接線端子電氣性能試驗系統電氣控制方案設計

申青云

摘要：文章介紹了一種接線端子電氣性能試驗系統電氣自動控制方案，包括系統主電路、PLC接線圖、部分程序梯形圖等，簡要控制功能、硬件配置和軟件編程要點。該系統控制精度高、實用性強，可靠性高，結構簡明，具有很好的推廣及應用價值。

關鍵詞：接線端子；可編程控制器；溫度控制；大電流發生器；高精度萬用表

中國分類號：TB472 文獻標識碼：A

文章編碼：1672-7053（2018）03-0137-03

根據GB/T 9327-2008《額定電壓35kV （Um=40.5kV）及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接工具試驗方法和要求》、GB/T 34571-2017《軌道交通機車車輛布線規則》、EN60352-2-2006《壓接連接一般要求試驗方法和實施指南》要求，試驗系統主要用于完成導線從0.5—300mm2范圍內裸壓接端頭的接觸電阻測試、極限溫升試驗、熱循環試驗、短路試驗。試驗產品范圍涵蓋機車車輛、城軌車輛、動車、高速列車及其它電氣產品。

1 接線端子電氣性能試驗系統的結構及技術特點

接線端子電氣性能試驗系統結構如圖1所示，主要由控制臺、大電流發生器、工裝試驗臺、電氣控制系統、高精度萬用表、溫度采集系統等部分組成。

采用PLC控制大電流發生器，可提供交流和直流試驗電源。大電流發生器輸出DC 0-600A連續可調，輸出AC 0-1500A連續可調；采用溫度采集模塊和熱電偶實時采集工件溫度，測量溫度范圍0-200℃；采用安捷倫高精度萬用表，實時采集工件的電流電壓，轉換為不同溫度下的電阻。

系統設有手動和自動兩種控制模式，方便操作維護。能實現直流電阻、極限溫升和熱循環等電氣性能試驗，可以實現自動打印報表功能。

2 接線端子電氣性能試驗系統基本條件

2.1 接線端子電氣性能試驗系統應滿足要求

1） GB/T 9327-2008《額定電壓35kV （Um=40.5kV）及以下電力電纜導體用壓接式和機械式連接工具試驗方法和要求》。

2） GB/T 34571-2017《軌道交通機車車輛布線規則》。

3） EN60352-2-2006《壓接連接一般要求試驗方法和實施指南》要求。

2.2 接線端子電氣性能試驗工作環境

1）環境溫度：0℃-40℃；相對濕度：≤185%。

2）動能供應：三相AC380V+10%、50HZ。

3）試驗時試驗室環境溫度均勻，試驗臺區域空氣靜止。

3 電氣控制方案設計

3.1 直流電阻測量采用4端法測量

四端法的基本特點是恒流電源通過兩個電流引線極將電流供給待測低值電阻，而數字電壓表則通過兩個電壓引線來測量由恒流電源所供電流而在待測低值電阻上所形成的電位差Ux。由于兩個電流引線極在兩個電壓引線極之外，因此可排除電流引線極接觸電阻和引線電阻對測量的影響。又由于數字電壓表的輸入阻抗很高，電壓引線極接觸電阻和引線電阻對測量的影響可忽略不計。

3.2 電壓數據采集方法（圖2）

1） 12路電壓采集，通過PLC程序控制每一路的繼電器進行分別循環逐一讀取；

2） 12個繼電器在軟件上進行互鎖；

3）6位半高精度萬用表測量電壓，數值精確到1微伏。

3.3 電流數據采集方案（圖3）

1）在線路中串聯一個分流器，使用6位半高精度的萬用表測量分流器上的壓降，再計算出電流；

2）選用1500A，75mv，精度0.02的高精度分流器，測量精度高。

3.4 試驗溫度測量方案

熱電偶直接接觸被測點，由溫度采集模塊采集熱電偶信號，采集模塊通過通訊到上位機，數據在上位機進行計算處理并顯示。溫度采集模塊置于試驗臺架中間，這樣使得熱電偶線的長度盡可能的短，減少干擾和誤差。

4 控制系統硬件設計

4.1 主電路設計

系統主電路圖如圖4所示，由總開關保護斷路器F1提供整個系統電源，并提供電氣保護。接觸器KM1可以控制大電流發生器電源。斷路器F2、控制變壓器T2提供控制電路電源。

4.2 PLC控制設計

4.2.1 10地址分配

對接線端子性能試驗系統進行分析，確定輸入輸出點數，并將10地址分配如表1所示：

4.2.2 可編程控制器選型

如表1所示，系統輸入點數為12點，輸出點數是17點，據此選用西門子200系列CPU 6ES7 214-2AD23-OXB8，共18點輸入和10輸出，和西門子200系列數字量輸出模塊6ES7223-1BH22-OXA8，共8輸出。可滿足控制要求，并選其為晶體管輸出。由開關量來控制系統的上電、斷電、復位、輪循控制1 0個繼電器切換萬用表表筆測量1 0個測量點電壓、自動切換大電流發生器的交流直流。

4.2.3 10接線設計

為了很好的實現自動控制，需要將PLC與外部設備相連接，根據接線端子電氣性能試驗系統控制方案要求及IO地址分配情況設計PLC的10接線圖如圖5所示.PLC工作電源采用DC24V電源，輸入輸出均采用DC24V電源。由于PLC是晶體管輸出，輸出端連接中間繼電器，增加系統的穩定性。

5 控制系統軟件設計

5.1 概述

1）試驗可以手動和自動進行，手動時按試驗步驟分步完成各項試驗，試驗加載電流需要試驗時手動輸入，包含接通方向選擇如“正向接通”或者“反向接通”，“測試1”至“測試10”進行單獨測量。這樣可以分步詳細驗證各個試驗步驟和進行比較，以及驗證試驗系統自身計量。

2）按試驗項目待測樣件溫度、電壓、電流、時間等測量值（長度手動測量輸入）自動采集，能根據測量值自動計算出電阻比率、電阻比率離散度、電阻比率變化量等值，溫度曲線實時記錄，根據溫度變化條件判斷溫度穩定狀態并記錄數值，自動計算判斷試件試驗結果功能；

3）根據試驗標準要求以及試驗邏輯關系，設計試驗控制軟件（PLC控制程序部分如圖6、圖7），按照數據計算和處理功能建立模型采用圖形化編程設計軟件（如圖8），上位機程序分為主程序和子程序，其中管理界面、注冊界面、密碼界面、試驗界面為主程序，用于完成人機交互的功能，試驗人員可以通過該界面進行啟停操作、參數設置、狀態觀察等作業，其他的開關面板、登錄系統、溫度比較、數據采集等子程序為后臺運行程序，用于完成程序的計算、記錄、生成報表等功能；

4）相關試驗數據可以實時的在電腦屏幕上顯示，所有數據能通過總線方式將數據輸入到計算機，并能在計算機上的控制軟件顯示輸出并打印；

5）試驗結果采用數據庫的方式進行管理，可以按照不同的相關字段進行快速查詢；

6）試驗結果可以自動保存或有選擇性的保存、可自動生成試驗報告單；

7）操作界面可實現對已經預先設置的試驗快速調用，按”開始”試驗便可以對試件施加試驗電流，對試件進行有關數據如直流電阻、溫度進行自動采集；

8）操作可分級設置權限管理，一級權限可對試驗項進行預先設置及進行修改（如根據試件規格型號和試驗標準要求設置試驗施加的電流值），二級權限只可以進行試驗操作調用已經設置好的試驗項，可以手動輸入試驗樣品規格型號和需要通過電流值（如試驗項在操作軟件界面沒有預先設置時）。

5.2 直流電阻試驗原理

直流電阻測試按照標準要求，在試驗回路中按電纜接線端子規格尺寸加載相應的直流電流（常用規格已經在程序中預先進行設定，調用接線端子規格就按照程序自動進行）通過高精度萬用表循環測量各點正向電流及反向電流兩種情況下電壓和電流值（伏安法）計算出電阻平均值，根據測試點（接合點）測量長度和基準點測試長度，按照標準建立數學模型公式K=（Rj*Lr）/（Lj*Rr）

5.3 極限溫升試驗原理

直流電阻試驗完成后，試驗可自動進入極限溫升試驗，此時程序控制大電流發生器輸出對應的交流電流值（交直流具有安全互鎖），按照標準加載交流試驗電流后，系統連續實時采集各測試點溫度，試驗電路中測試點及基準點測試溫度在1小時內前后溫差不超過1度，認為發熱已經穩定，且接頭處測定點溫度不高于基準點（距接頭處約1米處測定點）溫度，則試驗樣品合格。

6 結語

綜上所述，接線端子性能試驗臺采用自動化程度校高的PLC及上位機電氣控制方案來試驗直流電阻試驗、極限溫升試驗，熱循環等試驗，可以對電纜或其他導體壓接或采用其他接合形式進行載流電性能試驗，確保電路中采用壓接或其他連接形式實際通電性能可靠，試驗方案能最大程度提高試驗效率，試驗安全可靠、自動測試容易操作、試驗精度性和準確性高，可以廣泛應用于電纜或電纜連接載流性能試驗。