低壓斷路器智能測控系統的設計與實現

0.引言

???? 低壓斷路器產品主要應用在低壓配電網絡中，用于分配電能和保護線路、電源及用電設 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是集計 算機技術、智能控制技術、檢測技術為一體控制系統，實現低壓斷路器雙金屬片（熱脫扣器） 的電流過載測控功能，解決了傳統工藝中由于手工調節(jié)的隨機性大、質量難以控制的問題， 其極大程度提高產品檢測精度與生產效率，以適應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的基本結構、工作原理和軟硬件的設計與實現。通過反 復調試，低壓斷路器智能測控系統運行穩(wěn)定、高效，目前已在上海某斷路器生產廠家現場應用。

1 低壓斷路器檢測控工藝要求

??? 低壓斷路器具有過載保護、短路保護等功能。目前該系統適用范圍是在斷路器過載保護中采 用雙金屬片保護（熱脫扣器），當雙金屬片熱變形時推動脫扣機構動作而切斷電源的保護形 式。過載保護時雙金屬片的工作原理：當斷路器的回路電流超過額定值時，雙金屬片受熱變 形，并向脫扣器的一側偏移，直到雙金屬片上的脫扣螺釘頂到脫扣裝置，此時脫扣器發(fā)生跳 閘動作，切斷回路電流。當在規(guī)定的脫扣時間內斷路器沒有動作，通過調整脫扣螺釘、螺母 在雙金屬片上的位置，調整后使得斷路器能夠達到斷路脫扣時間的要求[2][3]。

??? 針對目前對低壓斷路器檢測標定時間過長，對雙金屬片變形機理分析，進行現有的檢測 工藝改造。在滿足國家標準的情況下，加大檢測電流，把測控時間大大縮短，提高了生產效 率。本系統采用單相3 倍電流法，即對三個觸點組，先后分別依次加載三倍的規(guī)定的電流， 并記錄各組觸點從加載到跳閘的時間t1,t2 和t3。當某組觸點的ti(i=1,2,3)超出允許誤差范圍 時，需要調節(jié)雙金屬片上螺釘螺母。斷路器產品具體檢測方式為：

??? （1）計時至脫扣機構動作，得t1。

??? （2）如t1 大于規(guī)定的Tmin（斷路器合格標準最短時間）,而脫扣機構還沒動作，則啟動螺釘螺母調整機構，至雙金屬片推動脫扣機構動作。

??? （3）如t1 大于規(guī)定的Tmax（斷路器合格標準最長時間）,而還沒動作，則作為故障處理。

??? （4）對B 和C 相測試重復上述測試步驟。

??? （5）三相測試完畢合格后，記錄測試數據，系統提示測試完成。

2. 低壓斷路器智能測控系統總體概述

??? 智能系統采用三層分布式控制結構（如圖 2），分為現場設備層、現場控制層和監(jiān)控管理層三層架構。

??? （1）現場設備層

??? 現場控制設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 螺母調整、松開等一系列連鎖測控操作。所設計螺釘螺母調整機械復合機構，結合激光定位 的數控跟蹤方式，進行同時對雙金屬片上的螺釘和螺母進行調整，實現系統無附加力的同心 雙柔軸調節(jié)功能。

??? （2）現場控制層

??? 現場控制層由兩個單元組成：一是強電單元，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 為核心的下位機控制器及其相關控制程序組成的電氣控制系統。 現場控制采用自動控制、隨機控制相結合的控制方案。自動控制實現各調整機構的小閉環(huán)的 控制任務，隨機控制是針對斷路器雙金屬片受熱隨機性，根據現場專家的經驗建立專家系統， 采用“IF-THEN”語法結構建立知識庫，從而實現低壓斷路器測控系統的快速推理功能。

??? （3）監(jiān)控管理層

??? 監(jiān)控管理層（上位機）基于以研華工業(yè)計算機，通過OPC 通用接口與PLC 控制器進行數 據通信（如圖2）。人機界面系統采用西門子工業(yè)組態(tài)軟件WinCC 編程環(huán)境，畫面組態(tài)標準 化，程序設計模塊化方法，完成整個智能控制系統的數據采集、程序處理和操作指令的輸出， 實現對現場控制層的連鎖控制和設備調節(jié)。

3. 低壓斷路器智能測控系統的軟件設計

??? 低壓斷路器智能測控系統軟件主要由上位機監(jiān)控軟件和下位機檢測過程控制軟件兩部分 構成，分別實現系統控制功能和系統監(jiān)控功能。系統下位機基于西門子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，模塊化編程模式構建智能測控 系統的控制程序。系統上位機基于研華工控機，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)智能測控系統的人機界面監(jiān)控程序。

3.1 基于PLC 下位機檢測過程控制軟件設計

??? 該系統 PLC 控制程序采用梯形圖模塊化編程，分別完成現場設備對斷路器監(jiān)測的工藝 要求。梯形圖程序模塊主要包括：上電自檢、參數初始化、斷路器定位壓緊、斷路器合扣、 螺釘螺母調整機構移步、激光定位、通電檢測、螺釘螺母調整、螺釘螺母調整機構X 軸移相、 斷路器測控產品計數及系統故障報警處理。

??? 在監(jiān)測過程中，螺釘螺母調整機構需要實時調整斷路器雙金屬片上的螺釘螺母，保證斷 路器在合格標準時間內頂跳。因此，螺釘螺母調整機構的定位問題是整套智能測控系統的關 鍵技術和攻關難點之一。本智能測控系統設計了由步進電機、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現了對步進電機的閉環(huán)控制，提高了螺釘螺母調 整機構中的步進電機定位問題。

??? 螺釘螺母調整機構定位梯形圖程序UML 流程圖（如圖3），具體實現：

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

??? X 軸高速計數器參數初始化：

???

??? （2） 系統建立X-Y 軸二維定位平臺，進行激光掃描定位。根據設定的參數以及掃描 方式X 軸、Y 軸步進電機進行定位掃描，磁柵傳感器實時把檢測出的信號傳遞到高速計數 器，同時，程序監(jiān)控步進電機的掃描狀態(tài)，使步進電機完全處于閉環(huán)控制狀態(tài)下。

3.2 基于WinCC 上位機監(jiān)控軟件設計

??? 本系統上位機人機界面系統運用西門子高級工業(yè)組態(tài)軟件 WinCC，實現對現場生產過程 進行實時監(jiān)控，以及生產數據離線管理等操作。功能實行用戶分層權限管理，分成登陸、檢 測、系統管理等三大功能模塊（如圖4）。其中，登陸模塊實現用戶帳號驗證管理；檢測模 塊實現現場工況監(jiān)控（如圖5）；系統管理模塊實現生產數據離線管理、系統智能診斷等生 產高級拓展功能。

4 結束語

??? 在低壓斷路器智能測控系統中，上、下位機相配合，實現自動控制和隨機控制相結合 的智能控制方案。下位機控制程序采用模塊化設計、完成現場設備對檢測的工藝要求；上位 機人機界面組態(tài)畫面設計標準化、功能規(guī)劃模塊化，特別是生產數據離線管理，拓展人機界面的生產監(jiān)控功能。目前，本系統運行穩(wěn)定、良好，已進入測控實驗階段，檢測結果得到實際生產的認可。