范 文, 周兆庆, 徐 严, 陈寒举

(南京国电南自自动化有限公司, 江苏 南京 211100)

0 引 言

电力系统的可靠运行关系着人类社会各个领域的日常工作,电力自动化装置[1]的可靠性受到了广泛重视。其主要取决于软件可靠性和硬件可靠性,生产测试则是对插件的硬件性能起着重要保障作用。自动测试系统[2]是指在人极少参与或不参与的情况下,自动进行量测,处理数据,并以适当方式显示或输出测试结果的系统。与手动测试相比,自动测试不仅能提高调试效率,还能有效地保证产品质量的可靠性。对公司而言,每年数万次的插件测试需求,实现电力自动化装置插件的自动化测试是必然趋势。

我国电力产业多元化发展[3],电力设备种类繁多,功能各异,目前国内生产制造商对装置设备插件采用传统的手工测试与半自动测试相结合。这样测试方法效率低下,测试周期长,成本高,改变测试插件时需要重新设计测试平台,对现代产品复杂技术很难做出反应,且对测试人员的专业要求过高,测试信息难追溯,测试信息记录不全面。

为解决上述问题,本文提出一种电力装置插件的流水线自动测试系统。自动化的线体部分由PLC控制插件的自动走板、出仓、进仓,自动测试完成后根据测试结果,测试合格则打码机自动盖章后存入下板机,不合格的存入暂存机。通过基于LabVIEW[4]的终端测试程序,对所有测试仪器进行控制以及与PLC的交互,系统的连接测试工装采用模块化设计,实现快速换型,适应不同型号插件的自动测试,具有灵活和可扩展性。

1 系统总体设计方案

电力自动化装置插件的流水线自动测试系统包括上板机、扫码枪、测试机柜、自动打标机、暂存机、下板机、载运待测插件的轨道、位于轨道侧部检测待测插件位置信息的多个传感器。系统硬件结构如图1所示。

该系统按功能模块分为自动测试系统PLC控制模块、自动测试系统数据库存储模块、自动测试系统测试模块。自动测试系统PLC控制模块主要由PLC、触控屏、传感器、伺服电机及驱动、载板轨道、自动打标机、转换开关和按钮组成。PLC控制模块用于PLC设备的电源控制,与PC机、测试仪器信号节点交互,实现自动上、下板,插件的传输,夹具的控制以及打标机的移动。自动测试系统数据库[5]存储模块包括本地的Access数据库,以及远程的生产中心MES数据库。每次测试需要连接本地数据库、MES数据库,根据待测板条码搜索MES数据库获得对应的配置信息。最终具体的测试信息存入本地数据库,测试总结写入MES中,实现测试信息的可追溯。

2 系统硬件平台设计

自动测试系统测试模块包括测试用的工装夹具、测试用的公共仪器、测试终端程序。自动测试系统测试模块中公共仪器与夹具之间通过欧度端子(一种高密度转接端子)相连接。夹具结构与公共仪器接线示意图如图2所示。公共仪器部分的选型、驱动封装以及全部仪器端口在连接器上的布局,提供了丰富的端口资源,不随测试对象而变化,夹具可灵活更换,每种型号的板子都有相对应的夹具,每种工装夹具配对连接器,通过更换夹具,实现快速切换不同测试对象的测试工作。

2.1 夹具设计

夹具主视图、俯视图、欧度端子示意图如图3所示。该测试夹具平台采用侧顶测量技术,有效减小测试插件的损耗。侧顶探针通过接线将电信号引到高密度转接端子,高密度转接端子将夹具的信号传递到测试仪器。

2.2 仪器选型

所有的仪器都能通过基于虚拟仪器的终端程序进行程控,维护性高。

(1) 双路输出可调直流电源,提供直流工作电压5 V与24 V,向待测板供电。PC机与其通信,测试调度程序可控制其电压输出幅值,回读当前的电压与电流。

(2) 高电压程控直流源,负责提供开入端口测试电源,输出值在DC 24～220 V可调。PC机与其通信,测试调度程序可控制该电源输出幅值,回读电压与电流。

(3) 多功能一体仪器,与PC机通过USB串口通信,既作为系统的辅助电源,3.3 V和±15 V供电;又有万用表、信号发生器、混合示波器数字功能部分,GPIO等功能。万用表功能用于待测板上电前的短路测试,测量回路的直流电阻、信号发生源是提供正弦信号用于待测板的交流采样测试。

(4) 16路继电器,配合待测板上电前的短路测试,确定待测板不短路后吸合该通道对应的供电使能继电器。

(5) 扩展I/O模块,与PC机通过以太网/TCP通信,提供丰富的I/O资源,用于实现继电器驱动、负责与PLC控制系统信号交互、采集待测板的信号和输出。

(6)自研转接板,是为了配合测试而自主设计的转接板,用来测试待测板上一些非标功能端口,并增强多功能一体仪器输出正弦信号,电压转换,差分-单端信号转换等。

3 系统软件平台设计

3.1 软件系统总体框架

电力自动装置插件的自动测试系统的软件设计是基于LabVIEW的,具有待测板健康检查、程序下载、功能测试、数据记录的功能,测试项目覆盖全部功能端口,软件系统包含4个模块。

(1) 仪器驱动模块:在 Windows编程环境下实现了仪器的驱动开发,每个子程序均对应仪器的某项具体操作,包括仪器的初始化、配置、读取、输出控制、关闭,方便主程序对其调用。

(2) 嵌入式相关模块:完成本系统的很多具体功能依赖嵌入式一侧的主动配合,为此在BSP基础上编写了测试应用程序。

(3) 数据记录模块:包括本地数据库(即Access数据库)和生产运行系统数据库(即远程的生产中心MES数据库)。测试数据需要在本地数据库中备份,是为了防止传输到MES数据库过程中的网络故障或中断。系统实现了条形码扫描设备的接入,自动扫码并根据条形码搜索MES数据库获得待测板对应的配置信息。

(4) 测试模块:进入夹具后,短路测试合格后开始功能测试[6],包括板内电源健康测试,弱电DI端口测试、强电DI端口测试、弱电DO端口测试、交流AI端口测试、自环自检测试、文件系统完好性测试、通信测试、RTC对时测试等。功能测试按项目顺序执行,测试界面上每项测试结果均有指示灯提示。

3.2 软件系统程序设计

采用了共享、重复、移植、扩展性强的模块化软件结构,依次完成上述各个模块程序设计。主要分为底层以及具体测试对象两大部分,底层中实现了通用模块的编程,不同测试对象编程时通过调用底层并对其参数化来完成各项功能的测试,这种编程设计方式下底层的程序不会改动,便于维护。

为了提高自动化测试系统的效率,减少人工操作,系统采用自动上板。根据测试结果,测试成功自动推板进下板机,测试失败则推板进暂存机。系统采取自动扫码方式,通过扫描条码读取单板条码,再根据条码在MES数据库中查询ERP描述,然后根据描述从本地数据库中获得配置信息并载入。整个测试结束后,自动将各项测试记录写入MES,并在本地数据库中备份。数据库存入情况如图4所示。整个测试过程完全自动化,不需要人为干预,这也是本系统的特点之一。测试程序主界面如图5所示。与插件进行通信,以红绿灯方式显示某项测试结论,实时显示当前测试项的具体结果。显示操作人员名称、待测板的条形码、待测板型号、测试总结论、测试时间、测试成功/失败数量,终端测试程序界面上的划重点也会显示具体失败项的条目。

4 系统联调

先按模块分别进行调试,能用基于LabVIEW的测试终端程序对公共仪器进行自动控制,以及与PLC交互,待测板通信调试,再将待测板按功能测试要求一项一项调试成功。自动测试流程如图6所示。测试系统上电,PC机运行测试终端程序,上板机自动上板,自动扫码,根据条形码搜索MES数据库获得待测插件配置信息,并载入程序。型号比对成功后,移板至夹具中,待测板短路检测,待测板无短路问题时再对待测板上电,并进行后续的功能测试。若测试合格,PLC控制载板轨道将待测板运行至打标机处,盖章后,自动进入下板机;否则不进行盖章操作,进入暂存机。

该系统在公司的生产制造部门经过一段时间的使用,以某种类型的插件为例,2019年5月～2019年11月,MES数据库中有12 439次测试记录,通过率为0.957。测试效率同之前采取的半自动方式相比,测试效率对比如图7所示。由图7可知,效率提高约150%。按照每天工作8 h,平均日产量约400块,且不需要人为干预,只需1人负责巡视和换线,可减少2个调试工程师的人工成本,减少人力资源的投入。

5 结 语

该系统能适应公司生产中心的生产流程控制和产品多品种的现状,设计了测试资源最大化配置,配置灵活,测试覆盖率达100%,准确记录插件软件版本、测试时间,定位故障信息、数据自动统计分析,并与制造信息系统MES进行数据实时交互,为后续插件质量分析提高精准的数据基础。该测试系统采用基于PLC的全自动线体结构,降低操作人员的专业性要求,同时也减少人力资源的投入。基于LabVIEW的终端测试程序,程序采用了共享、重复、移植、扩展性强、支持模块化的软件结构,采用模块化设计的连接测试工装,公共仪器在连接器上的布局不随测试对象改变,只通过更换定制的夹具对不同类型的自动化装置插件进行测试,测试效率高、准确率高,大大缩短了产品的生产周期,具有良好的应用前景。