在現代工業生產中，電動葫蘆、自動生產線及工地升降機等移動式用電設備得到廣泛的應用。這些設備共同的特殊點在于，工作時需要不斷地移動位置，而在不同位置需要隨時獲得動力電源，否則就無法繼續移動和工作。這對它們提出了特殊的要求，即移動供電，由此，滑觸式母線干線系統（以下簡稱滑觸線）應運而生。滑觸線因具有安全性強、導電能力強和性能穩定等特點，成為移動式用電設備優選的供電方式。

導軌耐磨性好、承壓能力強以及集電器滑觸機構穩定性好是確保滑觸線穩定供電的前提。而對滑觸線集電器機械操作性能的考核是一種有效的驗證評價手段。因此，性能良好的滑觸線集電器機械操作性能自動檢測裝置一直是低壓電器檢測工作者的研究目標。

有學者設計了一種采用異步電動機驅動、齒輪齒條傳動和傳統電氣控制箱控制的水平方向滑觸線耐久性的檢測裝置。有學者設計了一種采用異步電機驅動、V帶和導軌傳動以及普通電氣控制的水平方向滑觸線耐久性的檢測裝置。有學者設計了一種采用氣缸驅動、活塞桿和導軌傳動以及普通電氣控制的水平方向滑觸線壽命及性能的檢測裝置。

與此不同，本文綜合考慮使用場合、精確驅動、傳動和控制以及交互方式等多種因素，設計研發出一種采用伺服電機驅動、同步帶電動模組傳動，利用可編程邏輯控制器（programmable logic controller, PLC）控制和觸摸屏人機交互的、具有水平和垂直雙方向滑觸線機械操作性能的全自動檢測裝置。

1 硬件設計

國家標準GB/T 7251.6—2015《低壓成套開關設備和控制設備 第6部分：母線干線系統（母線槽）》中8.1.5及10.13條關于滑觸線集電器機械操作性能試驗的要求如下：帶有滑觸式分接裝置的母線干線系統應能夠沿母線干線通道的導體來回移動10000次，其滑觸接觸件應在電壓下承載額定電流；分接裝置的觸輪滑動速度和滑動距離應與其設計使用條件一致，若觸輪用于支撐一件工具或者其他機械負載，則應在試驗時暫停其等效重量。

因此，根據該要求并綜合考慮滑觸線使用場合、驅動和傳動動力、控制和交互方式等多種因素，本文設計出符合設計使用要求的、可實現3m滑動距離（滿足1m和2m兩種長度滑觸線單元拼接后的檢測）和1.5m/s及以下滑動速度的滑觸線集電器檢測裝置。整體硬件系統框架如圖1所示。

圖1 整體硬件系統框架圖

從圖1中可見，電源模塊給人機交互模塊和控制模塊等供電，通過人機交互模塊設置動作參數、運行模式、操作方法，并將其輸入執行控制模塊；執行控制模塊再根據所設計的程序來分別控制驅動模塊、傳動模塊和限位保護模塊，配合滑動組件完成機械操作性能的檢測工作。

系統還設置了整個系統的急停保護模塊，用于意外緊急停電制動；設置了垂直支撐和保護模塊，用于可靠實現滑觸線的垂直安裝，保證集電器在垂直方向的安全滑動。

PLC包含了邏輯控制、時序控制、模擬控制、通信等各類功能，在擴展性和可靠性方面的優勢使其被廣泛應用于各工業控制領域。本裝置的執行控制量包括滑動距離、滑動速度及檢測模式等重要參數，因此采用帶有16路輸入/輸出的Samkoon FGs-32系列PLC，配套Samkoon AK系列基于Android系統的觸摸屏，處理器為Cortex A8。

結合圖1所示的硬件系統框架圖，利用三維機械設計軟件Solidworks設計了檢測裝置的整體機械構架及硬件布置圖，如圖2所示。圖2中的驅動、傳動和限位保護3個核心模塊的主要設備及配置如下所述。

1）驅動模塊

驅動模塊由伺服控制器、伺服電機和減速器組成。定位時間短，可精確完成對電動機速度控制、位置控制和轉矩控制。本裝置采用了MS1系列的伺服電機，額定功率為400W，額定轉速為3000r/min，轉矩為1.27N?m。

圖2 整體構架及硬件布置圖

2）傳動模塊

傳動模塊采用全封閉型同步帶電動模組，傳動效率高，運動速度快，長距離傳動時穩定可靠。本裝置的模組行程為3.1m，節距為162mm，重復定位精度為0.05mm，最大傳動速度為1.6m/s。

3）限位保護模塊

限位保護模塊采用光電傳感器，分辨率高，響應速度快。本裝置的光電傳感器檢測寬度為5mm（卡槽），輸出方式為PNP NO/NC。

2 軟件設計

2.1 觸摸屏控制系統的設計

根據硬件部分的設計結果，可以制定觸摸屏控制系統部分，總體流程如下：①根據滑觸線的安裝方式確定運行模式（包括水平、垂直方向）；②將伺服回零定位，進行檢測運行參數設置（包括距離、速度等）；③選擇自動或手動執行方式并執行相應的程序。觸摸屏控制系統的整體框架如圖3所示。系統包含了模式選擇、伺服回零、參數設置、操作方式選擇等4個主要功能模塊。

根據圖3所示的觸摸屏控制系統框架圖，設計了觸摸屏控制部分的整體操作界面，如圖4所示。在圖4中可見，在主界面有運行模式和操作方法的選擇，有啟動/停止按鍵以及實時數據、運行狀態的顯示，還有手動操作界面、參數設置界面和顯示各控制點執行動作狀態的拓展界面，實現了裝置軟件的操作功能合理的整合和分類。所有這些功能操作均能在觸摸屏上實現。

圖3 觸摸屏控制系統的整體框架圖

圖4 觸摸屏控制部分的整體操作界面

2.2 PLC控制程序的設計

結合標準對滑觸線集電器的檢測要求和前文所述硬件以及觸摸屏控制系統的設計結果，設計了PLC自動控制程序流程圖，如圖5所示。控制程序分為水平狀態和垂直狀態，控制程序總體可被劃分為開始、運行和暫停/結束3個階段。在運行階段，除了滑動方向外，其余的整體控制程序流程基本一致；在開始階段，除了檢測安裝平臺是否到位外，兩個狀態的控制流程恰好是相反的；而在結束或暫停階段，控制流程是基本一致的。

圖5 PLC自動控制程序流程圖

按照以上設計結果，搭建了滑觸線集電器機械操作性能檢測裝置，已在水平、垂直方向分別進行了幾千次運行，該裝置展現出了良好的檢測性能。此外，還考慮配置了各階段的手動操作功能，用于自動循環檢測前的安裝調試。

3 結論

為了更好地考核滑觸線集電器的穩定和耐磨等性能，本文設計了一種全自動的性能檢測裝置。在框架和流程設計中，分別對軟、硬件及控制程序進行了詳細分析：在硬件方面，采用高性能的伺服電機、同步帶電動模組、光電傳感器等作為核心部件；在軟件方面，配合觸摸屏設計了友好的人機交互操作界面，并將軟件功能在界面上進行了合理的歸類和整合；在控制方面，采用擴展性及可靠性良好的PLC，實現了對裝置的整體控制。