接线端子电气性能试验系统电气控制方案设计

申青云

摘要：文章介绍了一种接线端子电气性能试验系统电气自动控制方案，包括系统主电路、PLC接线图、部分程序梯形图等，简要控制功能、硬件配置和软件编程要点。该系统控制精度高、实用性强，可靠性高，结构简明，具有很好的推广及应用价值。

关键词：接线端子；可编程控制器；温度控制；大电流发生器；高精度万用表

中国分类号：TB472 文献标识码：A

文章编码：1672-7053（2018）03-0137-03

根据GB/T 9327-2008《额定电压35kV （Um=40.5kV）及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接工具试验方法和要求》、GB/T 34571-2017《轨道交通机车车辆布线规则》、EN60352-2-2006《压接连接一般要求试验方法和实施指南》要求，试验系统主要用于完成导线从0.5—300mm2范围内裸压接端头的接触电阻测试、极限温升试验、热循环试验、短路试验。试验产品范围涵盖机车车辆、城轨车辆、动车、高速列车及其它电气产品。

1 接线端子电气性能试验系统的结构及技术特点

接线端子电气性能试验系统结构如图1所示，主要由控制台、大电流發生器、工装试验台、电气控制系统、高精度万用表、温度采集系统等部分组成。

采用PLC控制大电流发生器，可提供交流和直流试验电源。大电流发生器输出DC 0-600A连续可调，输出AC 0-1500A连续可调；采用温度采集模块和热电偶实时采集工件温度，测量温度范围0-200℃；采用安捷伦高精度万用表，实时采集工件的电流电压，转换为不同温度下的电阻。

系统设有手动和自动两种控制模式，方便操作维护。能实现直流电阻、极限温升和热循环等电气性能试验，可以实现自动打印报表功能。

2 接线端子电气性能试验系统基本条件

2.1 接线端子电气性能试验系统应满足要求

1） GB/T 9327-2008《额定电压35kV （Um=40.5kV）及以下电力电缆导体用压接式和机械式连接工具试验方法和要求》。

2） GB/T 34571-2017《轨道交通机车车辆布线规则》。

3） EN60352-2-2006《压接连接一般要求试验方法和实施指南》要求。

2.2 接线端子电气性能试验工作环境

1）环境温度：0℃-40℃；相对湿度：≤185%。

2）动能供应：三相AC380V+10%、50HZ。

3）试验时试验室环境温度均匀，试验台区域空气静止。

3 电气控制方案设计

3.1 直流电阻测量采用4端法测量

四端法的基本特点是恒流电源通过两个电流引线极将电流供给待测低值电阻，而数字电压表则通过两个电压引线来测量由恒流电源所供电流而在待测低值电阻上所形成的电位差Ux。由于两个电流引线极在两个电压引线极之外，因此可排除电流引线极接触电阻和引线电阻对测量的影响。又由于数字电压表的输入阻抗很高，电压引线极接触电阻和引线电阻对测量的影响可忽略不计。

3.2 电压数据采集方法（图2）

1） 12路电压采集，通过PLC程序控制每一路的继电器进行分别循环逐一读取；

2） 12个继电器在软件上进行互锁；

3）6位半高精度万用表测量电压，数值精确到1微伏。

3.3 电流数据采集方案（图3）

1）在线路中串联一个分流器，使用6位半高精度的万用表测量分流器上的压降，再计算出电流；

2）选用1500A，75mv，精度0.02的高精度分流器，测量精度高。

3.4 试验温度测量方案

热电偶直接接触被测点，由温度采集模块采集热电偶信号，采集模块通过通讯到上位机，数据在上位机进行计算处理并显示。温度采集模块置于试验台架中间，这样使得热电偶线的长度尽可能的短，减少干扰和误差。

4 控制系统硬件设计

4.1 主电路设计

系统主电路图如图4所示，由总开关保护断路器F1提供整个系统电源，并提供电气保护。接触器KM1可以控制大电流发生器电源。断路器F2、控制变压器T2提供控制电路电源。

4.2 PLC控制设计

4.2.1 10地址分配

对接线端子性能试验系统进行分析，确定输入输出点数，并将10地址分配如表1所示：

4.2.2 可编程控制器选型

如表1所示，系统输入点数为12点，输出点数是17点，据此选用西门子200系列CPU 6ES7 214-2AD23-OXB8，共18点输入和10输出，和西门子200系列数字量输出模块6ES7223-1BH22-OXA8，共8输出。可满足控制要求，并选其为晶体管输出。由开关量来控制系统的上电、断电、复位、轮循控制1 0个继电器切换万用表表笔测量1 0个测量点电压、自动切换大电流发生器的交流直流。

4.2.3 10接线设计

为了很好的实现自动控制，需要将PLC与外部设备相连接，根据接线端子电气性能试验系统控制方案要求及IO地址分配情况设计PLC的10接线图如图5所示.PLC工作电源采用DC24V电源，输入输出均采用DC24V电源。由于PLC是晶体管输出，输出端连接中间继电器，增加系统的稳定性。

5 控制系统软件设计

5.1 概述

1）试验可以手动和自动进行，手动时按试验步骤分步完成各项试验，试验加载电流需要试验时手动输入，包含接通方向选择如“正向接通”或者“反向接通”，“测试1”至“测试10”进行单独测量。这样可以分步详细验证各个试验步骤和进行比较，以及验证试验系统自身计量。

2）按试验项目待测样件温度、电压、电流、时间等测量值（长度手动测量输入）自动采集，能根据测量值自动计算出电阻比率、电阻比率离散度、电阻比率变化量等值，温度曲线实时记录，根据温度变化条件判断温度稳定状态并记录数值，自动计算判断试件试验结果功能；

3）根据试验标准要求以及试验逻辑关系，设计试验控制软件（PLC控制程序部分如图6、图7），按照数据计算和处理功能建立模型采用图形化编程设计软件（如图8），上位机程序分为主程序和子程序，其中管理界面、注册界面、密码界面、试验界面为主程序，用于完成人机交互的功能，试验人员可以通过该界面进行启停操作、参数设置、状态观察等作业，其他的開关面板、登录系统、温度比较、数据采集等子程序为后台运行程序，用于完成程序的计算、记录、生成报表等功能；

4）相关试验数据可以实时的在电脑屏幕上显示，所有数据能通过总线方式将数据输入到计算机，并能在计算机上的控制软件显示输出并打印；

5）试验结果采用数据库的方式进行管理，可以按照不同的相关字段进行快速查询；

6）试验结果可以自动保存或有选择性的保存、可自动生成试验报告单；

7）操作界面可实现对已经预先设置的试验快速调用，按”开始”试验便可以对试件施加试验电流，对试件进行有关数据如直流电阻、温度进行自动采集；

8）操作可分级设置权限管理，一级权限可对试验项进行预先设置及进行修改（如根据试件规格型号和试验标准要求设置试验施加的电流值），二级权限只可以进行试验操作调用已经设置好的试验项，可以手动输入试验样品规格型号和需要通过电流值（如试验项在操作软件界面没有预先设置时）。

5.2 直流电阻试验原理

直流电阻测试按照标准要求，在试验回路中按电缆接线端子规格尺寸加载相应的直流电流（常用规格已经在程序中预先进行设定，调用接线端子规格就按照程序自动进行）通过高精度万用表循环测量各点正向电流及反向电流两种情况下电压和电流值（伏安法）计算出电阻平均值，根据测试点（接合点）测量长度和基准点测试长度，按照标准建立数学模型公式K=（Rj*Lr）/（Lj*Rr）

5.3 极限温升试验原理

直流电阻试验完成后，试验可自动进入极限温升试验，此时程序控制大电流发生器输出对应的交流电流值（交直流具有安全互锁），按照标准加载交流试验电流后，系统连续实时采集各测试点温度，试验电路中测试点及基准点测试温度在1小时内前后温差不超过1度，认为发热已经稳定，且接头处测定点温度不高于基准点（距接头处约1米处测定点）温度，则试验样品合格。

6 结语

综上所述，接线端子性能试验台采用自动化程度校高的PLC及上位机电气控制方案来试验直流电阻试验、极限温升试验，热循环等试验，可以对电缆或其他导体压接或采用其他接合形式进行载流电性能试验，确保电路中采用压接或其他连接形式实际通电性能可靠，试验方案能最大程度提高试验效率，试验安全可靠、自动测试容易操作、试验精度性和准确性高，可以广泛应用于电缆或电缆连接载流性能试验。