智能線纜短路檢測創新應用

薛紅波，毛 凱，成 義，昝文博

（聯合汽車電子有限公司西安廠，陜西西安 710117）

0 引言

隨著設備自動化程度越來越高，機器人、伺服、電缸、自動上料和分揀設備大量應用。設備信號電纜由原來的固定方式變改為移動方式。由于運動造成的電纜折損故障頻繁發生，最讓維修人員頭疼的是線纜短路故障，由于短路使得開關電源電壓驟降、電流飆升，使開關電源進入過流保護狀態，導致設備控制系統失去供電而停機。短路故障點往往不能及時發現，需要花費大量時間排查線路。針對上述問題，結合工廠實際情況，自主研發出了一套智能電纜短路測試模塊。

智能電纜短路測試儀是一種采用全新設計理念的高性能、高可靠性的智能化工業測量控制儀表，專為工廠自動化設備、機床設備、機器人等自動化設備設計，廣泛應用于汽車、電子、化工、冶金熱處理機加等行業。其主要特點有：采用先進的STC處理器、處理速度快、接口部件簡單、可靠性高、穩定性強。智能電纜短路測試儀能夠實時檢測負載電流情況，對于短路和過流等異常情況能在20 ms 內做出響應，切斷異常負載回路，避免由于短路造成開關電源保護，影響其他設備的正常工作，從保證系統的最大可用性。

1 故障模式分析和解決方案研究

1.1 故障模式分析

設備線纜短路故障是檢修工作中的難點。圖1 是工廠供電正常的線路圖，由銅導線的電阻系數和線纜長度可以算出短路時的回路電流為18 A，正常供電下斷路器選配為6 A，C 型斷路器的脫扣電流為84 A，所以在短路發生時斷路器不能起到脫扣保護功能，進而造成開關電源過流保護。

圖1 線路示意

開關電源過流保護將造成由它供電的所有設備停機，導致PLC 關機、輸入輸出復位、報警信息被清除、安全控制回路斷開、電源負載斷開。短路情況消失后重新上電，短路故障還會再次出現。周而復始，造成設備間斷性掉電。故障信息不能顯示，故障點不能快速診斷，是影響故障排除的根本原因。設備中往往線路繁多，排除故障需要花費大量時間，而長時間停機對于自動化流水線是不能接受的。

1.2 解決方案研究

線纜短路故障雖然發生頻率低，但是每次排查維修查找原因都要花費大量時間和人力，基于此維修團隊著手研發了一套智能電纜短路測試裝置，主要功能如下：

（1）測量精準。能準確測量并監控負載電流，記錄負載電流波動趨勢，并能按實際情況設定閾值，根據電流變化及時預警。

（2）響應迅速。在電纜發生短路情況時，能在電源過流保護前做出響應，切斷故障回路的負載，保證設備最大的可用性，同時輸出報警信息，準確定位故障點，結合線路預排，實現短路故障的快速維修處理。

（3）體積小巧。測量裝置需要能集成到設備電氣柜內。

通過以上研究，并結合工廠供電及電器柜的特點，認為替換目前電氣柜內的接線端子可以節省空間，且能保證改動量最小（圖2）。

圖2 端子示意

2 電路設計

2.1 功能設計要求

功能和邏輯要求：

（1）上電后實時監測負載回路電流，根據預設邏輯做出判斷和動作輸出。

（2）手動開關功能。按鈕開關，每按一次按鈕切換一次輸出狀態（開關管），并鎖存此狀態，斷電重啟后狀態可以保持。

（3）上電后開關管工作狀態保持斷電前的工作狀態。檢測工作電流，如果電流大于設定閾值，則關閉輸出狀態，并暫存此狀態。當檢測電流恢復到閾值以內后，按手動開關再次進入監控狀態。

（4）負載短路時，能關斷當前通道負載。響應時間需要小于開關電源的保護響應時間。

（5）報警狀態可以通過邏輯信號輸出，且可以切換輸出電平（PNP/NPN）。

（6）LED 三色指示燈、LED 數碼管實現狀態顯示功能。

2.2 設計參數要求

（1）工作電壓DC 24 V 或AC 220 V。

（2）電流測試范圍0～30 A 可調，測量精度和顯示精度0.05 A，不確定性0.01 A。

（3）響應時間不超過10 ms。

（4）工作溫度-15～+60 ℃。

（5）濕度0～60%RH。

（6）MTTR 大于10 000 h。

（7）開關壽命50 000 000 次。

為保證測量精度，選用精度為1%的高精度元器件。為提高抗干擾能力，供電電源采用二次隔離降壓模式，具體電路如圖3所示。

圖3 二次隔離降壓電路

根據以上要求，采用STC 單片機及高速數據采集電流信號，并通過可控硅實現負載可控，控制原理如圖4 所示。

圖4 控制原理

3 PCB 制版和程序編制

3.1 PCB 制版和BOM 清單

根據原理圖和外形圖尺寸，使用Altium Designer Summer 09軟件設計PCB 板（圖5）。

圖5 PCB 制版

3.2 硬件配置程序編制

電流采樣使用10 mΩ 高精度電阻采集回路電流，并通過AD/DA 單元采樣電阻上的電壓信號。調整采樣頻率，每2 ms 中斷一次讀取AD 值（圖6）。為避免干擾，在程序中每隔0.6 ms 跟蹤放大器電流的上升，根據相鄰兩個上升段的中間值之差來確定電流是否有異常，程序編制如圖7 所示。。

圖6 中斷示意

圖7 程序編制

4 功能測試與驗證

通過25 pC 短路測試，電流測試精度CMK1.67，響應時間如圖8、圖9 所示。并通過150 ℃下通1000 h 老化和耐久試驗。

圖8 短路響應波形

圖9 開關機響應波形

5 安裝與使用

智能電纜短路測試裝置額定輸入電壓DC 24 V；兩路負載供電；雙色LED 狀態指示器；模塊寬度6 mm；灰色。其外形見圖10，接線示意見圖11、圖12，面板指示燈狀態說明見圖13。

圖10 外形設計

圖11 單通道接線示意

圖12 多通道接線示意

圖13 指示燈狀態

開關功能：模塊正常工作時按下按鈕，指示燈從綠色切換為紅色，模塊負載斷開。再次按下按鈕，指示燈從紅色切換為綠色，負載接入。

復位功能：模塊紅色指示燈閃爍時表示模塊處于故障狀態。消除故障后，按下按鈕開關并保持5 s 以上，模塊復位，LED 指示燈變為紅色表示復位成功。再次按下按鈕，LED 指示燈變為綠色，負載接入，模塊進入正常工作狀態。

電流閾值通過撥碼開關進行設置，對應關系見表1。

表1 電流閾值撥碼開關對應

6 結論

通過100 件的小批量試制驗證，模塊完全滿足設計要求和現場使用要求，能在短路發生20 ms 內做出響應，各項檢驗、質量驗收及材料報告全部合格，質量符合設計圖紙及有關工程質量驗收標準要求。