基于PLC的三相电流瞬时切换及监控装置的研制

陆轶张 婧 甘红胜 梁辉 赵志嵩 李广超 王少波

（1.上海市质量监督检验技术研究院 上海 200072；2.上海出入境检验检疫局）

1 前言

器具开关产品应用广泛，在各类家电设备、自动化控制系统、电子及电力装置起着切断危险电压的作用。其质量安全直接关系到整机安全，甚至危及到使用者的人身安全和财产安全。据研究，器具开关的触点之间是典型失效发生的关键位置。因而，对器具开关进行耐久性安全检测，是判断其质量的基本方法[1]。

国际上，最新的器具开关检测标准版本为IEC 61058-1-1：2016[2]和 IEC 61058-1-2：2016[3]，对产品耐久性检测的测试时间及试验电流提出更高的检测要求。当前的数据采集设备普遍采用多年前的设计方法，技术水平较为落后，没有得到及时更新，对测试效率及准确性有极大的影响。

本文结合PLC控制及组态监控技术，着眼于搭建具有开放性、模块化特征的测试系统，研制出能满足器具开关耐久性检测要求的6倍电流毫秒级的自动转换和数据采集装置，有效提高器具开关及其他产品耐久性测试的技术水平。

2 测试装置的技术要求

本文研制的三相电流瞬时切换及监控装置，应适用于IEC 61058-1-1和IEC 61058-1-2标准意义范围内所有器具开关产品的耐久性检测，尤其对带有电阻性和/或电动机负载电路、功率因素不小于0.6的堵转电动机特殊负载电路、感性负载电路中的产品，要完成耐久性检测项目中6倍电流（6In@cosφ=0.6±0.05）测量电路和 1 倍电流（In@cosφ≥0.9）测量电路的毫秒级自动转换，同时完成数据的实时采集。对检测过程中的数据采集设备提出了高速、精准的专业要求，应具备自动化程度高、响应快的特点。

为了满足这些要求，本测试装置的关键技术指标设计见表1。

表1 测试装置的技术要求

3 测试装置的硬件设计

3.1 设计原理

测试装置通过采用PLC与触摸屏[4]的配合使用，构成其硬件部分，能实现自动化和智能化的要求，主要基于以下原因：（1）成熟的应用技术，优良的抗干扰能力；（2）安装便捷、快速；（3）编程方法易于掌握，入门简单；（4）能使硬件简洁、紧凑，提高可靠性。

在耐久试验中，可通过触摸屏进行任意手动控制切换，并设定切换时间，由PLC按编程数据实现自动控制，完成器具开关样品6倍电流测量电路到1倍电流测量电路自动转换的要求，以及数据采集和输出控制等功能。测试装置的硬件结构图见图1。

图1 硬件结构图

通过触摸屏选择是否接通6倍电流测试电路。若接通，需要对6倍电流电路至1倍电流电路的切换时间进行设置。由PLC根据设定信号对电路进行控制，试验样品进入测试状态。电压变送器将采集到的负载反馈信号传递给PLC，作为电路切换控制的起始点，经历毫秒级的切换时间后，PLC将负载电路自动切换至1倍电流电路，并由电参数测试仪采集试验数据。整个测试过程中，包括电路切换前后，PLC高速采集所有的数据信号，传输至触摸屏上进行显示和记录。对于接通瞬间的大电流参数，还可以利用触摸屏上的“记录”按钮进行记录。

3.2 总体结构

本文所研制的测试装置具备三路接口，可同时对3个样品进行检测。为了满足瞬时大电流电路控制及监控功能，每路接口分为四组端口，分别用于6倍电流测量电路接入、负载电压反馈电路、电源输入和负载输出，采集端口彼此独立，可以对通电状态下样品的输出参数进行自动监控。

3.3 PLC控制模块

PLC控制模块部分采用了西门子S7-200 smart PLC[5]，由ST30型CPU进行控制，该款CPU共有30个数字量I/O点，包括18个输入端和12个输出端。另外还集成了1个以太网接口和1个RS-485通信接口，具有18 KB的程序存储器、12KB的数据存储器、最大10 KB保持性存储器、6个独立高速计数器、3个独立的100 kHz高速脉冲输出、8组PID回路及多种通信协议模式。

对测试装置的输入及输出元件分配I/O地址，相关分配如表2所示。

表2 输入/输出分配表

PLC控制模块在硬件上增加了隔离、滤波等功能，有效地抑制和消除了干扰，较好地发挥了其可靠性高、逻辑判断和控制能力强特点，而且在不变动硬件的条件下，通过编制不同的程序即可实现不同的功能。

3.4 电参数采集

测试装置除了要对间隔时间仅为几十毫秒6倍电流电路中的参数进行测量，还需测定正常情况下的1倍电压、电流、功率、功率因素、频率等电力参数，故测试装置选用了青岛青智仪器有限公司生产的电参数测试仪，型号为8962C1，进行功能性的组合，能更便捷地采集数据，更好地实现设计目的。由于采用了高速内核并配备了200 k的高速A/D进行采样，该测试仪的运算速度可以达到100 MIPS。该仪表结构简单，内部高度集成，具有良好的可靠性和准确度。该仪表的主要测试对象为电压、电流、功率、功率因数、频率、电能累计等参数，数据记录、录波以及间隔时间为20 ms的瞬态测试功能，能在瞬态测试开始后12 s内捕捉到各参数的最大和最小值。

3.5 人机界面

测试装置采用西门子SIMATIC精彩系列面板中的SMART 700 IE[6]，满足设计的性能要求。该款人机界面使用16∶9宽屏液晶显示分辨率较高，通过触摸操作可实现操作员式的控制和监视，以及复杂机器的可视化，使设备的操作变得更加轻松快捷。该面板采用了SIMATIC WinCC flexible 2008软件，由于基于Windows系统，可以在PC上直接对组态进行模拟，简单且高效。组态时，通过集中访问数据库，能利用已有架构进行设计，避免输入的重复，从而降低设计开发的成本。

4 测试装置的软件设计

测试装置采用STEP7-Micro/Win smart软件实现PLC的编程，并采用WinCC flexible 2008软件实现人机界面的设计，两款软件的应用，无论是程序的编写、调试，还是存取都十分简便。

对器具开关产品的耐久性检测要求进行分析后，绘制相关耐久试验模块流程图，见图2。试验中，需要完成6倍电流电路测量模块或1倍电流电路测量模块或人工测试模块的选择、切换时间的设定、通路的选择、电参数的采集等功能。为了满足这些要求，采用主程序调用子程序的方式，实现各功能模块和相关变量的设定，并由RS485端口实现人机界面和组态PC的连接，完成人机界面与PLC的通讯[7]。图3是设备启动后显示的初始人机交互界面。

图3 界面显示

5 结论

本文所研制的三相电流瞬时切换及监控装置，具有模块化、集成化的特征，实现了自动化程度高、响应快的要求。经计量验证，该装置对电压、电流、频率参数的测量精度均达到±1%，对切换时间的控制精度为±5 ms，较之传统时间继电器控制的负载切换，本装置的数据采集准确度更高，控制精准度更优，有效提升了实验室的检测技术水平，并为广大生产企业提供了更优质的检测服务。

[1] 张玮昌，陈平，刘滢，等.器具开关接通、分断能力的探讨//上海市电机工程学会，上海市电工技术学会.第十一届学术年会论文集 （电气器具专委会）[C].上海：上海市电机工程学会，2011：143-149.

[2] IEC 61058-1-1：2016.Switches for appliances–Part 1-1：Requirements for mechanical switches[S].

[3] IEC 61058-1-2：2016.Switches for appliances–Part 1-2：Requirements for electronic switches[S].

[4] 吴家任，张桂香.基于PLC-触摸屏的电控柜检测系统设计[J].微机计算机信息，2012，（2）：25-27.

[5] 西门子（中国）有限公司自动化驱动集团.SIMATIC S7 S7-200 SMART系统手册[EB/OL].[2017-02-24].https：//support.industry.siemens.com/cs/document/109745610/s7-200-smart-%E7%B3%BB%E7%BB%9F%E6%89%8B%E5%86%8C-?dti=0&pnid=21148&lc=zh-CN.

[6] 西门子（中国）有限公司自动化驱动集团.SIMATIC HMI设备Smart 700 IE、Smart 1000 IE操作说明[EB/OL][2013-05-01].https：//support.industry.siemens.com/cs/document/62543340/simatic-hmi%E8%AE%BE%E5%A4%87-smart-700-ie%E3%80%81smart-1000-ie-%E6%93%8D%E4%BD%9C%E8%AF%B4%E6%98%8E?dti=0&lc=zh-CN，

[7] 余丹，于建顺.STEP7模拟调试及实现与WinCC连接的仿真[J].现代电子技术，2010，（14）：81-83.