【摘要】為了進(jìn)一步提升檢測(cè)效率，有效地分析檢測(cè)結(jié)果，并實(shí)現(xiàn)檢測(cè)過(guò)程的可視化，本文介紹了一種用于電動(dòng)工具檢測(cè)用的多功能檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)涵蓋了設(shè)計(jì)、選型、繪圖、線路連接、編程、界面組態(tài)、調(diào)試、組裝等多個(gè)環(huán)節(jié)，通過(guò)可編程控制器的程序開(kāi)發(fā)及上位機(jī)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的智能控制。

【關(guān)鍵詞】電動(dòng)工具；檢測(cè)；智能控制

【DOI編碼】10.3969/j.issn.1674-4977.2024.05.051

Development of a Comprehensive Testing Experimental Platform for Electric Tools

CHEN Xiaoyong

（Fushun Product Quality Supervision and Inspection Institute， Fushun 113006， China）

Abstract： To further improve detection efficiency， effectively analyze calibration results， and achieve visualization of the detection process， this article introduces a multifunctional detection experimental platform for electric tool testing. The development of this experimental platform covers multiple stages such as design， selection， drawing， circuit connection， programming， interface configuration， debugging， assembly， etc. Through the development of programmable controllers and upper computer configuration software， intelligent control of the experimental platform has been achieved.

Keywords： electric tools； detection； intelligent control

0前言

電動(dòng)工具是一種以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)工作部分進(jìn)行作業(yè)的工具，具體可分為角磨機(jī)、電鉆、電鋸、電動(dòng)螺絲刀等。其具有操作簡(jiǎn)單、方便、功能多樣及安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。隨著科技的不斷創(chuàng)新，電動(dòng)工具在不斷發(fā)展之中。為了確保電動(dòng)工具使用安全，對(duì)其產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行監(jiān)督和檢驗(yàn)至關(guān)重要。然而，傳統(tǒng)的檢驗(yàn)設(shè)備存在功能單一、響應(yīng)速度慢、線路復(fù)雜易出故障以及顯示方式不直觀等問(wèn)題。

基于此，我們采用信息化技術(shù)研發(fā)了一種用于電動(dòng)工具檢測(cè)用的綜合檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)。該檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)結(jié)合西門(mén)子PLC與上位機(jī)組態(tài)軟件，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互控制的基本硬件配置，不僅提高了設(shè)備的運(yùn)行效率，而且為檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性提供了有效的技術(shù)保障。

1檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)研發(fā)的意義與設(shè)計(jì)原理

電動(dòng)工具的安全性能檢測(cè)主要包括起動(dòng)、輸入功率和電流、耐久性及不正常工作等內(nèi)容。傳統(tǒng)的電動(dòng)工具檢測(cè)通常針對(duì)每個(gè)檢測(cè)項(xiàng)目使用單獨(dú)的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。被測(cè)量的樣品經(jīng)常要被來(lái)回移動(dòng)。因而研發(fā)一種綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，將多項(xiàng)檢驗(yàn)功能集成于一體，不僅可以節(jié)約成本，縮短檢測(cè)時(shí)間，還能提高設(shè)備的利用率，同時(shí)確保檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

該檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)采用了手動(dòng)、定時(shí)、自動(dòng)三種檢測(cè)方式。檢測(cè)試驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)依據(jù)GB 3883.1—2014《手持式、可移式電動(dòng)工具和園林工具的安全第1部分：通用要求》中規(guī)定的試驗(yàn)方法，以確定具體檢測(cè)數(shù)值。具體設(shè)計(jì)工作從硬件和軟件兩個(gè)方面展開(kāi)。硬件設(shè)計(jì)包括了實(shí)驗(yàn)臺(tái)的構(gòu)造和接線，而軟件設(shè)計(jì)則涵蓋了基于西門(mén)子PLC的控制程序和上位機(jī)組態(tài)控制軟件的編寫(xiě)。通過(guò)硬件與軟件的緊密結(jié)合，利用西門(mén)子平臺(tái)的高靈活性和多樣化的通信端口，以及軟件編程的結(jié)構(gòu)化和強(qiáng)大的向?qū)Чδ埽岣吡丝刂菩?。此外，通過(guò)可視化界面的使用，檢測(cè)過(guò)程中的狀態(tài)和數(shù)據(jù)得以直觀展示。這使得研發(fā)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠全面滿足啟動(dòng)、輸入功率和電流、耐久性、不正常操作、轉(zhuǎn)速的檢驗(yàn)要求。

2檢測(cè)項(xiàng)目

2.1啟動(dòng)檢測(cè)

電動(dòng)工具在規(guī)定的電壓值下啟動(dòng)時(shí)必須能夠正常運(yùn)行。內(nèi)置的過(guò)載保護(hù)裝置在此過(guò)程中不應(yīng)觸發(fā)，確保運(yùn)行的可靠性，同時(shí)觸點(diǎn)應(yīng)保持穩(wěn)定無(wú)顫動(dòng)。進(jìn)行性能測(cè)試時(shí)，應(yīng)在空載狀態(tài)下按照規(guī)定的次數(shù)進(jìn)行啟動(dòng)試驗(yàn)，并在額定電壓條件下，將調(diào)速裝置設(shè)定為最大速度，并確保所有其他控制裝置處于正常使用狀態(tài)后啟動(dòng)一次。啟動(dòng)后應(yīng)立即測(cè)量電流值，以確保不超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。這些測(cè)試步驟是為了驗(yàn)證電動(dòng)工具的性能是否符合安全和效率的標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.2輸入功率和電流

將電動(dòng)工具在無(wú)負(fù)載條件下的輸入功率和電流與標(biāo)稱(chēng)的額定功率和電流進(jìn)行比較。通電后，電動(dòng)工具在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下顯示在測(cè)量設(shè)備上的功率和電流值為測(cè)量值。如果電動(dòng)工具具有多個(gè)速度擋位，應(yīng)分別測(cè)量每個(gè)擋位下的功率和電流數(shù)值。

2.3耐久性

耐久性檢測(cè)分為時(shí)間運(yùn)行和次數(shù)運(yùn)行兩種。時(shí)間運(yùn)行方式是指每個(gè)運(yùn)行周期由一個(gè)通電（接通）期和一個(gè)斷電（斷開(kāi)）期組成，電動(dòng)工具在規(guī)定的電壓和運(yùn)行時(shí)間下斷續(xù)運(yùn)行。次數(shù)運(yùn)行方式則是在規(guī)定的電壓下，按照設(shè)定的次數(shù)重復(fù)進(jìn)行通電（接通）和斷電（斷開(kāi)）的操作。這些測(cè)試方法有助于評(píng)估電動(dòng)工具在長(zhǎng)期使用過(guò)程中的性能穩(wěn)定性和安全性。

2.4不正常操作

為了驗(yàn)證工具在工作過(guò)程中的安全性，應(yīng)進(jìn)行不正常操作試驗(yàn)。在規(guī)定的電壓和運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，電機(jī)應(yīng)保持良好的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，無(wú)零件脫落或飛出現(xiàn)象，并在試驗(yàn)結(jié)束后仍能保持其功能性，可以繼續(xù)使用。

2.5轉(zhuǎn)速

為了測(cè)量電動(dòng)工具等產(chǎn)品的轉(zhuǎn)速，可以使用編碼器將機(jī)械運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這些信號(hào)隨后被發(fā)送至控制器?？刂破骼眠@些信號(hào)來(lái)檢測(cè)并實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)工具轉(zhuǎn)速的精確控制。在進(jìn)行測(cè)量時(shí)，電動(dòng)工具應(yīng)在額定電壓下空載運(yùn)行，并通過(guò)改變旋轉(zhuǎn)方向來(lái)獲取不同情況下的轉(zhuǎn)速值。

3上位機(jī)界面介紹

WINCC是一個(gè)組態(tài)軟件，用于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控、自動(dòng)化控制、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域，可以在自動(dòng)化過(guò)程中實(shí)現(xiàn)可視化的監(jiān)控界面和數(shù)據(jù)采集分析功能，并支持多種協(xié)議和設(shè)備。博圖WINCC上位機(jī)畫(huà)面可以完成用戶登錄及注銷(xiāo)、主畫(huà)面、啟動(dòng)畫(huà)面、手動(dòng)畫(huà)面、定時(shí)畫(huà)面、自動(dòng)畫(huà)面、溫濕度畫(huà)面、全電量畫(huà)面、速度畫(huà)面、趨勢(shì)畫(huà)面、拓展畫(huà)面以及退出系統(tǒng)。

3.1用戶登錄畫(huà)面

在登錄畫(huà)面中，用戶可以通過(guò)上位機(jī)系統(tǒng)的用戶管理權(quán)限來(lái)添加用戶名和登錄密碼以及權(quán)限，生成用戶名和密碼后可登錄軟件系統(tǒng)。此畫(huà)面調(diào)用了“顯示登錄對(duì)話框”和“激活屏幕”系統(tǒng)函數(shù)。

3.2主畫(huà)面

主畫(huà)面中顯示綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)各部分功能畫(huà)面。用戶可根據(jù)需要選擇進(jìn)入相應(yīng)的畫(huà)面，在試驗(yàn)結(jié)束后，回到主畫(huà)面中“電機(jī)退出系統(tǒng)”就可以返回登錄界面，只有再次輸入用戶名和密碼才可以重新進(jìn)入該畫(huà)面，并且該畫(huà)面的菜單欄中添加了“關(guān)閉軟件”和“關(guān)閉計(jì)算機(jī)”兩種系統(tǒng)函數(shù)。

3.3啟動(dòng)畫(huà)面

啟動(dòng)畫(huà)面以動(dòng)態(tài)的顯示方式。用戶點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕后，系統(tǒng)通電，原本灰色的電源條會(huì)以紅藍(lán)色顯示出來(lái)，電源指示燈由紅色變?yōu)榫G色。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)測(cè)量環(huán)境的溫度、濕度，用戶可以更好地了解試驗(yàn)過(guò)程中環(huán)境的溫濕度情況。當(dāng)試驗(yàn)結(jié)束后，用戶按下停止按鈕，與此同時(shí)系統(tǒng)斷電，畫(huà)面恢復(fù)初始狀態(tài)。

3.4手動(dòng)畫(huà)面

手動(dòng)畫(huà)面可以顯示系統(tǒng)通電的狀態(tài)，并加入了升壓和降壓功能。通過(guò)上位機(jī)按鈕，用戶可以控制電動(dòng)調(diào)壓器，調(diào)節(jié)輸入電壓的大小，當(dāng)按下控制臺(tái)啟動(dòng)按鈕后，指示燈由紅色變?yōu)榫G色，選擇手動(dòng)控制，在畫(huà)面中可以顯示電壓、電流、輸入功率以及手動(dòng)運(yùn)行時(shí)間，停止手動(dòng)控制，畫(huà)面將恢復(fù)初始狀態(tài)，運(yùn)行時(shí)間清零。

3.5定時(shí)畫(huà)面

定時(shí)畫(huà)面組態(tài)了升壓、降壓控制，以及電流、電壓和功率的顯示。用戶按下控制臺(tái)啟動(dòng)按鈕后，指示燈由紅色變?yōu)榫G色，在選擇定時(shí)啟動(dòng)前，對(duì)定時(shí)時(shí)間進(jìn)行設(shè)定，也就是規(guī)定系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，設(shè)定后按下定時(shí)啟動(dòng)按鈕，系統(tǒng)運(yùn)行。運(yùn)行的時(shí)間會(huì)實(shí)時(shí)顯示在上位機(jī)畫(huà)面中。到設(shè)定運(yùn)行時(shí)間后，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)停止，結(jié)束工作。

3.6自動(dòng)畫(huà)面

自動(dòng)畫(huà)面同樣組態(tài)了升壓、降壓控制，以及電流、電壓和功率的顯示。用戶按下控制臺(tái)啟動(dòng)按鈕后，指示燈由紅色變?yōu)榫G色。自動(dòng)控制方式分為時(shí)間控制（自動(dòng)定時(shí)）和次數(shù)控制（自動(dòng)計(jì)數(shù)）兩種方式。自動(dòng)定時(shí)控制方式為：首先設(shè)定自動(dòng)運(yùn)行整體時(shí)間，然后再設(shè)定每個(gè)運(yùn)行周期的接通和斷開(kāi)時(shí)間，其中斷開(kāi)時(shí)間段包括在規(guī)定的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)。例如，工作時(shí)間為1 h，每個(gè)運(yùn)行周期由一個(gè)60 s接通時(shí)段和一個(gè)60 s斷開(kāi)時(shí)段共同組成。自動(dòng)計(jì)數(shù)控制方式為：首先設(shè)定在規(guī)定電壓下，正常啟動(dòng)負(fù)載的次數(shù)，每次算一個(gè)周期；然后設(shè)定每個(gè)運(yùn)行周期的接通和斷開(kāi)時(shí)間，其中斷開(kāi)時(shí)間段包括在規(guī)定的運(yùn)行次數(shù)內(nèi)。例如，以規(guī)定的電壓在正常負(fù)載下啟動(dòng)20次，每個(gè)運(yùn)行周期（次）由一個(gè)60 s接通時(shí)段和一個(gè)60 s斷開(kāi)時(shí)段組成。

3.7溫濕度畫(huà)面

畫(huà)面可以顯示工作狀態(tài)時(shí)的電量、溫度以及工作或靜態(tài)時(shí)候的環(huán)境溫濕度。研發(fā)的智能控制綜合試驗(yàn)臺(tái)溫度采集采用了四種方式：大方貼片、磁性溫度傳感器、管箍溫度傳感器（采用管道卡環(huán)扣不銹鋼熱扎帶，可彎曲的卡環(huán)探頭）、圓孔貼片溫度傳感器，可以測(cè)量不同設(shè)備的溫度。根據(jù)測(cè)量溫度，實(shí)時(shí)在視圖中顯示曲線及歷史數(shù)據(jù)，方便了解試驗(yàn)過(guò)程中設(shè)備溫度的狀態(tài)。

3.8全電量畫(huà)面

全電量畫(huà)面可以顯示設(shè)備在工作中的電壓、電流及功率，并可以擴(kuò)展功率因數(shù)等參數(shù)。在曲線畫(huà)面中實(shí)時(shí)記錄設(shè)備工作時(shí)產(chǎn)生的電流和電壓，通過(guò)單相電能表與PLC采用MODBUS RTU通信來(lái)完成數(shù)據(jù)的采集，并在上位機(jī)中實(shí)時(shí)顯示。

3.9速度畫(huà)面

速度畫(huà)面可以控制設(shè)備的啟停，以及速度的測(cè)量，通過(guò)設(shè)備與編碼器的連接，讀取脈沖信號(hào)。編碼器把角位移或直線位移轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，通過(guò)PLC相對(duì)應(yīng)的程序和上位機(jī)進(jìn)行工業(yè)通信。速度測(cè)量以表盤(pán)形式顯示正向及反向轉(zhuǎn)動(dòng)，上面的轉(zhuǎn)速數(shù)字會(huì)對(duì)應(yīng)顯示出來(lái)。

3.10趨勢(shì)畫(huà)面

趨勢(shì)視圖是上位機(jī)系統(tǒng)中非常重要的功能。趨勢(shì)視圖可以表示某一個(gè)變量在一個(gè)周期之內(nèi)的變化過(guò)程，它所顯示的并不是實(shí)時(shí)的變化，而是一個(gè)周期性的變化。例如，用戶想要看設(shè)備的溫度在1 h、10 min或5 min里的一個(gè)變化趨勢(shì)，就可以用趨勢(shì)視圖來(lái)觀察。趨勢(shì)視圖還可以觀察壓力、流量等參數(shù)變化。

3.11拓展畫(huà)面

用戶通過(guò)程序，可以進(jìn)行相關(guān)的報(bào)警設(shè)置。例如，設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中溫度超過(guò)上限或者電流值急劇增大，這時(shí)容易產(chǎn)生危險(xiǎn)。所以在可編程控制器中寫(xiě)入相應(yīng)的程序，當(dāng)溫度或電流超過(guò)規(guī)定值時(shí)，設(shè)備在檢測(cè)過(guò)程中會(huì)自動(dòng)停止，另外在拓展畫(huà)面中也會(huì)顯示出報(bào)警的信息以及確認(rèn)的情況。

4綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用

該綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)適用于實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)和生產(chǎn)企業(yè)等場(chǎng)合，用于測(cè)量設(shè)備實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。它不僅能測(cè)量環(huán)境的溫度和濕度，還能通過(guò)連接設(shè)備完成電流、電壓、功率、轉(zhuǎn)速、啟動(dòng)以及在非正常工作條件下的檢測(cè)。綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用西門(mén)子1200PLC可編程控制器進(jìn)行程序編寫(xiě)，控制繼電器的動(dòng)作以完成實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所需的控制任務(wù)，并顯示外圍電路的狀態(tài)。同時(shí)，利用Modbus RTU主從站通信模式，讀取變送器的模擬量信號(hào)，如溫度、濕度、電流、電壓等參數(shù)。另外，綜合檢測(cè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)基于博圖WINCC軟件平臺(tái)構(gòu)建，能夠通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行組態(tài)開(kāi)發(fā)，并統(tǒng)一畫(huà)面風(fēng)格與布局。在上位機(jī)的畫(huà)面組態(tài)過(guò)程中，通過(guò)工業(yè)網(wǎng)關(guān)以太網(wǎng)方式與PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。工業(yè)網(wǎng)關(guān)將采集到的PLC數(shù)據(jù)上傳至博圖WINCC軟件中，在組態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)監(jiān)視、控制以及動(dòng)態(tài)效果展示和過(guò)程數(shù)據(jù)記錄。

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【作者簡(jiǎn)介】

陳曉勇，男，1984年出生，高級(jí)工程師，學(xué)士，研究方向?yàn)楫a(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)。

（編輯：于淼）