CN107623978A - 可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光电控制技术领域，具体涉及一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置及方法。可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置包括上位工控机、可编程逻辑控制器和一个或者多个氙灯控制单元；上位工控机通过通讯线缆与可编程逻辑控制器的通讯模块相连，可编程逻辑控制器与氙灯控制单元相连。本发明利用可编程逻辑控制器的I/O端口控制交流接触器、继电器工作，进而控制氙灯电源、冷却风扇、氙灯触发器等工作，从而实现了风冷型长弧氙灯的自动化操作。

Description

可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置及方法

技术领域

本发明属于光电控制技术领域，具体涉及一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置及方法。

背景技术

长弧氙灯是一种在管状石英泡壳内充有适量高纯度氙气、两端封有极距大于100mm的钍钨、钡钨或铈钨电极的氙灯。长弧氙灯的辐射光谱与太阳光光谱接近，适于需要模拟太阳光光照的相关领域，如:油漆与油墨的干燥、老化褪色实验、木材干燥、纸张干燥、汽车烤漆等，特别的，大功率的长弧氙灯阵列可用于太阳能板的地面模拟测试。

由于长弧氙灯工作时发热量较大，通常需要给氙灯配备冷却设备，冷却方式包括水冷型和风冷型。功率在3000W～5000W的长弧氙灯通常采用风冷的冷却方式。对于风冷型长弧氙灯，为了保证其正常点亮，需要分别在冷却风扇、触发器与氙灯两端电极加载电压，而且电压的加载需要规定的顺序(通常需要先在氙灯两端加载电压，间隔规定时间后，再开启氙灯触发器从而点亮氙灯)。另外，这些需要加载的电压一般都比较高，比如，氙灯的触发器输入电压一般为市电220VAC，输出电压在200V～600V之间，又如，电极两端的输入压降一般在75V±15V左右。通常操作单个氙灯时，需要人工通过闸刀上电等方式操作，这样具有很大的危险性和不确定性，具体体现在：首先，开启氙灯工作的操作电压都远超人体安全电压，这样操作人员在操作过程中就存在很大安全隐患，比如操作人员的误触碰等。其次，氙灯开启的加电过程有一定的时序要求，人员操作时通常根据经验加电，有一定的误操作几率，容易损坏氙灯或降低使用寿命。特别的，对于大规模应用的氙灯阵列而言，对于人员操作就有更高的要求，也更加的危险。所以，需要一套自动化控制装置，满足氙灯控制的复杂性与安全性要求。

发明内容

本发明目的是提供一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置及方法，解决了现有的人工操作方法难以满足氙灯控制的复杂性与安全性要求的技术问题。

本发明的技术解决方案是：一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特殊之处在于：包括上位工控机、可编程逻辑控制器和一个或者多个氙灯控制单元；所述上位工控机通过通讯线缆与可编程逻辑控制器的通讯模块相连，所述可编程逻辑控制器与氙灯控制单元相连；

所述氙灯控制单元包括交流接触器、氙灯电源、冷却风扇、氙灯触发器和三个继电器；所述氙灯电源的输入端通过交流接触器接入外部电源，氙灯电源的输出端与氙灯相连；所述交流接触器通过第一继电器接入外部电源，所述冷却风扇通过第二继电器接入外部电源，所述氙灯触发器通过第三继电器接入外部电源，氙灯触发器的输出端与氙灯相连；所述可编程逻辑控制器分别通过第一继电器、第二继电器和第三继电器接入继电器控制电源。

进一步地，上述交流接触器包括三个常开型触点开关和一个交流接触器控制器，所述交流接触器控制器用于控制交流接触器内常开型触点开关的打开和闭合。

进一步地，上述氙灯电源的输入端通过交流接触器的三个常开型触点开关接入外部电源。

进一步地，上述可编程逻辑控制器上设置有一个COM端口和多个I/O端口，所述COM端口接入继电器控制电源，所述I/O端口与继电器相连；

进一步地，上述继电器包括一个常开型触点开关和一个继电器控制器，所述继电器控制器用于控制继电器内常开型触点开关的打开和闭合；

第一继电器的常开型触点开关一端接入外部电源，第一继电器的常开型触点开关另一端与交流接触器控制器一端相连，交流接触器控制器的另一端接入外部电源；第一继电器的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第一I/O端口相连，第一继电器的继电器控制器另一端接入继电器控制电源；

第二继电器的常开型触点开关一端接入外部电源，第二继电器的常开型触点开关另一端与冷却风扇的一个电源输入端口相连，冷却风扇的另一个电源输入端口接入外部电源；第二继电器的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第二I/O端口相连，第二继电器的继电器控制器另一端接入继电器控制电源；

第三继电器的常开型触点开关一端接入外部电源，第三继电器的常开型触点开关另一端与氙灯触发器的一个电源输入端口相连，氙灯触发器的另一个电源输入端口接入外部电源；第三继电器的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第三I/O端口相连，第三继电器的继电器控制器另一端接入继电器控制电源。

进一步地，上述可编程逻辑控制器还包括DA模块，所述DA模块与氙灯电源的电压调节端口相连。

进一步地，上述外部电源为380V三相交流电源，所述继电器控制电源为24V直流电源。

本发明还提供一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制方法，其特殊之处在于：包括控制氙灯点亮和控制氙灯关闭的方法；

控制氙灯点亮的方法包括以下步骤：

上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送氙灯点亮指令；

可编程逻辑控制器使第二继电器接通继电器控制电源，第二继电器使冷却风扇接通外部电源，冷却风扇对氙灯进行风冷降温；

可编程逻辑控制器使第一继电器接通继电器控制电源，第一继电器使交流接触器接通外部电源，交流接触器使氙灯电源接通外部电源，氙灯电源向氙灯输出工作电压；

可编程逻辑控制器使第三继电器接通继电器控制电源，第三继电器使氙灯触发器接通外部电源，氙灯触发器向氙灯输出触发电压；

可编程逻辑控制器使第三继电器与继电器控制电源断开，第三继电器使氙灯触发器与外部电源断开，氙灯点亮；

控制氙灯关闭的方法包括以下步骤：

上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送氙灯关闭指令；

可编程逻辑控制器使第一继电器与继电器控制电源断开，第一继电器使交流接触器与外部电源断开，交流接触器使氙灯电源与外部电源断开，氙灯电源停止工作电压的输出，氙灯关闭；

氙灯灯管冷却后，上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送冷却风扇关闭指令；

可编程逻辑控制器使第二继电器与继电器控制电源断开，第二继电器使冷却风扇与外部电源断开，冷却风扇停止工作。

进一步地，上述可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制方法还包括控制氙灯亮度调节的方法；

控制氙灯亮度调节的方法包括以下步骤：

上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送亮度调节指令，可编程逻辑控制器的DA模块向氙灯电源的电压调节端口输出控制电压，氙灯电源根据输入的控制电压改变向氙灯输出的工作电压，实现对氙灯亮度的调节。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用可编程逻辑控制器的I/O端口控制交流接触器、继电器工作，进而控制氙灯电源、冷却风扇、氙灯触发器等工作，从而实现了风冷型长弧氙灯的自动化操作。

(2)本发明利用可编程逻辑控制器的多个I/O端口以及I/O端口的可扩展性，实现了氙灯控制系统的可扩展性，便于组建大规模风冷型长弧氙灯阵列。

(3)本发明利用通讯电缆连接上位工控机和可编程逻辑控制器，操作人员通过上位工控机操作氙灯阵列，从而物理隔离操作人员与氙灯控制系统的接触，具有较高的操作安全性，保障了操作人员的安全。

附图说明

图1为本发明可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置示意图。

图2为本发明可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置的扩展效果示意图。

图3为本发明可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置的上位机控制软件可视化界面。

附图标记如下：1-上位工控机，2-可编程逻辑控制器，21-通讯模块，22-COM端口，23-I/O端口，231-第一I/O端口，232-第二I/O端口，233-第三I/O端口，24-DA模块，3-交流接触器，31-交流接触器常开型触点开关，32-交流接触器控制器，4-氙灯电源，5-冷却风扇，6-氙灯触发器，7-继电器，71-第一继电器，72-第二继电器，73-第三继电器，74-继电器常开型触点开关，75-继电器控制器，8-氙灯，9-外部电源，10-继电器控制电源，11-氙灯控制单元。

具体实施方式

本发明提供了一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置及方法，该装置主要分为上位机部分和下位机部分。上位机部分包括一台具有串行总线接口的工控机，工控机上搭载基于windows系统的控制软件，下位机部分以可编程逻辑控制器(PLC)、氙灯控制单元与供电系统为核心，上、下位机通过通用串行总线通信。上位机通过软件发送氙灯相关操作指令，操作指令通过串行总线传输给下位机，下位机解析指令后执行氙灯的相应操作。连接上下位机的通用串行总线的通讯距离通常设置为10m～15m，氙灯操作人员只需操作上位机软件发送指令，就可以控制氙灯阵列的相关操作，从而将操作人员与强电隔离，在提高安全性的同时也提高了操作的便捷性。

如图1所示，本发明较佳实施例的结构主要包括上位工控机1、可编程逻辑控制器2和一个或者多个氙灯控制单元11；上位工控机1通过通讯线缆与可编程逻辑控制器2的通讯模块21相连，可编程逻辑控制器2与氙灯控制单元相连；通讯线缆的长度控制在10m～15m之间，采用多芯屏蔽线缆，以保证通讯的可靠性。

氙灯控制单元包括交流接触器3、氙灯电源4、冷却风扇5、氙灯触发器6和三个继电器7；氙灯电源4的输入端通过交流接触器3接入外部电源9，氙灯电源4的输出端与氙灯8相连；交流接触器3通过第一继电器71接入外部电源9，冷却风扇5通过第二继电器72接入外部电源9，氙灯触发器6通过第三继电器73接入外部电源9，氙灯触发器6的输出端与氙灯8相连；可编程逻辑控制器2分别通过第一继电器71、第二继电器72和第三继电器73接入继电器控制电源10。

外部电源9为三相四线制交流电源，包括380V(L1)、380V(L2)、380V(L3)和380V(N)，继电器控制电源10用于提供直流24V电压。

冷却风扇5用于给氙灯8散热以免造成氙灯工作时损坏，当冷却风扇5接通220VAC时便开始工作，对氙灯8进行风冷降温。

氙灯触发器6用于给氙灯8进行电压触发，从而点亮氙灯。当氙灯触发器6接通220VAC时便开始工作，向氙灯8输出触发电压。

交流接触器3包括三个交流接触器常开型触点开关31和一个交流接触器控制器32，交流接触器控制器32用于控制交流接触器常开型触点开关31的打开和闭合。

氙灯电源4的输入端通过交流接触器3的三个交流接触器常开型触点开关31接入外部电源9，当交流接触器常开型触点开关31闭合后，氙灯电源4接通外部电源9的三相交流电，进而开始向氙灯8输出工作电压。

可编程逻辑控制器2上设置有一个COM端口22和多个I/O端口23，COM端口22接入继电器控制电源10，I/O端口23与继电器7相连；

继电器7包括一个继电器常开型触点开关74和一个继电器控制器75，继电器控制器75用于控制继电器常开型触点开关74的打开和闭合；

第一继电器71的常开型触点开关一端接入外部电源9，第一继电器71的常开型触点开关另一端与交流接触器控制器32一端相连，交流接触器控制器32的另一端接入外部电源9；第一继电器71的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第一I/O端口231相连，第一继电器71的继电器控制器另一端接入继电器控制电源10；

第二继电器72的常开型触点开关一端接入外部电源9，第二继电器72的常开型触点开关另一端与冷却风扇5的一个电源输入端口相连，冷却风扇5的另一个电源输入端口接入外部电源9；第二继电器72的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第二I/O端口232相连，第二继电器72的继电器控制器另一端接入继电器控制电源10；

第三继电器73的常开型触点开关一端接入外部电源9，第三继电器73的常开型触点开关另一端与氙灯触发器6的一个电源输入端口相连，氙灯触发器6的另一个电源输入端口接入外部电源9；第三继电器73的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第三I/O端口233相连，第三继电器73的继电器控制器另一端接入继电器控制电源10。

较佳地，可编程逻辑控制器2还包括DA模块24，DA模块24与氙灯电源4的电压调节端口相连。DA模块24用于改变加载在氙灯电源4上的调节电压，从而改变氙灯电源4向氙灯8输出的工作电压，实现对氙灯8的亮度调节。

使用本发明可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置对氙灯阵列进行控制的方法具体包括控制氙灯点亮和控制氙灯关闭的方法；

控制氙灯点亮的方法包括以下步骤：

上位工控机1通过通讯电缆向可编程逻辑控制器2的通讯模块21发送氙灯点亮指令；

可编程逻辑控制器2控制第二I/O端口232与COM端口22导通；第二继电器72的继电器控制器接通继电器控制电源10，使第二继电器72的常开型触点开关闭合；冷却风扇5接通外部电源9，对氙灯8进行风冷降温；

可编程逻辑控制器2控制第一I/O端口231与COM端口22导通；第一继电器71的继电器控制器接通继电器控制电源10，使第一继电器71的常开型触点开关闭合；交流接触器控制器32接通外部电源9，使三个交流接触器常开型触点开关31闭合；氙灯电源4接通外部电源9后开始向氙灯8输出工作电压，氙灯进入待触发模式；

经过时间t₁后(t₁根据不同氙灯型号而有所不同)，可编程逻辑控制器2控制第三I/O端口233与COM端口22导通；第三继电器73的继电器控制器接通继电器控制电源10，使第三继电器73的常开型触点开关闭合；氙灯触发器6接通外部电源9后开始向氙灯8输出触发电压；

经过时间t₂后(t₂根据不同氙灯型号而有所不同)，可编程逻辑控制器2控制第三I/O端口233与COM端口10断开，第三继电器73的继电器控制器失去继电器控制电源10的电压输入，使第三继电器73的常开型触点开关断开；氙灯触发器6失去外部电源9的电压输入而停止工作，此时氙灯8被点亮。

控制氙灯关闭的方法包括以下步骤：

上位工控机1通过通讯电缆向可编程逻辑控制器2的通讯模块21发送氙灯关闭指令；

可编程逻辑控制器2控制第一I/O端口231与COM端口22断开；第一继电器71的继电器控制器失去继电器控制电源10的电压输入，使第一继电器71的常开型触点开关断开；交流接触器控制器32失去外部电源9的电压输入，使三个交流接触器常开型触点开关31断开；氙灯电源4失去外部电源9的电压输入而停止工作，氙灯8因失去工作电压输入而关闭；

氙灯灯管冷却后，上位工控机1通过通讯电缆向可编程逻辑控制器2的通讯模块21发送冷却风扇关闭指令；

可编程逻辑控制器2控制第二I/O端口232与COM端口22断开；第二继电器72的继电器控制器失去继电器控制电源10的电压输入，使第二继电器72的常开型触点开关断开；冷却风扇5因失去外部电源9的电压输入而停止工作。

较佳地，该控制方法还包括控制氙灯亮度调节的方法；

控制氙灯亮度调节的方法包括以下步骤：

上位工控机1通过通讯电缆向可编程逻辑控制器2的通讯模块21发送亮度调节指令，可编程逻辑控制器2的DA模块24向氙灯电源4的电压调节端口输出控制电压，氙灯电源4根据输入的控制电压改变向氙灯8输出的工作电压，实现对氙灯8亮度的调节。

如图2所示，利用可编程逻辑控制器2具有多个I/O端口并且I/O端口可扩展的优势，通过增加I/O端口23以及氙灯控制单元11，可以便捷地扩展氙灯阵列规模，从而实现系统的可扩展性。

如图3所示，上位工控机1安装上位机控制软件，上位机控制软件具有可视化的交互操作界面，便于操作人员发送氙灯阵列相关控制指令。当操作人员在软件上点击特定操作后，上位机控制软件将特定操作翻译成指令码，并通过控制计算机的串行总线接口及通讯线缆发送至可编程逻辑控制器，实现对氙灯阵列的控制。

Claims (9)

1.一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特征在于：包括上位工控机、可编程逻辑控制器和一个或者多个氙灯控制单元；所述上位工控机通过通讯线缆与可编程逻辑控制器的通讯模块相连，所述可编程逻辑控制器与氙灯控制单元相连；

所述氙灯控制单元包括交流接触器、氙灯电源、冷却风扇、氙灯触发器和三个继电器；所述氙灯电源的输入端通过交流接触器接入外部电源，氙灯电源的输出端与氙灯相连；所述交流接触器通过第一继电器接入外部电源，所述冷却风扇通过第二继电器接入外部电源，所述氙灯触发器通过第三继电器接入外部电源，氙灯触发器的输出端与氙灯相连；所述可编程逻辑控制器分别通过第一继电器、第二继电器和第三继电器接入继电器控制电源。

2.根据权利要求1所述的可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特征在于：所述交流接触器包括三个常开型触点开关和一个交流接触器控制器，所述交流接触器控制器用于控制交流接触器内常开型触点开关的打开和闭合。

3.根据权利要求2所述的可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特征在于：所述氙灯电源的输入端通过交流接触器的三个常开型触点开关接入外部电源。

4.根据权利要求3所述的可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特征在于：所述可编程逻辑控制器上设置有一个COM端口和多个I/O端口，所述COM端口接入继电器控制电源，所述I/O端口与继电器相连。

5.根据权利要求4所述的可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特征在于：所述继电器包括一个常开型触点开关和一个继电器控制器，所述继电器控制器用于控制继电器内常开型触点开关的打开和闭合；

第一继电器的常开型触点开关一端接入外部电源，第一继电器的常开型触点开关另一端与交流接触器控制器一端相连，交流接触器控制器的另一端接入外部电源；第一继电器的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第一I/O端口相连，第一继电器的继电器控制器另一端接入继电器控制电源；

第二继电器的常开型触点开关一端接入外部电源，第二继电器的常开型触点开关另一端与冷却风扇的一个电源输入端口相连，冷却风扇的另一个电源输入端口接入外部电源；第二继电器的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第二I/O端口相连，第二继电器的继电器控制器另一端接入继电器控制电源；

第三继电器的常开型触点开关一端接入外部电源，第三继电器的常开型触点开关另一端与氙灯触发器的一个电源输入端口相连，氙灯触发器的另一个电源输入端口接入外部电源；第三继电器的继电器控制器一端与可编程逻辑控制器的第三I/O端口相连，第三继电器的继电器控制器另一端接入继电器控制电源。

6.根据权利要求1-5中任一所述的可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特征在于：所述可编程逻辑控制器还包括DA模块，所述DA模块与氙灯电源的电压调节端口相连。

7.根据权利要求6所述的可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制装置，其特征在于：所述外部电源为380V三相交流电源，所述继电器控制电源为24V直流电源。

8.一种可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制方法，其特征在于：包括控制氙灯点亮和控制氙灯关闭的方法；

控制氙灯点亮的方法包括以下步骤：

上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送氙灯点亮指令；

可编程逻辑控制器使第二继电器接通继电器控制电源，第二继电器使冷却风扇接通外部电源，冷却风扇对氙灯进行风冷降温；

可编程逻辑控制器使第一继电器接通继电器控制电源，第一继电器使交流接触器接通外部电源，交流接触器使氙灯电源接通外部电源，氙灯电源向氙灯输出工作电压；

可编程逻辑控制器使第三继电器接通继电器控制电源，第三继电器使氙灯触发器接通外部电源，氙灯触发器向氙灯输出触发电压；

可编程逻辑控制器使第三继电器与继电器控制电源断开，第三继电器使氙灯触发器与外部电源断开，氙灯点亮；

控制氙灯关闭的方法包括以下步骤：

上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送氙灯关闭指令；

可编程逻辑控制器使第一继电器与继电器控制电源断开，第一继电器使交流接触器与外部电源断开，交流接触器使氙灯电源与外部电源断开，氙灯电源停止工作电压的输出，氙灯关闭；

氙灯灯管冷却后，上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送冷却风扇关闭指令；

可编程逻辑控制器使第二继电器与继电器控制电源断开，第二继电器使冷却风扇与外部电源断开，冷却风扇停止工作。

9.根据权利要求8所述的可扩展的风冷型长弧氙灯阵列控制方法，其特征在于：还包括控制氙灯亮度调节的方法；

控制氙灯亮度调节的方法包括以下步骤：

上位工控机通过通讯电缆向可编程逻辑控制器的通讯模块发送亮度调节指令，可编程逻辑控制器的DA模块向氙灯电源的电压调节端口输出控制电压，氙灯电源根据输入的控制电压改变向氙灯输出的工作电压，实现对氙灯亮度的调节。