一种滑触线集电器机械操作性能自动检测装置
滑触线已逐步成为移动式用电设备优选的供电方式。福建省产品质量检验研究院的研究人员曾作钦、胡晓芳、陈有昌、孔云，在2020年第3期《电气技术》杂志上撰文，针对滑触线集电器机械操作性能自动检测问题，设计了一种可实现多状态机械操作性能检测的自动装置。
在现代工业生产中，电动葫芦、自动生产线及工地升降机等移动式用电设备得到广泛的应用。这些设备共同的特殊点在于，工作时需要不断地移动位置，而在不同位置需要随时获得动力电源，否则就无法继续移动和工作。这对它们提出了特殊的要求，即移动供电，由此，滑触式母线干线系统（以下简称滑触线）应运而生。滑触线因具有安全性强、导电能力强和性能稳定等特点，成为移动式用电设备优选的供电方式。
导轨耐磨性好、承压能力强以及集电器滑触机构稳定性好是确保滑触线稳定供电的前提。而对滑触线集电器机械操作性能的考核是一种有效的验证评价手段。因此，性能良好的滑触线集电器机械操作性能自动检测装置一直是低压电器检测工作者的研究目标。
有学者设计了一种采用异步电动机驱动、齿轮齿条传动和传统电气控制箱控制的水平方向滑触线耐久性的检测装置。有学者设计了一种采用异步电机驱动、V带和导轨传动以及普通电气控制的水平方向滑触线耐久性的检测装置。有学者设计了一种采用气缸驱动、活塞杆和导轨传动以及普通电气控制的水平方向滑触线寿命及性能的检测装置。
与此不同，本文综合考虑使用场合、精确驱动、传动和控制以及交互方式等多种因素，设计研发出一种采用伺服电机驱动、同步带电动模组传动，利用可编程逻辑控制器（programmable logic controller, PLC）控制和触摸屏人机交互的、具有水平和垂直双方向滑触线机械操作性能的全自动检测装置。
1 硬件设计
国家标准GB/T 7251.6—2015《低压成套开关设备和控制设备 第6部分：母线干线系统（母线槽）》中8.1.5及10.13条关于滑触线集电器机械操作性能试验的要求如下：带有滑触式分接装置的母线干线系统应能够沿母线干线通道的导体来回移动10000次，其滑触接触件应在电压下承载额定电流；分接装置的触轮滑动速度和滑动距离应与其设计使用条件一致，若触轮用于支撑一件工具或者其他机械负载，则应在试验时暂停其等效重量。
因此，根据该要求并综合考虑滑触线使用场合、驱动和传动动力、控制和交互方式等多种因素，本文设计出符合设计使用要求的、可实现3m滑动距离（满足1m和2m两种长度滑触线单元拼接后的检测）和1.5m/s及以下滑动速度的滑触线集电器检测装置。整体硬件系统框架如图1所示。
图1 整体硬件系统框架图
从图1中可见，电源模块给人机交互模块和控制模块等供电，通过人机交互模块设置动作参数、运行模式、操作方法，并将其输入执行控制模块；执行控制模块再根据所设计的程序来分别控制驱动模块、传动模块和限位保护模块，配合滑动组件完成机械操作性能的检测工作。
系统还设置了整个系统的急停保护模块，用于意外紧急停电制动；设置了垂直支撑和保护模块，用于可靠实现滑触线的垂直安装，保证集电器在垂直方向的安全滑动。
PLC包含了逻辑控制、时序控制、模拟控制、通信等各类功能，在扩展性和可靠性方面的优势使其被广泛应用于各工业控制领域。本装置的执行控制量包括滑动距离、滑动速度及检测模式等重要参数，因此采用带有16路输入/输出的Samkoon FGs-32系列PLC，配套Samkoon AK系列基于Android系统的触摸屏，处理器为Cortex A8。
结合图1所示的硬件系统框架图，利用三维机械设计软件Solidworks设计了检测装置的整体机械构架及硬件布置图，如图2所示。图2中的驱动、传动和限位保护3个核心模块的主要设备及配置如下所述。
1）驱动模块
驱动模块由伺服控制器、伺服电机和减速器组成。定位时间短，可精确完成对电动机速度控制、位置控制和转矩控制。本装置采用了MS1系列的伺服电机，额定功率为400W，额定转速为3000r/min，转矩为1.27N·m。
图2 整体构架及硬件布置图
2）传动模块
传动模块采用全封闭型同步带电动模组，传动效率高，运动速度快，长距离传动时稳定可靠。本装置的模组行程为3.1m，节距为162mm，重复定位精度为0.05mm，最大传动速度为1.6m/s。
3）限位保护模块
限位保护模块采用光电传感器，分辨率高，响应速度快。本装置的光电传感器检测宽度为5mm（卡槽），输出方式为PNP NO/NC。
2 软件设计
2.1 触摸屏控制系统的设计
根据硬件部分的设计结果，可以制定触摸屏控制系统部分，总体流程如下：①根据滑触线的安装方式确定运行模式（包括水平、垂直方向）；②将伺服回零定位，进行检测运行参数设置（包括距离、速度等）；③选择自动或手动执行方式并执行相应的程序。触摸屏控制系统的整体框架如图3所示。系统包含了模式选择、伺服回零、参数设置、操作方式选择等4个主要功能模块。
根据图3所示的触摸屏控制系统框架图，设计了触摸屏控制部分的整体操作界面，如图4所示。在图4中可见，在主界面有运行模式和操作方法的选择，有启动/停止按键以及实时数据、运行状态的显示，还有手动操作界面、参数设置界面和显示各控制点执行动作状态的拓展界面，实现了装置软件的操作功能合理的整合和分类。所有这些功能操作均能在触摸屏上实现。
图3 触摸屏控制系统的整体框架图
图4 触摸屏控制部分的整体操作界面
2.2 PLC控制程序的设计
结合标准对滑触线集电器的检测要求和前文所述硬件以及触摸屏控制系统的设计结果，设计了PLC自动控制程序流程图，如图5所示。控制程序分为水平状态和垂直状态，控制程序总体可被划分为开始、运行和暂停/结束3个阶段。在运行阶段，除了滑动方向外，其余的整体控制程序流程基本一致；在开始阶段，除了检测安装平台是否到位外，两个状态的控制流程恰好是相反的；而在结束或暂停阶段，控制流程是基本一致的。
图5 PLC自动控制程序流程图
按照以上设计结果，搭建了滑触线集电器机械操作性能检测装置，已在水平、垂直方向分别进行了几千次运行，该装置展现出了良好的检测性能。此外，还考虑配置了各阶段的手动操作功能，用于自动循环检测前的安装调试。
3 结论
为了更好地考核滑触线集电器的稳定和耐磨等性能，本文设计了一种全自动的性能检测装置。在框架和流程设计中，分别对软、硬件及控制程序进行了详细分析：在硬件方面，采用高性能的伺服电机、同步带电动模组、光电传感器等作为核心部件；在软件方面，配合触摸屏设计了友好的人机交互操作界面，并将软件功能在界面上进行了合理的归类和整合；在控制方面，采用扩展性及可靠性良好的PLC，实现了对装置的整体控制。