接線端子電氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)電氣控制方案設(shè)計(jì)

申青云

摘要：文章介紹了一種接線端子電氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)電氣自動(dòng)控制方案，包括系統(tǒng)主電路、PLC接線圖、部分程序梯形圖等，簡要控制功能、硬件配置和軟件編程要點(diǎn)。該系統(tǒng)控制精度高、實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，結(jié)構(gòu)簡明，具有很好的推廣及應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：接線端子；可編程控制器；溫度控制；大電流發(fā)生器；高精度萬用表

中國分類號：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）03-0137-03

根據(jù)GB/T 9327-2008《額定電壓35kV （Um=40.5kV）及以下電力電纜導(dǎo)體用壓接式和機(jī)械式連接工具試驗(yàn)方法和要求》、GB/T 34571-2017《軌道交通機(jī)車車輛布線規(guī)則》、EN60352-2-2006《壓接連接一般要求試驗(yàn)方法和實(shí)施指南》要求，試驗(yàn)系統(tǒng)主要用于完成導(dǎo)線從0.5—300mm2范圍內(nèi)裸壓接端頭的接觸電阻測試、極限溫升試驗(yàn)、熱循環(huán)試驗(yàn)、短路試驗(yàn)。試驗(yàn)產(chǎn)品范圍涵蓋機(jī)車車輛、城軌車輛、動(dòng)車、高速列車及其它電氣產(chǎn)品。

1 接線端子電氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及技術(shù)特點(diǎn)

接線端子電氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由控制臺、大電流發(fā)生器、工裝試驗(yàn)臺、電氣控制系統(tǒng)、高精度萬用表、溫度采集系統(tǒng)等部分組成。

采用PLC控制大電流發(fā)生器，可提供交流和直流試驗(yàn)電源。大電流發(fā)生器輸出DC 0-600A連續(xù)可調(diào)，輸出AC 0-1500A連續(xù)可調(diào)；采用溫度采集模塊和熱電偶實(shí)時(shí)采集工件溫度，測量溫度范圍0-200℃；采用安捷倫高精度萬用表，實(shí)時(shí)采集工件的電流電壓，轉(zhuǎn)換為不同溫度下的電阻。

系統(tǒng)設(shè)有手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式，方便操作維護(hù)。能實(shí)現(xiàn)直流電阻、極限溫升和熱循環(huán)等電氣性能試驗(yàn)，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)打印報(bào)表功能。

2 接線端子電氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)基本條件

2.1 接線端子電氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)滿足要求

1） GB/T 9327-2008《額定電壓35kV （Um=40.5kV）及以下電力電纜導(dǎo)體用壓接式和機(jī)械式連接工具試驗(yàn)方法和要求》。

2） GB/T 34571-2017《軌道交通機(jī)車車輛布線規(guī)則》。

3） EN60352-2-2006《壓接連接一般要求試驗(yàn)方法和實(shí)施指南》要求。

2.2 接線端子電氣性能試驗(yàn)工作環(huán)境

1）環(huán)境溫度：0℃-40℃；相對濕度：≤185%。

2）動(dòng)能供應(yīng)：三相AC380V+10%、50HZ。

3）試驗(yàn)時(shí)試驗(yàn)室環(huán)境溫度均勻，試驗(yàn)臺區(qū)域空氣靜止。

3 電氣控制方案設(shè)計(jì)

3.1 直流電阻測量采用4端法測量

四端法的基本特點(diǎn)是恒流電源通過兩個(gè)電流引線極將電流供給待測低值電阻，而數(shù)字電壓表則通過兩個(gè)電壓引線來測量由恒流電源所供電流而在待測低值電阻上所形成的電位差Ux。由于兩個(gè)電流引線極在兩個(gè)電壓引線極之外，因此可排除電流引線極接觸電阻和引線電阻對測量的影響。又由于數(shù)字電壓表的輸入阻抗很高，電壓引線極接觸電阻和引線電阻對測量的影響可忽略不計(jì)。

3.2 電壓數(shù)據(jù)采集方法（圖2）

1） 12路電壓采集，通過PLC程序控制每一路的繼電器進(jìn)行分別循環(huán)逐一讀??；

2） 12個(gè)繼電器在軟件上進(jìn)行互鎖；

3）6位半高精度萬用表測量電壓，數(shù)值精確到1微伏。

3.3 電流數(shù)據(jù)采集方案（圖3）

1）在線路中串聯(lián)一個(gè)分流器，使用6位半高精度的萬用表測量分流器上的壓降，再計(jì)算出電流；

2）選用1500A，75mv，精度0.02的高精度分流器，測量精度高。

3.4 試驗(yàn)溫度測量方案

熱電偶直接接觸被測點(diǎn)，由溫度采集模塊采集熱電偶信號，采集模塊通過通訊到上位機(jī)，數(shù)據(jù)在上位機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理并顯示。溫度采集模塊置于試驗(yàn)臺架中間，這樣使得熱電偶線的長度盡可能的短，減少干擾和誤差。

4 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

4.1 主電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主電路圖如圖4所示，由總開關(guān)保護(hù)斷路器F1提供整個(gè)系統(tǒng)電源，并提供電氣保護(hù)。接觸器KM1可以控制大電流發(fā)生器電源。斷路器F2、控制變壓器T2提供控制電路電源。

4.2 PLC控制設(shè)計(jì)

4.2.1 10地址分配

對接線端子性能試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行分析，確定輸入輸出點(diǎn)數(shù)，并將10地址分配如表1所示：

4.2.2 可編程控制器選型

如表1所示，系統(tǒng)輸入點(diǎn)數(shù)為12點(diǎn)，輸出點(diǎn)數(shù)是17點(diǎn)，據(jù)此選用西門子200系列CPU 6ES7 214-2AD23-OXB8，共18點(diǎn)輸入和10輸出，和西門子200系列數(shù)字量輸出模塊6ES7223-1BH22-OXA8，共8輸出。可滿足控制要求，并選其為晶體管輸出。由開關(guān)量來控制系統(tǒng)的上電、斷電、復(fù)位、輪循控制1 0個(gè)繼電器切換萬用表表筆測量1 0個(gè)測量點(diǎn)電壓、自動(dòng)切換大電流發(fā)生器的交流直流。

4.2.3 10接線設(shè)計(jì)

為了很好的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，需要將PLC與外部設(shè)備相連接，根據(jù)接線端子電氣性能試驗(yàn)系統(tǒng)控制方案要求及IO地址分配情況設(shè)計(jì)PLC的10接線圖如圖5所示.PLC工作電源采用DC24V電源，輸入輸出均采用DC24V電源。由于PLC是晶體管輸出，輸出端連接中間繼電器，增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

5.1 概述

1）試驗(yàn)可以手動(dòng)和自動(dòng)進(jìn)行，手動(dòng)時(shí)按試驗(yàn)步驟分步完成各項(xiàng)試驗(yàn)，試驗(yàn)加載電流需要試驗(yàn)時(shí)手動(dòng)輸入，包含接通方向選擇如“正向接通”或者“反向接通”，“測試1”至“測試10”進(jìn)行單獨(dú)測量。這樣可以分步詳細(xì)驗(yàn)證各個(gè)試驗(yàn)步驟和進(jìn)行比較，以及驗(yàn)證試驗(yàn)系統(tǒng)自身計(jì)量。

2）按試驗(yàn)項(xiàng)目待測樣件溫度、電壓、電流、時(shí)間等測量值（長度手動(dòng)測量輸入）自動(dòng)采集，能根據(jù)測量值自動(dòng)計(jì)算出電阻比率、電阻比率離散度、電阻比率變化量等值，溫度曲線實(shí)時(shí)記錄，根據(jù)溫度變化條件判斷溫度穩(wěn)定狀態(tài)并記錄數(shù)值，自動(dòng)計(jì)算判斷試件試驗(yàn)結(jié)果功能；

3）根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求以及試驗(yàn)邏輯關(guān)系，設(shè)計(jì)試驗(yàn)控制軟件（PLC控制程序部分如圖6、圖7），按照數(shù)據(jù)計(jì)算和處理功能建立模型采用圖形化編程設(shè)計(jì)軟件（如圖8），上位機(jī)程序分為主程序和子程序，其中管理界面、注冊界面、密碼界面、試驗(yàn)界面為主程序，用于完成人機(jī)交互的功能，試驗(yàn)人員可以通過該界面進(jìn)行啟停操作、參數(shù)設(shè)置、狀態(tài)觀察等作業(yè)，其他的開關(guān)面板、登錄系統(tǒng)、溫度比較、數(shù)據(jù)采集等子程序?yàn)楹笈_運(yùn)行程序，用于完成程序的計(jì)算、記錄、生成報(bào)表等功能；

4）相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以實(shí)時(shí)的在電腦屏幕上顯示，所有數(shù)據(jù)能通過總線方式將數(shù)據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)，并能在計(jì)算機(jī)上的控制軟件顯示輸出并打印；

5）試驗(yàn)結(jié)果采用數(shù)據(jù)庫的方式進(jìn)行管理，可以按照不同的相關(guān)字段進(jìn)行快速查詢；

6）試驗(yàn)結(jié)果可以自動(dòng)保存或有選擇性的保存、可自動(dòng)生成試驗(yàn)報(bào)告單；

7）操作界面可實(shí)現(xiàn)對已經(jīng)預(yù)先設(shè)置的試驗(yàn)快速調(diào)用，按”開始”試驗(yàn)便可以對試件施加試驗(yàn)電流，對試件進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)如直流電阻、溫度進(jìn)行自動(dòng)采集；

8）操作可分級設(shè)置權(quán)限管理，一級權(quán)限可對試驗(yàn)項(xiàng)進(jìn)行預(yù)先設(shè)置及進(jìn)行修改（如根據(jù)試件規(guī)格型號和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置試驗(yàn)施加的電流值），二級權(quán)限只可以進(jìn)行試驗(yàn)操作調(diào)用已經(jīng)設(shè)置好的試驗(yàn)項(xiàng)，可以手動(dòng)輸入試驗(yàn)樣品規(guī)格型號和需要通過電流值（如試驗(yàn)項(xiàng)在操作軟件界面沒有預(yù)先設(shè)置時(shí)）。

5.2 直流電阻試驗(yàn)原理

直流電阻測試按照標(biāo)準(zhǔn)要求，在試驗(yàn)回路中按電纜接線端子規(guī)格尺寸加載相應(yīng)的直流電流（常用規(guī)格已經(jīng)在程序中預(yù)先進(jìn)行設(shè)定，調(diào)用接線端子規(guī)格就按照程序自動(dòng)進(jìn)行）通過高精度萬用表循環(huán)測量各點(diǎn)正向電流及反向電流兩種情況下電壓和電流值（伏安法）計(jì)算出電阻平均值，根據(jù)測試點(diǎn)（接合點(diǎn)）測量長度和基準(zhǔn)點(diǎn)測試長度，按照標(biāo)準(zhǔn)建立數(shù)學(xué)模型公式K=（Rj*Lr）/（Lj*Rr）

5.3 極限溫升試驗(yàn)原理

直流電阻試驗(yàn)完成后，試驗(yàn)可自動(dòng)進(jìn)入極限溫升試驗(yàn)，此時(shí)程序控制大電流發(fā)生器輸出對應(yīng)的交流電流值（交直流具有安全互鎖），按照標(biāo)準(zhǔn)加載交流試驗(yàn)電流后，系統(tǒng)連續(xù)實(shí)時(shí)采集各測試點(diǎn)溫度，試驗(yàn)電路中測試點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)測試溫度在1小時(shí)內(nèi)前后溫差不超過1度，認(rèn)為發(fā)熱已經(jīng)穩(wěn)定，且接頭處測定點(diǎn)溫度不高于基準(zhǔn)點(diǎn)（距接頭處約1米處測定點(diǎn)）溫度，則試驗(yàn)樣品合格。

6 結(jié)語

綜上所述，接線端子性能試驗(yàn)臺采用自動(dòng)化程度校高的PLC及上位機(jī)電氣控制方案來試驗(yàn)直流電阻試驗(yàn)、極限溫升試驗(yàn)，熱循環(huán)等試驗(yàn)，可以對電纜或其他導(dǎo)體壓接或采用其他接合形式進(jìn)行載流電性能試驗(yàn)，確保電路中采用壓接或其他連接形式實(shí)際通電性能可靠，試驗(yàn)方案能最大程度提高試驗(yàn)效率，試驗(yàn)安全可靠、自動(dòng)測試容易操作、試驗(yàn)精度性和準(zhǔn)確性高，可以廣泛應(yīng)用于電纜或電纜連接載流性能試驗(yàn)。