CN102520349B

CN102520349B - 一种多档开关性能自动检测系统及检测方法

Info

Publication number: CN102520349B
Application number: CN201110450459.8A
Authority: CN
Inventors: 陈雪勤; 赵鹤鸣; 王莉; 刘正; 蒋常炯
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou Better Detection Technology Co Ltd
Priority date: 2011-12-29
Filing date: 2011-12-29
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2031-12-29
Also published as: CN102520349A

Abstract

本发明公开了一种多档开关性能自动检测系统，其特征在于：包括开关的夹具单元、开关旋转电机单元、测试用电路单元、PLC控制单元、电源控制单元及人机交互单元，测试用电路单元的检测端与待测开关连接，测试用电路单元的输出端与PLC控制单元连接，PLC控制单元的控制端与测试用电路单元的输入端连接；其方法：在各档位通过测试用电路单元测得各触点导通电阻、开路电阻，由对应的恒定电流换算出电压，与由PLC控制单元提供的基准电压进行比较，判定结果输出至PLC控制单元；本发明由测试用电路单元对多档开关每一触点的导通、开路电阻进行测试，并转换为电压测试，实现对多档开关电性能的自动测试。

Description

一种多档开关性能自动检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及一种开关测试系统及方法，尤其涉及一种多档开关性能自动检测系统及检测方法。

背景技术

在目前的工业控制，智能家居和物联网控制系统中，经常会集中使用若干个多路开关来控制多路系统，因此实现此类功能的多档开关使用越来越频繁。而在现代生产过程中，为了保证产品质量，开关必须进行各种性能测试，即对开关的机械性能、电性能以及产品寿命（可正常使用的次数）等各方面进行测试。现在不仅是生产厂家对于开关产品的测试和品质保证有具体的要求，而且开关的使用者也会对采购的开关部件根据自己的需求进行品质检查。

现在已经有了一些开关测试系统，如开关的机械特性测试，高压开关的性能测试等，分别对产品的机械性能和高压电气性能进行测试，一般利用气缸及凸轮原理进行测试，也有一些开关寿命测试系统，利用人工或加上计数器方式进行测试。

以上检测的不足之处：大部分测试系统的重点在于机械性能测试，设计用于拨动开关、按钮开关、拉线开关的测试，或者简单的开关通断性的测试，对于较精确的开关的电性能测试（即：判断控制开关的接触电阻或开路电阻是否在一定合格范围）还没用较好的方法，而且对于开关的寿命测试处于手工或半手工测试状态，对于连续多档位的旋转或拨动开关的自动化测试则没有涉及。

发明内容

本发明的发明目的是提供一种多档开关性能自动检测系统及检测方法，使用该检测系统可对多档开关性能进行检测，且自动实现，无需人工干预，自动化程度高，测试精度高，检测方便，适用范围较广。

为达到上述发明目的，本发明采用的技术方案是：一种多档开关性能自动检测系统，包括装有待测开关的夹具单元、开关旋转电机单元、测试用电路单元、PLC控制单元、电源控制单元及人机交互单元，所述开关旋转电机单元由夹持件、步进电机及电机驱动单元构成，所述夹持件与待测开关上的开关手柄夹持配合，所述电机驱动单元的控制端与所述PLC控制单元的信号输出端连接，电机驱动单元的输出端与所述步进电机连接，所述步进电机的输出轴与所述夹持件连接；所述测试用电路单元的检测端与所述待测开关连接，测试用电路单元的输出端与所述PLC控制单元连接，所述PLC控制单元的控制端与所述测试用电路单元的输入端连接；所述开关旋转电机单元、测试用电路单元的电源端分别与所述电源控制单元连接；所述PLC控制单元通过串行数据通信接口与一人机交互单元连接。

上述技术方案中，包括一气缸移动控制单元，所述气缸移动控制单元的气体导入处设有一个气体开关，该气体开关的电源端与所述电源控制单元连接，所述气缸移动控制单元主要由夹具移动气缸和电机移动气缸构成，所述夹具移动气缸的输出端与所述夹具单元连接，其控制端经一电磁阀与所述PLC控制单元连接，所述电机移动气缸的输出端与所述开关旋转电机单元连接，其控制端经一电磁阀所述PLC控制单元连接。

进一步的技术方案为，所述气缸移动控制单元还包括一针形气缸，该针形气缸的输出端与所述待测开关的开关手柄连接，控制端经一电磁阀与所述PLC控制单元连接。

上述技术方案中，所述电源控制单元由启动按钮、停止按钮和紧急按钮及一继电器组成，继电器输入回路、启动按钮、停止按钮和紧急按钮串联于火线上，一路继电器输出回路并联于所述启动按钮上，另一路继电器输出回路串接于火线上，所述气体开关与停止按钮及紧急按钮构成联动开关。紧急按钮保证任何异常发生时，作业人员只要按下此按钮，整个系统都会停止工作，紧急按钮与停止按钮联动，当按下按钮时，电源断开，此气体开关打开，把压缩空气放出，避免气缸压伤人体或损坏其它物品。

上述技术方案中，所述测试电路单元包括复数个放大电路及复数个导通比较电路、开路比较电路，由一恒流源电路为所述测试电路单元提供恒流源，所述恒流源电路由导通电阻恒流源和开路电阻恒流源组成；所述放大电路、导通比较电路及开路比较电路的个数分别与待测开关的档位个数相对应，每一所述放大电路经一单刀双掷开关分别与导通电阻恒流源和开路电阻恒流源连接，所述放大电路的输出端经一单刀双掷开关分别与所述导通比较电路、开路比较电路连接，每一单刀双掷开关的控制端与所述PLC控制单元的控制端连接，所述导通比较电路及开路比较电路的比较电压分别与所述PLC控制单元连接。

上述技术方案中，包括一凸轮装置，所述步进电机的输出轴与该凸轮装置连接，所述凸轮装置输出端与所述夹持件连接。通过凸轮装置的设置，将步进电机输出轴输出的旋转运动转换成直线运动，从而带动直行拨档式开关进行多档位的测试，扩大了使用范围。

本发明采用的方法技术方案是：一种多档开关性能自动检测方法，其操作步骤为：

⑴ 将待测开关置于夹具单元上，并通过人机交互单元在PLC控制单元上设置待测开关相应的各种参数；

⑵ 开关旋转电机单元中的夹持件与待测开关上的开关手柄配合；

⑶ 根据PLC控制单元对电机驱动单元发出的控制指令来驱动步进电机，进行各档位的逐个自动换档；

⑷ 在每一档位时，通过测试用电路单元测得各触点导通电阻、开路电阻，由对应的恒定电流换算出电压，与由PLC控制单元提供的基准电压进行比较，判定结果输出至PLC控制单元，由人机交互单元显示；

当需要进行待测开关的寿命测试时，由人机交互单元向PLC控制单元输入循环次数及不良次数限额，重复执行步骤⑶～⑷，如果发生的不良次数超过设定的标准时，整个系统根据设定，作业自动停止并进行报警通知作业人员。

上述技术方案中，设置气缸移动控制单元，在所述步骤⑴与⑵之间，由PLC控制单元控制电磁阀打开，夹具移动气缸压缩空气把装有待测开关的夹具单元移动到测试位置，然后驱动针形气缸把待测开关的开关手柄复位到指定位置，确保测试顺序的一致性。

上述技术方案中，恒定电流源由导通电阻恒流源和开路电阻恒流源组成，开关手柄由步进电机旋转进入第一档位，此位置包含两个时序，首先由PLC控制单元进入时序1的状态，恒流源提供导通电阻恒流源电源，触点1导通，其它触点都开路，此时测试得到的是触点1的导通电阻，根据V=I×R公式，得到了对应的测试电压，用电压比较器将该测试电压与PLC控制单元的标准电压进行比较后，判断导通电阻是否合格；然后保持在第一档位，由PLC控制单元进入时序2，测试恒流源提供开路电阻恒流源电流，对触点2到触点n的开路电阻进行合格性判断；然后由PLC控制单元驱动步进电机旋转开关手柄进入第二档位，进入时序3，提供导通电阻恒流源电源，对触点2的导通电阻合格性进行测试，再进入时序4，提供开路电阻恒流源电流，对除触点2以外的所有触点进行开路电阻合格性测试；如此顺序对所有触点进行测试，完成对最后一个触点n的测试，时序为2n-1,2n后，即完成一个所述步骤⑷的测试。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

1．本发明由PLC控制单元控制开关旋转电机单元拨动开关档位，测试用电路单元分别测试各触点导通电阻、开路电阻，由对应的恒定电流换算出电压，与由PLC控制单元提供的基准电压进行比较，判定结果输出至PLC控制单元，并由人机交互单元显示，从而实现对多档开关各触点上导通电阻及开路电阻的检测，获得开关电性能及寿命的测试数据，整个测试过程由PLC控制单元控制，测试精度高，无需人工干预；

2．通过人机交互单元对PLC控制单元中各参数的设置，选择适当的夹具单元，就能进行多种开关的电性能测试以及产品寿命测试，同时通过选择凸轮装置的安装与否，可适用于旋转拨档及直行拨档两类多档开关，用适用范围较广；

3．采用导通电阻恒流源及开路电阻恒流源两种恒流源，分别测得各个触点的待测电阻（当前闭合触点的接触电阻和其余开路触点的开路电阻）上的电压，通过调理电路放大，取得合适的电压，再和设定的标准电压进行比较，从而能准确、清晰的判断其合格性，测试精确性高；

4．设置了较容易接触到的紧急按钮，当工作过程中有异常状况发生，如气缸夹住了作业员的手或杂物等异常情况时，作业员按下紧急按钮，不仅能使输出电源中断，而且启动了气体开关，把气缸中的残留气体放出，这样就避免了事故的发生；

5．通过设置针形气缸，将多档开关的开关手柄复位到指定位置，能保证测试顺序的正确性以及避免造成对待测开关的损伤。

附图说明

图1是本发明实施例一的工作流程图；

图2是本发明实施例一中多档开关工作示意图；

图3是本发明实施例一的测试用电路单元电路原理图；

图4是本发明实施例一中导通电阻恒流源电路图；

图5是本发明实施例一中开路电阻恒流源电路图；

图6是本发明实施例一中气缸移动单元原理框图；

图7是本发明实施例一中电源及安全单元电路原理框图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：参见图1～7所示，一种多档开关性能自动检测系统及检测方法，包括装有待测开关的夹具单元、气缸移动控制单元、开关旋转电机单元、测试用电路单元、PLC控制单元、恒流源电路、电源控制单元及人机交互单元：

所述气缸移动控制单元的气体导入处设有一个气体开关，该气体开关的电源端与所述电源控制单元连接，所述气缸移动控制单元主要由夹具移动气缸、电机移动气缸和针形气缸构成，所述夹具移动气缸的输出端与所述夹具单元连接，其控制端经一电磁阀与所述PLC控制单元连接，所述电机移动气缸的输出端与所述开关旋转电机单元连接，其控制端经一电磁阀所述PLC控制单元连接，所述针形气缸的输出端与所述待测开关的开关手柄连接，控制端经一电磁阀与所述PLC控制单元连接。如图6所示，首先有工厂压缩气体输入口21输入压缩气体，经过气压调整单元22，此单元的作用是调节气压使之符合气缸使用的范围，调节过的气体通过气体开关23，这个气体开关和紧急按钮联动，当按下紧急按钮时，电源断开，此气体开关立刻起作用，把气缸中的压缩空气放出，避免气缸压伤人体或损坏其它物品。通过气体开关后，分为多路，分别经不同的电磁阀控制来实现控制气缸的移动，电磁阀的控制信号是由PLC控制单元给出的。

使用夹具移动气缸27把装有待测开关的夹具单元1移动到测试位置后，利用一个针形气缸28把开关进行复位，也即把旋转开关（或拨动开关）的开关手柄复位到指定位置，保证测试顺序的正确性以及避免造成对待测开关的损伤，复位完成后，利用电机移动气缸29把控制开关旋转的步进电机单元4移动到测试开关的上方，然后就能进入性能测试步骤了。

如图3所示，所述测试电路单元包括3个放大电路及3个导通比较电路、3个开路比较电路，由一恒流源电路为所述测试电路单元提供恒流源，所述恒流源电路由导通电阻恒流源和开路电阻恒流源组成；所述放大电路、导通比较电路及开路比较电路的个数分别与待测开关的档位个数相对应，每一所述放大电路经一单刀双掷开关分别与导通电阻恒流源和开路电阻恒流源连接，所述放大电路的输出端经一单刀双掷开关分别与所述导通比较电路、开路比较电路连接，每一单刀双掷开关的控制端与所述PLC控制单元的控制端连接，所述导通比较电路及开路比较电路的比较电压分别与所述PLC控制单元连接。

所述电源控制单元，如图7所示，在火线L上串联了一个启动按钮、停止按钮、紧急按钮和一个继电器的输入回路，继电器的一个输出回路RY1B并联在启动按钮上，另外一个输出回路RY2B控制电源输出火线的通断。启动的工作过程如下，平时继电器的输出回路不起作用，也就是系统的电源是不通的，当按下启动按钮后，火线L形成通路，继电器触发，两个输出回路都跳到常开触点上，形成通路，此时，启动按钮复位，不再起导通作用，但由于并联的继电器回路已经形成了通路，所以继电器继续工作，电源就能正常输出。当按下停止按钮时，火线L形成断路，继电器工作中断，这样电源的输出就中断了。

性能测试具体方法为：

如图1所示，先通过人机交互单元进行PLC控制单元的相关参数选择和设置，把待测多档旋转开关装载到合适的夹具单元1上。双手按下测试开始开关，首先利用气缸移动控制单元2把装有待测开关的夹具单元1移动到测试位置并进行开关复位，移动控制功能的实现是由PLC控制单元控制的气缸利用压缩空气来驱动机构做直线往复运动来实现的。然后使开关旋转步进电机的夹具能正好控制住开关手柄，根据PLC控制单元7对步进电机驱动单元3发出的控制指令来驱动步进电机，进行多档开关的逐个自动换挡，实现在各个档位时，对应的各个触点的导通电阻和开路电阻进行合格性的判断，此合格性的判断是由恒流源电路9提供恒定的电流，在测试用电路单元5中，根据各个触点的导通电阻和开路电阻换算成电压，通过和基准电压（测试标准）进行比较，比较结果由PLC控制单元7通过RS232接口输出到人机交互单元8进行输出显示，人机交互单元8使用LCD触摸屏，可以对测试标准以及测试速度、测试型号以及测试次数等测试进行设定，并实时显示目前的测试状态和测试结果。

当需要进行多档开关的寿命测试时，只需设定以上测试过程的循环次数，由本系统自动进行测试，如果发生不良时，整个系统根据设定，作业自动停止并进行报警通知作业人员。

如下为测试时序图：

本测试系统开始后，开关手柄由步进电机旋转进入位置1，此位置包含两个时序，首先由PLC控制单元控制进入时序1的状态，此时恒流源提供50mA的导通电阻电流，触点1导通，其它触点都开路，此时测试得到的是触点1的导通电阻，根据V=I×R公式，得到了对应的测试电压，用电压比较器与标准电压（预设在PLC控制单元内）进行比较后，判断导通电阻是否合格。然后保持在位置1，由PLC控制单元控制进入时序2，测试恒流源提供2uA的开路电阻电流，对触点2到触点n的开路电阻进行合格性判断。然后由PLC控制单元控制步进电机旋转开关手柄进入位置2，进入时序3，提供50mA的导通电阻电流，对触点2的导通电阻合格性进行测试，再进入时序4，提供2uA的开路电阻电流，对除触点2以外的所有触点进行开路电阻合格性测试。如此顺序对所有触点进行测试，完成对最后一个触点n的测试（时序为2n-1,2n）后，即完成一个循环的测试。

在本实施例中，给出以3档（4脚）的旋转开关的测试过程，参见图2所示，在初位置时开关手柄复位，所有触点都没有导通，开关手柄进入位置1时，PIN1和PIN2形成触点1导通，其它触点仍旧断开，开关手柄进入位置2时，PIN2和PIN3形成触点2导通，其它触点仍断开。结合图3所示，首先对输入信号和输出信号进行说明，输入信号有PLC OUT1以及PLC-DA0和PLC-DA1：由PLC控制单元根据时序给出的PLC OUT1这个信号负责切换所有测试电路中的开关，而PLC-DA0和PLC-DA1分别是由PLC提供的基准电压，用于合格性的判断。开关手柄在各个测试位置，都会输出导通电阻和开路电阻判断的合格性信号进入PLC控制单元,根据程序设置，在人机交互单元进行显示，即PLC IN1～PLC IN3 是判断3个触点导通电阻合格性的信号，PLC IN5～PLC IN7是判断3个触点开路电阻合格性的信号。AD620是一种低功耗的仪用放大器，特别适合做小信号的运算放大级，经AD620放大后的小信号失真度很小，根据输入端的接入电阻值不同可变更放大增益从1～10000。如本图中，如果AD620的1脚和8脚之间开路时，放大倍数为1，而图中默认状态为接入了49.9欧姆的电阻，根据此芯片的原理，此时的放大倍数是1000。LM339是一个比较器，每个比较器有两个输入端和一个输出端，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。

当进入时序1时，我们只采集PLC IN1这个信号，判断出触点1的导通电阻。由PLC输出的电路开关切换信号PLC OUT1使电路中的单刀双掷开关都处于如图的位置，此时恒流源50mA接入电路，PIN1和PIN2之间的触点1闭合，此时触点1合格的导通电阻应该小于100mΩ，（假设值为100mΩ），则AD620的两端输入电压为100mΩ×50mA=5mV，此时的AD620输出电压V0就是5mV×1000=5V，根据电路原理，输出电压V0随着导通电阻的增加而增加，此电压作为U6B这个比较器LM339的同相输入端，而反向输入端的输入V_ref0就是PLC-DA0这个基准电压，如果V₀ <V_ref0,则LM339输出低电平，光电耦合器4N31的输入是低电平时，光耦不工作，所以PLC IN1没有输出，此情况下，PLC根据此信号认为此导通电阻合格，如果导通电阻较大，使AD620的输出电压V0 >V_ref0,此时LM输出高电平，光电耦合器4N31的输入是高电平时，光耦输入端的发光二极管导通，所以光耦的输出PLC IN1就是高电平，说明此导通电阻不合格。此时触点2和触点3都处于开路状态，所以我们根据电路原理，此时AD620的输入电压为20Ω×50mA=1V，通过1000倍的放大，输出超过了极限15V，此时AD620的输出电压V₀ 肯定大于V_ref0，所以光耦的输出PLC IN1就是高电平，说明此导通电阻不合格并进行显示，这个判断当然符合实际情况，所以在时序1时，触点2和触点3的情况我们不进行判断。

当进入时序2时，我们只需得到PLC IN6和PLC IN7这两个信号，判断出除触点1以外触点的开路电阻是否合格。由PLC输出的电路开关切换信号PLC OUT1使电路中的单刀双掷开关全部进行切换，此时恒流源2uA接入电路，PIN1和PIN2之间的触点1仍旧闭合，其余触点全部开路，所以我们以触点2为例进行说明：合格的开路电阻应该大于10MΩ，可能超过100MΩ以上，和1MΩ的电阻并联后，基本就等于或略小于1M（假设值为0.5MΩ）,则AD620的两端输入电压为0.5MΩ×2uA=1V，此时的AD620的放大倍数为1，所以输出电压V1就是1V×1=1V，此电压作为U6C这个比较器LM339的同相输入端，而反向输入端的输入V_ref1就是PLC-DA1这个基准电压，如果V₁ <V_ref1,则LM339输出低电平，光电耦合器4N31的输入是低电平时，光耦不工作，所以PLC IN6没有输出，此情况下，PLC根据此信号判定开路电阻不合格。当开路电阻很大，则V₁会随着开路电阻的增加而增加，当V₁ >V_ref1时,则LM339输出高电平，光电耦合器4N31的输入是高电平时，光耦正常工作，所以PLC IN6输出高电平，此情况下，PLC根据此信号判定开路电阻合格并进行显示。当然触点3的开路电阻的测量原理也相同，能得到PLC IN7的输出判断信号并进行显示。

如图4、5所示，我们采用运算放大器AD711和P沟道MOS管BS250构成此恒流源，我们以50mA的导通电阻恒流源为例来进行功能说明，首先运放的同相输入端口3输入的电压V+为设定的参考电压Vref=15V×R27/(R26+R27)=5V,根据运放的原理，此时反向输入端口2的电压V-=V+=5V,所以流经R30的电流就是I=(15V-5V)/200Ω = 50mA，通过BS250这个MOS管进行输出，实现了50mA电流的输出，并且输出电阻实现了最大化。假设电流发生了变化，如果设电流略大于了50mA,即I↑，此时R30上的压降增大，所以运放的反向输入端口2的电压V-会小于5V，即V-↓,而运放的同相输入端口3输入的电压V+仍旧为5V，所以根据运放的原理，当V+>V-时运放的输出端口6的电压VO将上升，由于Q1采用的BS250是P沟道MOS管，所以Q1的V23↓将会导致Q1的导通能力变弱，阻碍了电流I，则电流I会下降，恢复到50mA，才结束这个实现恒流过程，反之亦然。而2uA恒流源的实现是根据公式I=(15V-15V×140/（140+10）)/500kΩ=2uA而得到的。

Claims

1. 一种多档开关性能自动检测系统，其特征在于：包括装有待测开关的夹具单元、开关旋转电机单元、测试用电路单元、PLC控制单元、电源控制单元及人机交互单元，所述开关旋转电机单元由夹持件、步进电机及电机驱动单元构成，所述夹持件与待测开关上的开关手柄夹持配合，所述电机驱动单元的控制端与所述PLC控制单元的信号输出端连接，电机驱动单元的输出端与所述步进电机连接，所述步进电机的输出轴与所述夹持件连接；所述测试用电路单元的检测端与所述待测开关连接，测试用电路单元的输出端与所述PLC控制单元连接，所述PLC控制单元的控制端与所述测试用电路单元的输入端连接；所述开关旋转电机单元、测试用电路单元的电源端分别与所述电源控制单元连接；所述PLC控制单元通过串行数据通信接口与一人机交互单元连接；

所述测试电路单元包括复数个放大电路及复数个导通比较电路、开路比较电路，由一恒流源电路为所述测试电路单元提供恒流源，所述恒流源电路由导通电阻恒流源和开路电阻恒流源组成；所述放大电路、导通比较电路及开路比较电路的个数分别与待测开关的档位个数相对应，每一所述放大电路经一单刀双掷开关分别与导通电阻恒流源和开路电阻恒流源连接，所述放大电路的输出端经一单刀双掷开关分别与所述导通比较电路、开路比较电路连接，每一单刀双掷开关的控制端与所述PLC控制单元的控制端连接，所述导通比较电路及开路比较电路的比较电压端分别与所述PLC控制单元连接。

2. 一种采用权利要求1所述多档开关性能自动检测系统的多档开关性能自动检测方法，其操作步骤为：

当需要进行待测开关的寿命测试时，由人机交互单元向PLC控制单元输入循环次数及不良次数限额，重复执行步骤⑶～⑷，如果发生的不良次数超过设定的标准时，整个系统根据设定，作业自动停止并进行报警通知作业人员；

恒流源电路由导通电阻恒流源和开路电阻恒流源组成，开关手柄由步进电机旋转进入第一档位，此位置包含两个时序，首先由PLC控制单元进入时序1的状态，恒流源电路提供导通电阻恒流源电源，触点1导通，其它触点都开路，此时测试得到的是触点1的导通电阻，根据V=I×R公式，得到了对应的测试电压，用导通比较电路中的电压比较器将该测试电压与PLC控制单元的基准电压进行比较后，判断导通电阻是否合格；然后保持在第一档位，由PLC控制单元进入时序2，测试恒流源提供开路电阻恒流源电流，对触点2到触点n的开路电阻进行合格性判断；然后由PLC控制单元驱动步进电机旋转开关手柄进入第二档位，进入时序3，提供导通电阻恒流源电源，对触点2的导通电阻合格性进行测试，再进入时序4，提供开路电阻恒流源电流，对除触点2以外的所有触点进行开路电阻合格性测试；如此顺序对所有触点进行测试，完成对最后一个触点n的测试，时序为2n-1,2n后，即完成一个所述步骤⑷的测试。