低壓斷路器智能測控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

0.引言

    低壓斷路器產品主要應用在低壓配電網(wǎng)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(tǒng)是集計 算機技術、智能控制技術、檢測技術為一體控制系統(tǒng)，實現(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(tǒng)的基本結構、工作原理和軟硬件的設計與實現(xiàn)。通過反 復調試，低壓斷路器智能測控系統(tǒng)運行穩(wěn)定、高效，目前已在上海某斷路器生產廠家現(xiàn)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(tǒng)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?shù)矫摽垩b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(xiàn)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(tǒng)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(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構（如圖 2），分為現(xiàn)場設備層、現(xiàn)場控制層和監(jiān)控管理層三層架構。

（1）現(xiàn)場設備層

現(xiàn)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(shù)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(xiàn)系統(tǒng)無附加力的同心 雙柔軸調節(jié)功能。

（2）現(xiàn)場控制層

現(xiàn)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(tǒng)。 現(xiàn)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(xiàn)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(jù)現(xiàn)場專家的經(jīng)驗建立專家系統(tǒng)， 采用“IF-THEN”語法結構建立知識庫，從而實現(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）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(shù) 據(jù)通信（如圖2）。人機界面系統(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)標準 化，程序設計模塊化方法，完成整個智能控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、程序處理和操作指令的輸出， 實現(xiàn)對現(xiàn)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(tǒng)的軟件設計

低壓斷路器智能測控系統(tǒng)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(xiàn)系統(tǒng)控制功能和系統(tǒng)監(jiān)控功能。系統(tǒng)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(tǒng)的控制程序。系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng) PLC 控制程序采用梯形圖模塊化編程，分別完成現(xiàn)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(shù)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(shù)及系統(tǒng)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(tǒng)的關 鍵技術和攻關難點之一。本智能測控系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)：

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

X 軸高速計數(shù)器參數(shù)初始化：

（2） 系統(tǒng)建立X-Y 軸二維定位平臺，進行激光掃描定位。根據(jù)設定的參數(shù)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(shù) 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(tǒng)上位機人機界面系統(tǒng)運用西門子高級工業(yè)組態(tài)軟件 WinCC，實現(xiàn)對現(xiàn)場生產過程 進行實時監(jiān)控，以及生產數(shù)據(jù)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(tǒng)管理等三大功能模塊（如圖4）。其中，登陸模塊實現(xiàn)用戶帳號驗證管理；檢測模 塊實現(xiàn)現(xiàn)場工況監(jiān)控（如圖5）；系統(tǒng)管理模塊實現(xiàn)生產數(shù)據(jù)離線管理、系統(tǒng)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(tǒng)中，上、下位機相配合，實現(xiàn)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(xiàn)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(shù)據(jù)離線管理，拓展人機界面的生產監(jiān)控功能。目前，本系統(tǒng)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。