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，此時脫扣器發生跳 閘動作，切斷回路電流。當在規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）監控管理層

??? 監控管理層（上位機）基于以研華工業計算機，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組態軟件WinCC 編程環境，畫面組態標準 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。

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，采用西門子工業組態軟件WinCC 編程環境， C 腳本編程語言，OPC 通用接口，組態智能測控系統的人機界面監控程序。

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，程序監控步進電機的掃描狀態，使步進電機完全處于閉環控制狀態下。

3.2 基于WinCC 上位機監控軟件設計

??? 本系統上位機人機界面系統運用西門子高級工業組態軟件 WinCC，實現對現場生產過程 進行實時監控，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 機人機界面組態畫面設計標準化、功能規劃模塊化，特別是生產數據離線管理，拓展人機界面的生產監控功能。目前，本系統運行穩定、良好，已進入測控實驗階段，檢測結果得到實際生產的認可。