智能線纜短路檢測(cè)創(chuàng)新應(yīng)用

薛紅波，毛 凱，成 義，昝文博

（聯(lián)合汽車電子有限公司西安廠，陜西西安 710117）

0 引言

隨著設(shè)備自動(dòng)化程度越來(lái)越高，機(jī)器人、伺服、電缸、自動(dòng)上料和分揀設(shè)備大量應(yīng)用。設(shè)備信號(hào)電纜由原來(lái)的固定方式變改為移動(dòng)方式。由于運(yùn)動(dòng)造成的電纜折損故障頻繁發(fā)生，最讓維修人員頭疼的是線纜短路故障，由于短路使得開關(guān)電源電壓驟降、電流飆升，使開關(guān)電源進(jìn)入過(guò)流保護(hù)狀態(tài)，導(dǎo)致設(shè)備控制系統(tǒng)失去供電而停機(jī)。短路故障點(diǎn)往往不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，需要花費(fèi)大量時(shí)間排查線路。針對(duì)上述問題，結(jié)合工廠實(shí)際情況，自主研發(fā)出了一套智能電纜短路測(cè)試模塊。

智能電纜短路測(cè)試儀是一種采用全新設(shè)計(jì)理念的高性能、高可靠性的智能化工業(yè)測(cè)量控制儀表，專為工廠自動(dòng)化設(shè)備、機(jī)床設(shè)備、機(jī)器人等自動(dòng)化設(shè)備設(shè)計(jì)，廣泛應(yīng)用于汽車、電子、化工、冶金熱處理機(jī)加等行業(yè)。其主要特點(diǎn)有：采用先進(jìn)的STC處理器、處理速度快、接口部件簡(jiǎn)單、可靠性高、穩(wěn)定性強(qiáng)。智能電纜短路測(cè)試儀能夠?qū)崟r(shí)檢測(cè)負(fù)載電流情況，對(duì)于短路和過(guò)流等異常情況能在20 ms 內(nèi)做出響應(yīng)，切斷異常負(fù)載回路，避免由于短路造成開關(guān)電源保護(hù)，影響其他設(shè)備的正常工作，從保證系統(tǒng)的最大可用性。

1 故障模式分析和解決方案研究

1.1 故障模式分析

設(shè)備線纜短路故障是檢修工作中的難點(diǎn)。圖1 是工廠供電正常的線路圖，由銅導(dǎo)線的電阻系數(shù)和線纜長(zhǎng)度可以算出短路時(shí)的回路電流為18 A，正常供電下斷路器選配為6 A，C 型斷路器的脫扣電流為84 A，所以在短路發(fā)生時(shí)斷路器不能起到脫扣保護(hù)功能，進(jìn)而造成開關(guān)電源過(guò)流保護(hù)。

圖1 線路示意

開關(guān)電源過(guò)流保護(hù)將造成由它供電的所有設(shè)備停機(jī)，導(dǎo)致PLC 關(guān)機(jī)、輸入輸出復(fù)位、報(bào)警信息被清除、安全控制回路斷開、電源負(fù)載斷開。短路情況消失后重新上電，短路故障還會(huì)再次出現(xiàn)。周而復(fù)始，造成設(shè)備間斷性掉電。故障信息不能顯示，故障點(diǎn)不能快速診斷，是影響故障排除的根本原因。設(shè)備中往往線路繁多，排除故障需要花費(fèi)大量時(shí)間，而長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)對(duì)于自動(dòng)化流水線是不能接受的。

1.2 解決方案研究

線纜短路故障雖然發(fā)生頻率低，但是每次排查維修查找原因都要花費(fèi)大量時(shí)間和人力，基于此維修團(tuán)隊(duì)著手研發(fā)了一套智能電纜短路測(cè)試裝置，主要功能如下：

（1）測(cè)量精準(zhǔn)。能準(zhǔn)確測(cè)量并監(jiān)控負(fù)載電流，記錄負(fù)載電流波動(dòng)趨勢(shì)，并能按實(shí)際情況設(shè)定閾值，根據(jù)電流變化及時(shí)預(yù)警。

（2）響應(yīng)迅速。在電纜發(fā)生短路情況時(shí)，能在電源過(guò)流保護(hù)前做出響應(yīng)，切斷故障回路的負(fù)載，保證設(shè)備最大的可用性，同時(shí)輸出報(bào)警信息，準(zhǔn)確定位故障點(diǎn)，結(jié)合線路預(yù)排，實(shí)現(xiàn)短路故障的快速維修處理。

（3）體積小巧。測(cè)量裝置需要能集成到設(shè)備電氣柜內(nèi)。

通過(guò)以上研究，并結(jié)合工廠供電及電器柜的特點(diǎn)，認(rèn)為替換目前電氣柜內(nèi)的接線端子可以節(jié)省空間，且能保證改動(dòng)量最小（圖2）。

圖2 端子示意

2 電路設(shè)計(jì)

2.1 功能設(shè)計(jì)要求

功能和邏輯要求：

（1）上電后實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)負(fù)載回路電流，根據(jù)預(yù)設(shè)邏輯做出判斷和動(dòng)作輸出。

（2）手動(dòng)開關(guān)功能。按鈕開關(guān)，每按一次按鈕切換一次輸出狀態(tài)（開關(guān)管），并鎖存此狀態(tài)，斷電重啟后狀態(tài)可以保持。

（3）上電后開關(guān)管工作狀態(tài)保持?jǐn)嚯娗暗墓ぷ鳡顟B(tài)。檢測(cè)工作電流，如果電流大于設(shè)定閾值，則關(guān)閉輸出狀態(tài)，并暫存此狀態(tài)。當(dāng)檢測(cè)電流恢復(fù)到閾值以內(nèi)后，按手動(dòng)開關(guān)再次進(jìn)入監(jiān)控狀態(tài)。

（4）負(fù)載短路時(shí)，能關(guān)斷當(dāng)前通道負(fù)載。響應(yīng)時(shí)間需要小于開關(guān)電源的保護(hù)響應(yīng)時(shí)間。

（5）報(bào)警狀態(tài)可以通過(guò)邏輯信號(hào)輸出，且可以切換輸出電平（PNP/NPN）。

（6）LED 三色指示燈、LED 數(shù)碼管實(shí)現(xiàn)狀態(tài)顯示功能。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)要求

（1）工作電壓DC 24 V 或AC 220 V。

（2）電流測(cè)試范圍0～30 A 可調(diào)，測(cè)量精度和顯示精度0.05 A，不確定性0.01 A。

（3）響應(yīng)時(shí)間不超過(guò)10 ms。

（4）工作溫度-15～+60 ℃。

（5）濕度0～60%RH。

（6）MTTR 大于10 000 h。

（7）開關(guān)壽命50 000 000 次。

為保證測(cè)量精度，選用精度為1%的高精度元器件。為提高抗干擾能力，供電電源采用二次隔離降壓模式，具體電路如圖3所示。

圖3 二次隔離降壓電路

根據(jù)以上要求，采用STC 單片機(jī)及高速數(shù)據(jù)采集電流信號(hào)，并通過(guò)可控硅實(shí)現(xiàn)負(fù)載可控，控制原理如圖4 所示。

圖4 控制原理

3 PCB 制版和程序編制

3.1 PCB 制版和BOM 清單

根據(jù)原理圖和外形圖尺寸，使用Altium Designer Summer 09軟件設(shè)計(jì)PCB 板（圖5）。

圖5 PCB 制版

3.2 硬件配置程序編制

電流采樣使用10 mΩ 高精度電阻采集回路電流，并通過(guò)AD/DA 單元采樣電阻上的電壓信號(hào)。調(diào)整采樣頻率，每2 ms 中斷一次讀取AD 值（圖6）。為避免干擾，在程序中每隔0.6 ms 跟蹤放大器電流的上升，根據(jù)相鄰兩個(gè)上升段的中間值之差來(lái)確定電流是否有異常，程序編制如圖7 所示。。

圖6 中斷示意

圖7 程序編制

4 功能測(cè)試與驗(yàn)證

通過(guò)25 pC 短路測(cè)試，電流測(cè)試精度CMK1.67，響應(yīng)時(shí)間如圖8、圖9 所示。并通過(guò)150 ℃下通1000 h 老化和耐久試驗(yàn)。

圖8 短路響應(yīng)波形

圖9 開關(guān)機(jī)響應(yīng)波形

5 安裝與使用

智能電纜短路測(cè)試裝置額定輸入電壓DC 24 V；兩路負(fù)載供電；雙色LED 狀態(tài)指示器；模塊寬度6 mm；灰色。其外形見圖10，接線示意見圖11、圖12，面板指示燈狀態(tài)說(shuō)明見圖13。

圖10 外形設(shè)計(jì)

圖11 單通道接線示意

圖12 多通道接線示意

圖13 指示燈狀態(tài)

開關(guān)功能：模塊正常工作時(shí)按下按鈕，指示燈從綠色切換為紅色，模塊負(fù)載斷開。再次按下按鈕，指示燈從紅色切換為綠色，負(fù)載接入。

復(fù)位功能：模塊紅色指示燈閃爍時(shí)表示模塊處于故障狀態(tài)。消除故障后，按下按鈕開關(guān)并保持5 s 以上，模塊復(fù)位，LED 指示燈變?yōu)榧t色表示復(fù)位成功。再次按下按鈕，LED 指示燈變?yōu)榫G色，負(fù)載接入，模塊進(jìn)入正常工作狀態(tài)。

電流閾值通過(guò)撥碼開關(guān)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 電流閾值撥碼開關(guān)對(duì)應(yīng)

6 結(jié)論

通過(guò)100 件的小批量試制驗(yàn)證，模塊完全滿足設(shè)計(jì)要求和現(xiàn)場(chǎng)使用要求，能在短路發(fā)生20 ms 內(nèi)做出響應(yīng)，各項(xiàng)檢驗(yàn)、質(zhì)量驗(yàn)收及材料報(bào)告全部合格，質(zhì)量符合設(shè)計(jì)圖紙及有關(guān)工程質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)要求。