信号接入FP模块之前，进行了必要的信号调理。

使用FP-AI-110模拟输入模块要集回路中温控器的通断状态并监测电路负载有无损坏，用FP-RLY-420单刀单掷继电器模块控制鼓风机以决定是否对发热盘进行吹风冷却。实际应用中，我们对该继电路模块加入了暂态过程保护电路，并引入压缩空气取代原来的鼓风机，使冷却效果更佳。用FP-DO-401离散输出模块取代物理电源开关，实现用软件的一致性。使用FP-TC-120热电偶模块采集温漂实验对象的温度。为防止电磁信号对温度测量的干扰，我们在热电偶的冷端使用了屏蔽电容。使用NI的AT-485串行界面卡作为主机与支持485通信协议的网络模块FP-1001之间的传输控制接口，确保数据通信的可靠性。用无触点的固态继电器（SSP）取代寿命实验中易损坏的普通继电器，保证实验过程的连续性。

由于温漂、寿命实验需要24小时不停机的连续测试，普通的PC机不能承受这样的负荷，故选用工业计算机作为服务器主机。在测试回路电源开关控制方面，使用了本地与远程相结合的软件控制方式，用户可以就近接通、关闭测量通道电源。为避免无关人员的恶意操作，采用密钥机制对控制开关操作予以保护，保证系统安全运行。

对于温漂实验，为降低环境和电磁噪声干扰，除了在热电偶的冷端连入屏蔽电容外，我们还对调压设备使用了屏蔽保护罩，同时将原来的敞开式实验台架更换成封闭式，避免了流动空气对测量点的影响，利用LabVIEW所提供的低通滤波器并施以Z变换，使系统能准确拾取到各个时刻温度的峰谷值。

充分利用FieldPoint 的Watch Dog、Snapshot功能，监视各I/O模块的错误信息。一旦FieldPoint网络报错，应用系统坷立即保存测量数据和故障时刻并终止程序的运行过程。下一次启动系统时，可依故障时刻自动计算出实验中断时间。用户可据此回溯整个实验过程的故障历史记录。

系统设计的另一个目标就是使用户的学习时间最短和无人值守。本着这个原则，系统在设计时首先采用了简化人机交互过程的方法，即尽可能的将交互信息安排在一个操作界面内，做到一目了然。利用安装（Install）的方式将各种系统配置文件、动态链接库打包到目的路径中，并生成注册信息。因此，用户无须对应用系统进行特别的维护。，事实上，用户对本系统的学习时间只要1天。其次，利用LabVIEW提供的多线程功能和对不同优先线的应用程序的支持，将数据处理引擎置于后台，这样既保证了应用程序的执行效率，又使用户可专注于前台的监控处理。

当系统接收到错误消息时，可根据其发生时间来决定是否振铃报警或自动切断电源。各个通道的监控、分析引擎是相互独立的，用户可任意加载/卸载某一通道的引擎而还会影响其它通道的正常工作。为了能自动拾取到各个时刻的测试峰、谷值，以便据此计算出温度漂移量，系统采用了自适应模式匹配机制，每天定时开关电源，并自动采集温度测量值。若遇较大的干扰。比如发生热电偶脱落或浮贴现象，系统会及时报警，以使操作人员能及时排除故障。

结束语

FieldPoint为设计工业自动化网络尤其是大型分布控制系统提供了经济的解决方案。其良好的工况适应能力、工作可靠性、抗干扰能力，给我们留下了深刻的印象。