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(jiǎn)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(jiǎn)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(wàn)用表

中國(guó)分類號(hào)：TB472 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(cè)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(tái)、大電流發(fā)生器、工裝試驗(yàn)臺(tái)、電氣控制系統(tǒng)、高精度萬(wàn)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(cè)量溫度范圍0-200℃；采用安捷倫高精度萬(wàn)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(duì)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(tái)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(cè)量采用4端法測(cè)量

四端法的基本特點(diǎn)是恒流電源通過(guò)兩個(gè)電流引線極將電流供給待測(cè)低值電阻，而數(shù)字電壓表則通過(guò)兩個(gè)電壓引線來(lái)測(cè)量由恒流電源所供電流而在待測(cè)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(duì)測(cè)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(duì)測(cè)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(guò)PLC程序控制每一路的繼電器進(jìn)行分別循環(huán)逐一讀取；

2） 12個(gè)繼電器在軟件上進(jìn)行互鎖；

3）6位半高精度萬(wàn)用表測(cè)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(wàn)用表測(cè)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(cè)量精度高。

3.4 試驗(yàn)溫度測(cè)量方案

熱電偶直接接觸被測(cè)點(diǎn)，由溫度采集模塊采集熱電偶信號(hào)，采集模塊通過(guò)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(tái)架中間，這樣使得熱電偶線的長(zhǎng)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(kāi)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(duì)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(kāi)關(guān)量來(lái)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(wàn)用表表筆測(cè)量1 0個(gè)測(cè)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(cè)試1”至“測(cè)試10”進(jìn)行單獨(dú)測(cè)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(cè)樣件溫度、電壓、電流、時(shí)間等測(cè)量值（長(zhǎng)度手動(dòng)測(cè)量輸入）自動(dòng)采集，能根據(jù)測(cè)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(cè)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(guò)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(kāi)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_(tái)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(guò)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(kù)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(duì)已經(jīng)預(yù)先設(shè)置的試驗(yàn)快速調(diào)用，按”開(kāi)始”試驗(yàn)便可以對(duì)試件施加試驗(yàn)電流，對(duì)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(jí)設(shè)置權(quán)限管理，一級(jí)權(quán)限可對(duì)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(hào)和試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)置試驗(yàn)施加的電流值），二級(jí)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(hào)和需要通過(guò)電流值（如試驗(yàn)項(xiàng)在操作軟件界面沒(méi)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(cè)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(guò)高精度萬(wàn)用表循環(huán)測(cè)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(cè)試點(diǎn)（接合點(diǎn)）測(cè)量長(zhǎng)度和基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)試長(zhǎng)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(duì)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(cè)試點(diǎn)溫度，試驗(yàn)電路中測(cè)試點(diǎn)及基準(zhǔn)點(diǎn)測(cè)試溫度在1小時(shí)內(nèi)前后溫差不超過(guò)1度，認(rèn)為發(fā)熱已經(jīng)穩(wěn)定，且接頭處測(cè)定點(diǎn)溫度不高于基準(zhǔn)點(diǎn)（距接頭處約1米處測(cè)定點(diǎn)）溫度，則試驗(yàn)樣品合格。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，接線端子性能試驗(yàn)臺(tái)采用自動(dòng)化程度校高的PLC及上位機(jī)電氣控制方案來(lái)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(duì)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(cè)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)。