一种控制箱检测模拟器的设计.pdf

自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.6 今日制造与升级 710引言某型控制箱用于计算机控制系统中，用以控制机柜与执行机构之间的信号转接和互联，主要功能是传输开关量信号和电流信号。该控制箱通道数量庞大、数据传输精度要求高，其外形如图1所示。?图1 控制箱外形图传统的用户日常维护训练，需要对控制箱电缆进行重复插拔操作，判断内部接线正确性，需要对照电缆接线定义，用万用表测量通断。对于芯线数量庞大的控制箱，此项检测操作需花费大量的时间及人力1。目前已有的通断检测装置具备检测通断的能力，但检测效率低，且无法检查抗干扰性能，同时未能提供友好的人机交互界面2。因此，如何快速检测该控制箱的接线正确性及抗干扰性成为一个亟待解决的难题，设计一种高效的控制箱检测模拟器迫在眉睫。1 模拟器组成文章提出的控制箱快速检测模拟器主要由输入输出采样板、4 20ma 信号源、4 20ma 测量模块、多路输出继电器板、充电管理板、电池模块、控制面板、触控一体机、箱体、电缆等部分组成。输入输出采样板具备120路输入输出采集能力，能检测各通路的接线正确性。4 20ma 信号源、4 20ma测量模块、多路输出继电器板用于4 20ma 通道的接线正确性及抗干扰性，其中输出精度 0.04ma，测量精度0.002ma。充电管理板用于电池充电管理和输出稳压，设置电池模块以让模拟器具备便携能力。控制面板用于人机交互，主要包括输入开关、电池开关、开机/关机按键、电气连接正确性测试按键、电气连接抗干扰性测试按键、发光蜂鸣器等。触控一体机提供人机交互界面，同时具备数据记录功能3。箱体用于模拟器各组成部件的安装。电缆用于控制箱与模拟器的互连。多路继电器模块、120路输入输出采样模块和420ma信号源均通过 Rs485的通信方式与人机交互控制系统界面进行对接。控制软件发送各种继电器开启、关闭，输入io 状态读取，电流源控制输出，电流源测量数据读取命令，并将各种信息汇总到控制系统上，并通过分析判断，将各种信息显示在界面上。2 模拟器功能设计及原理2.1 多路接线的功能正确性检测原理模拟器使用扩展 io 的方式扫描多路接线点回路，检测线路连接或断开，最多可检查120通道回路接线是否正确。当选通某通道后，+5V 通过接线如果接线回路正确时，输入模块会检测到高电平，反之断开时会检测到低电平。依次扫描至每一个通道，并通过软件检查是否匹配设备的接线表，可以检查出所有的接线回路正确性。2.2 420mA通道的接线正确性及抗干扰性的检测原理选用1路4 20ma 信号源，1路4 20ma 高精度测量模块，信号源通过串联方式接入到接线回路。外部测量电缆连接完成后，接线正确性及抗干扰性检测步骤如下。（1）第一步 K1常闭，K2常开，通过4 20ma 高精摘要文章介绍了一种控制箱检测装置设计，该装置能对多路接线功能正确性进行判断，能对多路模拟量抗干扰能力进行测试，具备全自动测量、分步测量、异常报警等功能。该模拟器操作方便，人机交互友好，能够显著提升控制箱测试效率。关键词模拟器；通道检测；抗干扰测试中图分类号TH38 文献标志码A一种控制箱检测模拟器的设计张星，吴雅君，单亚辉（武汉第二船舶设计研究所，湖北武汉430064）自动化技术与应用 Automation Technology and Application72 今日制造与升级 2023.6度测量模块 P1读取测量电流值与4 20ma 信号源 s1输出电流比较，可判断通道1接线正确性。（2）第二步 K1常闭，K2常闭，K3常开可测量通道2接线正确性。依次类推，K1常闭，K2常闭，K3常闭，K4常闭，K5常闭，K6常闭，K7常开可测量通道3接线正确性，继电器保持此种状态，直至此项测量功能结束4。测量过程中（在主回路中使用反复开关的5a 恒流源，模拟给入反复开关量信号），计算机自动读取测量仪表值并与信号源输出值进行比较，确定输出的数据稳定性（初步定在0.05ma），以此判断4 20ma 通道的接线正确性及抗干扰性。共需要独立继电器6组共计13路。测量原理如图2所示。K5、6、7 处 接 线 方 式 为 out5/6 常 闭 短 接（不 接P1-），K7长接109线。软件测试步骤如下。（1）切换 aP2板的 out1、out2继电器，至114、115及 P1+、P1-悬空状态。（2）闭合 K1、2，通道1出线至 P1+、P1-，测试有无对应的电流，有则正常，无则异常；后 K1、2归位至默认，接到通道2的103、104原始状态。（3）闭合 K3、4，通道2出线至 P1+、P1-，测试有无对应的电流，有则正常，无则异常；后 K3、4归位至默认，接到通道3的105、106原始状态。（4）闭合 K7（+），通道3出线至 P1+，K5断开悬空（K6接通），闭合 K9至 P1-，测试有无对应的电流，有则正常，无则异常；K6断开至悬空（K5接通），测试有无对应的电流，有则正常，无则异常；后恢复 K5、6、7至原始，接到通道4的108、107、109状态，K9至111的状态。（5）闭合 K8、9，通道4出线至 P1+、P1-，测试有无对应的电流，有则正常，无则异常；后 K8、9归位至默认，接到通道5的110，111原始状态。（6）闭合 K10、11，通道5出线至 P1+、P1-，测试有无对应的电流，有则正常，无则异常；后 K10、11归位至默认，接到通道6的112、113原始状态。（7）闭合 aP2-K1、2，通道6出线至 P1+、P1-，测试有无对应的电流，有则正常，无则异常；后 aP2-K1、2归位至默认，接到测量仪表的 P1+、P1-原始状态。2.3 电气功能设计该模拟器既可以通过外接 aC220V 转 DC19V 的电源适配器进行供电，又可以通过装置内部的锂电池进行供电。当外接电源供电时，打开输入开关，电源输入接入，此时按一下开机/关机按键，充电管理板有输出，系统开机。若长按开机/关机按键持续5s，充电管理板有输出，系统关机。电池开关控制电池的接入与断开，若电池开关打开，在外部供电正常的情况下，系统由外部电源供电（若电池电量不足时，充电管理板会自动对电池进行充电直到电池电量充满），在未接外部电源或外部供电断电的情况下，系统自动切换到电池供电模式，电源开关和开机/关机按键指示灯点亮，通过人机交互控制系统界面开启或关闭测试。功能测试包含检测多路接线的功能、4 20ma 通道的接线正确性及抗干扰性。这两个功能可以通过设置单步进行或同时进行。当检测多路接线到异常时，人机交互界面可提示出异常点，便于用户排除故障。电流测量的显示值与输出值显示在人机交互界面上，可便于观察两者的差异，同时软件统计分析出测试过程中的差异。设备使用时将 J1 J7电缆与模拟器设备及 XXX 控制箱对接，模拟器外接 aC220V 转 DC19V 的电源适配器进行供电，检查连线无误后，开启电源根据界面提示进行操作即可。如果测试过程中出现接线错误、模拟量干扰误差大等异常，蜂鸣器灯点亮且蜂鸣器鸣响，测试完成后界面会统一提示出异常类型及接线编号等信息。操作者根据提示进行异常排除。2.4 结构设计该模拟器箱体采用军绿色一体成型工艺的防护箱结c常闭o常开DCA01GND2通道1通道2通道3通道4通道5通道6S1-+P1+P1-AC1+C2+C3+C4+C5+C1-C2-C3-C4-C5-C3A-P1-P1-P1-P1-P1+P1+P1+P1+P1+K12K34K89K12AP2-K1011K756103105109110113111112114115104106108107图2 抗干扰测量原理自动化技术与应用 Automation Technology and Application2023.6 今日制造与升级 73构，外部尺寸为413mm328mm168mm，内部尺寸为381mm267mm152mm。模拟器设备的上盖面板设置1个10.4寸触控一体机，5个 UsB 口。下盖面板设置4 20ma 信号源，4 20ma信号测量模块，电源 DC19V 输入插座、带灯蜂鸣器、7个 DB44连接器、输入开关和电池开关两个船型开关。另设开机/关机、暂停/继续、电气连接正确性测试、电气连接抗干扰性测试共4个按键开关。模拟器设备的上下盖面板采用铝板开孔粘贴 PVC 膜的形式，布局如图3所示。2.5 软件设计模拟器软件包含一体机上位机软件和单片机软件。一体机上位机软件实现多路接线检查功能、4 20ma 通道的接线正确性及抗干扰性测试功能、人机操控功能、界面显示功能和数据存储功能；单片机软件实现继电器开启、关闭，输入 io 状态读取，电流源控制输出，电流源测量数据读取命令等功能。一体机上位机软件运行于 WindowsXP 操作系统，基于 Visualstudio2008来开发，使用 C+语言编程；单片机的软件开发环境为 keilMDK 开发工具，使用 C 语言编程。3 模拟器测试情况使用模拟器执行控制箱检测的提示如图4所示。一键式执行检测操作后，将自动依次执行通断正确性检查、抗干扰性检查，单个控制箱检测时间约为2min；若手动检测相关功能，预计时间不小于30min。该控制箱模拟器大大提升了检测效率。4 结束语该控制箱检测模拟器是测量控制箱内部多路接线、4 20ma 通道的接线正确性及抗干扰性的装置，具备全自动测量、分步测量、异常报警等功能。其特点是能同时对多路接线功能正确进行判断、对6路4 20ma 模拟量通道进行模拟和测量显示，操作方便、人机交互友好、测量速度快、正确率高，能显著提升控制箱的检测效率。参考文献1 王晓东.电缆测试箱的设计J.山西电子技术，2009（1）：34-35，67.2 姚雄，秦肖臻，王卓，等.基于嵌入式系统的网络测试仪J.微机发展，2005，15（2）：4.3 张守波.触摸屏的原理及在嵌入式系统中的应用J.黑龙江水利科技，2005（2）：5-6.4 罗大成，王仕成，刘刚鹏.弹绝缘电阻测试仪采样电路的研究J.计算机测量与控制，2005，13（12）：1382-1384.作者简介张星（1986），男，湖北云梦人，博士研究生，高级工程师，主要研究方向为自动控制。（a）上盖面板（b）下盖面板图3 操作及显示面板图4 检测提示