基于PLC的三相電流瞬時切換及監(jiān)控裝置的研制

陸軼張 婧 甘紅勝 梁輝 趙志嵩 李廣超 王少波

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術研究院 上海 200072；2.上海出入境檢驗檢疫局）

1 前言

器具開關產(chǎn)品應用廣泛，在各類家電設備、自動化控制系統(tǒng)、電子及電力裝置起著切斷危險電壓的作用。其質(zhì)量安全直接關系到整機安全，甚至危及到使用者的人身安全和財產(chǎn)安全。據(jù)研究，器具開關的觸點之間是典型失效發(fā)生的關鍵位置。因而，對器具開關進行耐久性安全檢測，是判斷其質(zhì)量的基本方法[1]。

國際上，最新的器具開關檢測標準版本為IEC 61058-1-1：2016[2]和 IEC 61058-1-2：2016[3]，對產(chǎn)品耐久性檢測的測試時間及試驗電流提出更高的檢測要求。當前的數(shù)據(jù)采集設備普遍采用多年前的設計方法，技術水平較為落后，沒有得到及時更新，對測試效率及準確性有極大的影響。

本文結合PLC控制及組態(tài)監(jiān)控技術，著眼于搭建具有開放性、模塊化特征的測試系統(tǒng)，研制出能滿足器具開關耐久性檢測要求的6倍電流毫秒級的自動轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集裝置，有效提高器具開關及其他產(chǎn)品耐久性測試的技術水平。

2 測試裝置的技術要求

本文研制的三相電流瞬時切換及監(jiān)控裝置，應適用于IEC 61058-1-1和IEC 61058-1-2標準意義范圍內(nèi)所有器具開關產(chǎn)品的耐久性檢測，尤其對帶有電阻性和/或電動機負載電路、功率因素不小于0.6的堵轉(zhuǎn)電動機特殊負載電路、感性負載電路中的產(chǎn)品，要完成耐久性檢測項目中6倍電流（6In@cosφ=0.6±0.05）測量電路和 1 倍電流（In@cosφ≥0.9）測量電路的毫秒級自動轉(zhuǎn)換，同時完成數(shù)據(jù)的實時采集。對檢測過程中的數(shù)據(jù)采集設備提出了高速、精準的專業(yè)要求，應具備自動化程度高、響應快的特點。

為了滿足這些要求，本測試裝置的關鍵技術指標設計見表1。

表1 測試裝置的技術要求

3 測試裝置的硬件設計

3.1 設計原理

測試裝置通過采用PLC與觸摸屏[4]的配合使用，構成其硬件部分，能實現(xiàn)自動化和智能化的要求，主要基于以下原因：（1）成熟的應用技術，優(yōu)良的抗干擾能力；（2）安裝便捷、快速；（3）編程方法易于掌握，入門簡單；（4）能使硬件簡潔、緊湊，提高可靠性。

在耐久試驗中，可通過觸摸屏進行任意手動控制切換，并設定切換時間，由PLC按編程數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動控制，完成器具開關樣品6倍電流測量電路到1倍電流測量電路自動轉(zhuǎn)換的要求，以及數(shù)據(jù)采集和輸出控制等功能。測試裝置的硬件結構圖見圖1。

圖1 硬件結構圖

通過觸摸屏選擇是否接通6倍電流測試電路。若接通，需要對6倍電流電路至1倍電流電路的切換時間進行設置。由PLC根據(jù)設定信號對電路進行控制，試驗樣品進入測試狀態(tài)。電壓變送器將采集到的負載反饋信號傳遞給PLC，作為電路切換控制的起始點，經(jīng)歷毫秒級的切換時間后，PLC將負載電路自動切換至1倍電流電路，并由電參數(shù)測試儀采集試驗數(shù)據(jù)。整個測試過程中，包括電路切換前后，PLC高速采集所有的數(shù)據(jù)信號，傳輸至觸摸屏上進行顯示和記錄。對于接通瞬間的大電流參數(shù)，還可以利用觸摸屏上的“記錄”按鈕進行記錄。

3.2 總體結構

本文所研制的測試裝置具備三路接口，可同時對3個樣品進行檢測。為了滿足瞬時大電流電路控制及監(jiān)控功能，每路接口分為四組端口，分別用于6倍電流測量電路接入、負載電壓反饋電路、電源輸入和負載輸出，采集端口彼此獨立，可以對通電狀態(tài)下樣品的輸出參數(shù)進行自動監(jiān)控。

3.3 PLC控制模塊

PLC控制模塊部分采用了西門子S7-200 smart PLC[5]，由ST30型CPU進行控制，該款CPU共有30個數(shù)字量I/O點，包括18個輸入端和12個輸出端。另外還集成了1個以太網(wǎng)接口和1個RS-485通信接口，具有18 KB的程序存儲器、12KB的數(shù)據(jù)存儲器、最大10 KB保持性存儲器、6個獨立高速計數(shù)器、3個獨立的100 kHz高速脈沖輸出、8組PID回路及多種通信協(xié)議模式。

對測試裝置的輸入及輸出元件分配I/O地址，相關分配如表2所示。

表2 輸入/輸出分配表

PLC控制模塊在硬件上增加了隔離、濾波等功能，有效地抑制和消除了干擾，較好地發(fā)揮了其可靠性高、邏輯判斷和控制能力強特點，而且在不變動硬件的條件下，通過編制不同的程序即可實現(xiàn)不同的功能。

3.4 電參數(shù)采集

測試裝置除了要對間隔時間僅為幾十毫秒6倍電流電路中的參數(shù)進行測量，還需測定正常情況下的1倍電壓、電流、功率、功率因素、頻率等電力參數(shù)，故測試裝置選用了青島青智儀器有限公司生產(chǎn)的電參數(shù)測試儀，型號為8962C1，進行功能性的組合，能更便捷地采集數(shù)據(jù)，更好地實現(xiàn)設計目的。由于采用了高速內(nèi)核并配備了200 k的高速A/D進行采樣，該測試儀的運算速度可以達到100 MIPS。該儀表結構簡單，內(nèi)部高度集成，具有良好的可靠性和準確度。該儀表的主要測試對象為電壓、電流、功率、功率因數(shù)、頻率、電能累計等參數(shù)，數(shù)據(jù)記錄、錄波以及間隔時間為20 ms的瞬態(tài)測試功能，能在瞬態(tài)測試開始后12 s內(nèi)捕捉到各參數(shù)的最大和最小值。

3.5 人機界面

測試裝置采用西門子SIMATIC精彩系列面板中的SMART 700 IE[6]，滿足設計的性能要求。該款人機界面使用16∶9寬屏液晶顯示分辨率較高，通過觸摸操作可實現(xiàn)操作員式的控制和監(jiān)視，以及復雜機器的可視化，使設備的操作變得更加輕松快捷。該面板采用了SIMATIC WinCC flexible 2008軟件，由于基于Windows系統(tǒng)，可以在PC上直接對組態(tài)進行模擬，簡單且高效。組態(tài)時，通過集中訪問數(shù)據(jù)庫，能利用已有架構進行設計，避免輸入的重復，從而降低設計開發(fā)的成本。

4 測試裝置的軟件設計

測試裝置采用STEP7-Micro/Win smart軟件實現(xiàn)PLC的編程，并采用WinCC flexible 2008軟件實現(xiàn)人機界面的設計，兩款軟件的應用，無論是程序的編寫、調(diào)試，還是存取都十分簡便。

對器具開關產(chǎn)品的耐久性檢測要求進行分析后，繪制相關耐久試驗模塊流程圖，見圖2。試驗中，需要完成6倍電流電路測量模塊或1倍電流電路測量模塊或人工測試模塊的選擇、切換時間的設定、通路的選擇、電參數(shù)的采集等功能。為了滿足這些要求，采用主程序調(diào)用子程序的方式，實現(xiàn)各功能模塊和相關變量的設定，并由RS485端口實現(xiàn)人機界面和組態(tài)PC的連接，完成人機界面與PLC的通訊[7]。圖3是設備啟動后顯示的初始人機交互界面。

圖3 界面顯示

5 結論

本文所研制的三相電流瞬時切換及監(jiān)控裝置，具有模塊化、集成化的特征，實現(xiàn)了自動化程度高、響應快的要求。經(jīng)計量驗證，該裝置對電壓、電流、頻率參數(shù)的測量精度均達到±1%，對切換時間的控制精度為±5 ms，較之傳統(tǒng)時間繼電器控制的負載切換，本裝置的數(shù)據(jù)采集準確度更高，控制精準度更優(yōu)，有效提升了實驗室的檢測技術水平，并為廣大生產(chǎn)企業(yè)提供了更優(yōu)質(zhì)的檢測服務。

[1] 張瑋昌，陳平，劉瀅，等.器具開關接通、分斷能力的探討//上海市電機工程學會，上海市電工技術學會.第十一屆學術年會論文集 （電氣器具專委會）[C].上海：上海市電機工程學會，2011：143-149.

[2] IEC 61058-1-1：2016.Switches for appliances–Part 1-1：Requirements for mechanical switches[S].

[3] IEC 61058-1-2：2016.Switches for appliances–Part 1-2：Requirements for electronic switches[S].

[4] 吳家任，張桂香.基于PLC-觸摸屏的電控柜檢測系統(tǒng)設計[J].微機計算機信息，2012，（2）：25-27.

[5] 西門子（中國）有限公司自動化驅(qū)動集團.SIMATIC S7 S7-200 SMART系統(tǒng)手冊[EB/OL].[2017-02-24].https：//support.industry.siemens.com/cs/document/109745610/s7-200-smart-%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E6%89%8B%E5%86%8C-?dti=0&pnid=21148&lc=zh-CN.

[6] 西門子（中國）有限公司自動化驅(qū)動集團.SIMATIC HMI設備Smart 700 IE、Smart 1000 IE操作說明[EB/OL][2013-05-01].https：//support.industry.siemens.com/cs/document/62543340/simatic-hmi%E8%AE%BE%E5%A4%87-smart-700-ie%E3%80%81smart-1000-ie-%E6%93%8D%E4%BD%9C%E8%AF%B4%E6%98%8E?dti=0&lc=zh-CN，

[7] 余丹，于建順.STEP7模擬調(diào)試及實現(xiàn)與WinCC連接的仿真[J].現(xiàn)代電子技術，2010，（14）：81-83.