低壓斷路器智能測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

低壓斷路器智能測控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0.引言

???? 低壓斷路器產(chǎn)品主要應(yīng)用在低壓配電網(wǎng)絡(luò)中，用于分配電能和保護(hù)線路、電源及用電設(shè) 備免受過載、欠電壓和短路的危害，提高了供電的可靠性。低壓斷路器智能測控系統(tǒng)是集計(jì) 算機(jī)技術(shù)、智能控制技術(shù)、檢測技術(shù)為一體控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)低壓斷路器雙金屬片（熱脫扣器） 的電流過載測控功能，解決了傳統(tǒng)工藝中由于手工調(diào)節(jié)的隨機(jī)性大、質(zhì)量難以控制的問題， 其極大程度提高產(chǎn)品檢測精度與生產(chǎn)效率，以適應(yīng)低壓電器市場的高需求。本文介紹低壓斷 路器檢測工藝，以及該智能測控系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。通過反 復(fù)調(diào)試，低壓斷路器智能測控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、高效，目前已在上海某斷路器生產(chǎn)廠家現(xiàn)場應(yīng)用。

1 低壓斷路器檢測控工藝要求

??? 低壓斷路器具有過載保護(hù)、短路保護(hù)等功能。目前該系統(tǒng)適用范圍是在斷路器過載保護(hù)中采 用雙金屬片保護(hù)（熱脫扣器），當(dāng)雙金屬片熱變形時(shí)推動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作而切斷電源的保護(hù)形 式。過載保護(hù)時(shí)雙金屬片的工作原理：當(dāng)斷路器的回路電流超過額定值時(shí)，雙金屬片受熱變 形，并向脫扣器的一側(cè)偏移，直到雙金屬片上的脫扣螺釘頂?shù)矫摽垩b置，此時(shí)脫扣器發(fā)生跳 閘動(dòng)作，切斷回路電流。當(dāng)在規(guī)定的脫扣時(shí)間內(nèi)斷路器沒有動(dòng)作，通過調(diào)整脫扣螺釘、螺母 在雙金屬片上的位置，調(diào)整后使得斷路器能夠達(dá)到斷路脫扣時(shí)間的要求[2][3]。

??? 針對目前對低壓斷路器檢測標(biāo)定時(shí)間過長，對雙金屬片變形機(jī)理分析，進(jìn)行現(xiàn)有的檢測 工藝改造。在滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的情況下，加大檢測電流，把測控時(shí)間大大縮短，提高了生產(chǎn)效 率。本系統(tǒng)采用單相3 倍電流法，即對三個(gè)觸點(diǎn)組，先后分別依次加載三倍的規(guī)定的電流， 并記錄各組觸點(diǎn)從加載到跳閘的時(shí)間t1,t2 和t3。當(dāng)某組觸點(diǎn)的ti(i=1,2,3)超出允許誤差范圍 時(shí)，需要調(diào)節(jié)雙金屬片上螺釘螺母。斷路器產(chǎn)品具體檢測方式為：

??? （1）計(jì)時(shí)至脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作，得t1。

??? （2）如t1 大于規(guī)定的Tmin（斷路器合格標(biāo)準(zhǔn)最短時(shí)間）,而脫扣機(jī)構(gòu)還沒動(dòng)作，則啟動(dòng)螺釘螺母調(diào)整機(jī)構(gòu)，至雙金屬片推動(dòng)脫扣機(jī)構(gòu)動(dòng)作。

??? （3）如t1 大于規(guī)定的Tmax（斷路器合格標(biāo)準(zhǔn)最長時(shí)間）,而還沒動(dòng)作，則作為故障處理。

??? （4）對B 和C 相測試重復(fù)上述測試步驟。

??? （5）三相測試完畢合格后，記錄測試數(shù)據(jù)，系統(tǒng)提示測試完成。

2. 低壓斷路器智能測控系統(tǒng)總體概述

??? 智能系統(tǒng)采用三層分布式控制結(jié)構(gòu)（如圖 2），分為現(xiàn)場設(shè)備層、現(xiàn)場控制層和監(jiān)控管理層三層架構(gòu)。

??? （1）現(xiàn)場設(shè)備層

??? 現(xiàn)場控制設(shè)備需要完成對被測對象（塑殼式斷路器）的壓緊、合閘、上扣、通電、螺釘 螺母調(diào)整、松開等一系列連鎖測控操作。所設(shè)計(jì)螺釘螺母調(diào)整機(jī)械復(fù)合機(jī)構(gòu)，結(jié)合激光定位 的數(shù)控跟蹤方式，進(jìn)行同時(shí)對雙金屬片上的螺釘和螺母進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)無附加力的同心 雙柔軸調(diào)節(jié)功能。

??? （2）現(xiàn)場控制層

??? 現(xiàn)場控制層由兩個(gè)單元組成：一是強(qiáng)電單元，為測控提供所需要的電流；二是弱電單元， 由西門子S7-200 系列 PLC 為核心的下位機(jī)控制器及其相關(guān)控制程序組成的電氣控制系統(tǒng)。 現(xiàn)場控制采用自動(dòng)控制、隨機(jī)控制相結(jié)合的控制方案。自動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)各調(diào)整機(jī)構(gòu)的小閉環(huán)的 控制任務(wù)，隨機(jī)控制是針對斷路器雙金屬片受熱隨機(jī)性，根據(jù)現(xiàn)場專家的經(jīng)驗(yàn)建立專家系統(tǒng)， 采用“IF-THEN”語法結(jié)構(gòu)建立知識(shí)庫，從而實(shí)現(xiàn)低壓斷路器測控系統(tǒng)的快速推理功能。

??? （3）監(jiān)控管理層

??? 監(jiān)控管理層（上位機(jī)）基于以研華工業(yè)計(jì)算機(jī)，通過OPC 通用接口與PLC 控制器進(jìn)行數(shù) 據(jù)通信（如圖2）。人機(jī)界面系統(tǒng)采用西門子工業(yè)組態(tài)軟件WinCC 編程環(huán)境，畫面組態(tài)標(biāo)準(zhǔn) 化，程序設(shè)計(jì)模塊化方法，完成整個(gè)智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、程序處理和操作指令的輸出， 實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場控制層的連鎖控制和設(shè)備調(diào)節(jié)。

3. 低壓斷路器智能測控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

??? 低壓斷路器智能測控系統(tǒng)軟件主要由上位機(jī)監(jiān)控軟件和下位機(jī)檢測過程控制軟件兩部分 構(gòu)成，分別實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制功能和系統(tǒng)監(jiān)控功能。系統(tǒng)下位機(jī)基于西門子PLC-200，采用西門 子編程軟件STEP7-Micro/Win 編程環(huán)境，梯形圖編程語言，模塊化編程模式構(gòu)建智能測控 系統(tǒng)的控制程序。系統(tǒng)上位機(jī)基于研華工控機(jī)，采用西門子工業(yè)組態(tài)軟件WinCC 編程環(huán)境， C 腳本編程語言，OPC 通用接口，組態(tài)智能測控系統(tǒng)的人機(jī)界面監(jiān)控程序。

3.1 基于PLC 下位機(jī)檢測過程控制軟件設(shè)計(jì)

??? 該系統(tǒng) PLC 控制程序采用梯形圖模塊化編程，分別完成現(xiàn)場設(shè)備對斷路器監(jiān)測的工藝 要求。梯形圖程序模塊主要包括：上電自檢、參數(shù)初始化、斷路器定位壓緊、斷路器合扣、 螺釘螺母調(diào)整機(jī)構(gòu)移步、激光定位、通電檢測、螺釘螺母調(diào)整、螺釘螺母調(diào)整機(jī)構(gòu)X 軸移相、 斷路器測控產(chǎn)品計(jì)數(shù)及系統(tǒng)故障報(bào)警處理。

??? 在監(jiān)測過程中，螺釘螺母調(diào)整機(jī)構(gòu)需要實(shí)時(shí)調(diào)整斷路器雙金屬片上的螺釘螺母，保證斷 路器在合格標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間內(nèi)頂跳。因此，螺釘螺母調(diào)整機(jī)構(gòu)的定位問題是整套智能測控系統(tǒng)的關(guān) 鍵技術(shù)和攻關(guān)難點(diǎn)之一。本智能測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了由步進(jìn)電機(jī)、磁柵位移式傳感器、西門子 PLC 以及定位梯形圖程序組成的控制單元實(shí)現(xiàn)了對步進(jìn)電機(jī)的閉環(huán)控制，提高了螺釘螺母調(diào) 整機(jī)構(gòu)中的步進(jìn)電機(jī)定位問題。

??? 螺釘螺母調(diào)整機(jī)構(gòu)定位梯形圖程序UML 流程圖（如圖3），具體實(shí)現(xiàn)：

??? （1） 對步進(jìn)電機(jī)及其高速脈沖計(jì)數(shù)器進(jìn)行參數(shù)初始化，在STEP7-Micro/Win 中集成了 這些程序塊，很方便的對步進(jìn)電機(jī)的脈沖周期、脈沖數(shù)及工作模式和高速計(jì)數(shù)器的工作模式、 初始計(jì)數(shù)值進(jìn)行初始化[4]，部分代碼如下：

??? X 軸高速計(jì)數(shù)器參數(shù)初始化：

???

??? （2） 系統(tǒng)建立X-Y 軸二維定位平臺(tái)，進(jìn)行激光掃描定位。根據(jù)設(shè)定的參數(shù)以及掃描 方式X 軸、Y 軸步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行定位掃描，磁柵傳感器實(shí)時(shí)把檢測出的信號傳遞到高速計(jì)數(shù) 器，同時(shí)，程序監(jiān)控步進(jìn)電機(jī)的掃描狀態(tài)，使步進(jìn)電機(jī)完全處于閉環(huán)控制狀態(tài)下。

3.2 基于WinCC 上位機(jī)監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

??? 本系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面系統(tǒng)運(yùn)用西門子高級工業(yè)組態(tài)軟件 WinCC，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場生產(chǎn)過程 進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及生產(chǎn)數(shù)據(jù)離線管理等操作。功能實(shí)行用戶分層權(quán)限管理，分成登陸、檢 測、系統(tǒng)管理等三大功能模塊（如圖4）。其中，登陸模塊實(shí)現(xiàn)用戶帳號驗(yàn)證管理；檢測模 塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工況監(jiān)控（如圖5）；系統(tǒng)管理模塊實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)離線管理、系統(tǒng)智能診斷等生 產(chǎn)高級拓展功能。

4 結(jié)束語

??? 在低壓斷路器智能測控系統(tǒng)中，上、下位機(jī)相配合，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和隨機(jī)控制相結(jié)合 的智能控制方案。下位機(jī)控制程序采用模塊化設(shè)計(jì)、完成現(xiàn)場設(shè)備對檢測的工藝要求；上位 機(jī)人機(jī)界面組態(tài)畫面設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化、功能規(guī)劃模塊化，特別是生產(chǎn)數(shù)據(jù)離線管理，拓展人機(jī)界面的生產(chǎn)監(jiān)控功能。目前，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、良好，已進(jìn)入測控實(shí)驗(yàn)階段，檢測結(jié)果得到實(shí)際生產(chǎn)的認(rèn)可。