低压断路器智能测控系统的设计与实现

0.引言

     低压断路器产品主要应用在低压配电网络中，用于分配电能和保护线路、电源及用电设 备免受过载、欠电压和短路的危害，提高了供电的可靠性。低压断路器智能测控系统是集计 算机技术、智能控制技术、检测技术为一体控制系统，实现低压断路器双金属片（热脱扣器） 的电流过载测控功能，解决了传统工艺中由于手工调节的随机性大、质量难以控制的问题， 其极大程度提高产品检测精度与生产效率，以适应低压电器市场的高需求。本文介绍低压断 路器检测工艺，以及该智能测控系统的基本结构、工作原理和软硬件的设计与实现。通过反 复调试，低压断路器智能测控系统运行稳定、高效，目前已在上海某断路器生产厂家现场应用。

1 低压断路器检测控工艺要求

    低压断路器具有过载保护、短路保护等功能。目前该系统适用范围是在断路器过载保护中采 用双金属片保护（热脱扣器），当双金属片热变形时推动脱扣机构动作而切断电源的保护形 式。过载保护时双金属片的工作原理：当断路器的回路电流超过额定值时，双金属片受热变 形，并向脱扣器的一侧偏移，直到双金属片上的脱扣螺钉顶到脱扣装置，此时脱扣器发生跳 闸动作，切断回路电流。当在规定的脱扣时间内断路器没有动作，通过调整脱扣螺钉、螺母 在双金属片上的位置，调整后使得断路器能够达到断路脱扣时间的要求[2][3]。

    针对目前对低压断路器检测标定时间过长，对双金属片变形机理分析，进行现有的检测 工艺改造。在满足国家标准的情况下，加大检测电流，把测控时间大大缩短，提高了生产效 率。本系统采用单相3 倍电流法，即对三个触点组，先后分别依次加载三倍的规定的电流， 并记录各组触点从加载到跳闸的时间t1,t2 和t3。当某组触点的TI(i=1,2,3)超出允许误差范围 时，需要调节双金属片上螺钉螺母。断路器产品具体检测方式为：

    （1）计时至脱扣机构动作，得t1。

    （2）如t1 大于规定的Tmin（断路器合格标准最短时间）,而脱扣机构还没动作，则启动螺钉螺母调整机构，至双金属片推动脱扣机构动作。

    （3）如t1 大于规定的Tmax（断路器合格标准最长时间）,而还没动作，则作为故障处理。

    （4）对B 和C 相测试重复上述测试步骤。

    （5）三相测试完毕合格后，记录测试数据，系统提示测试完成。

2. 低压断路器智能测控系统总体概述

    智能系统采用三层分布式控制结构（如图 2），分为现场设备层、现场控制层和监控管理层三层架构。

    （1）现场设备层

    现场控制设备需要完成对被测对象（塑壳式断路器）的压紧、合闸、上扣、通电、螺钉 螺母调整、松开等一系列连锁测控操作。所设计螺钉螺母调整机械复合机构，结合激光定位 的数控跟踪方式，进行同时对双金属片上的螺钉和螺母进行调整，实现系统无附加力的同心 双柔轴调节功能。

    （2）现场控制层

    现场控制层由两个单元组成：一是强电单元，为测控提供所需要的电流；二是弱电单元， 由西门子S7-200 系列 PLC 为核心的下位机控制器及其相关控制程序组成的电气控制系统。 现场控制采用自动控制、随机控制相结合的控制方案。自动控制实现各调整机构的小闭环的 控制任务，随机控制是针对断路器双金属片受热随机性，根据现场专家的经验建立专家系统， 采用“IF-THEN”语法结构建立知识库，从而实现低压断路器测控系统的快速推理功能。

    （3）监控管理层

    监控管理层（上位机）基于以研华工业计算机，通过OPC 通用接口与PLC 控制器进行数 据通信（如图2）。人机界面系统采用西门子工业组态软件WinCC 编程环境，画面组态标准 化，程序设计模块化方法，完成整个智能控制系统的数据采集、程序处理和操作指令的输出， 实现对现场控制层的连锁控制和设备调节。

3. 低压断路器智能测控系统的软件设计

    低压断路器智能测控系统软件主要由上位机监控软件和下位机检测过程控制软件两部分 构成，分别实现系统控制功能和系统监控功能。系统下位机基于西门子PLC-200，采用西门 子编程软件STEP7-Micro/Win 编程环境，梯形图编程语言，模块化编程模式构建智能测控 系统的控制程序。系统上位机基于研华工控机，采用西门子工业组态软件WinCC 编程环境， C 脚本编程语言，OPC 通用接口，组态智能测控系统的人机界面监控程序。

3.1 基于PLC 下位机检测过程控制软件设计

    该系统 PLC 控制程序采用梯形图模块化编程，分别完成现场设备对断路器监测的工艺 要求。梯形图程序模块主要包括：上电自检、参数初始化、断路器定位压紧、断路器合扣、 螺钉螺母调整机构移步、激光定位、通电检测、螺钉螺母调整、螺钉螺母调整机构X 轴移相、 断路器测控产品计数及系统故障报警处理。

    在监测过程中，螺钉螺母调整机构需要实时调整断路器双金属片上的螺钉螺母，保证断 路器在合格标准时间内顶跳。因此，螺钉螺母调整机构的定位问题是整套智能测控系统的关 键技术和攻关难点之一。本智能测控系统设计了由步进电机、磁栅位移式传感器、西门子 PLC 以及定位梯形图程序组成的控制单元实现了对步进电机的闭环控制，提高了螺钉螺母调 整机构中的步进电机定位问题。

    螺钉螺母调整机构定位梯形图程序UML 流程图（如图3），具体实现：

    （1） 对步进电机及其高速脉冲计数器进行参数初始化，在STEP7-Micro/Win 中集成了 这些程序块，很方便的对步进电机的脉冲周期、脉冲数及工作模式和高速计数器的工作模式、 初始计数值进行初始化[4]，部分代码如下：

    X 轴高速计数器参数初始化：

   

    （2） 系统建立X-Y 轴二维定位平台，进行激光扫描定位。根据设定的参数以及扫描 方式X 轴、Y 轴步进电机进行定位扫描，磁栅传感器实时把检测出的信号传递到高速计数 器，同时，程序监控步进电机的扫描状态，使步进电机完全处于闭环控制状态下。

3.2 基于WinCC 上位机监控软件设计

    本系统上位机人机界面系统运用西门子高级工业组态软件 WinCC，实现对现场生产过程 进行实时监控，以及生产数据离线管理等操作。功能实行用户分层权限管理，分成登陆、检 测、系统管理等三大功能模块（如图4）。其中，登陆模块实现用户帐号验证管理；检测模 块实现现场工况监控（如图5）；系统管理模块实现生产数据离线管理、系统智能诊断等生 产高级拓展功能。

4 结束语

    在低压断路器智能测控系统中，上、下位机相配合，实现自动控制和随机控制相结合 的智能控制方案。下位机控制程序采用模块化设计、完成现场设备对检测的工艺要求；上位 机人机界面组态画面设计标准化、功能规划模块化，特别是生产数据离线管理，拓展人机界面的生产监控功能。目前，本系统运行稳定、良好，已进入测控实验阶段，检测结果得到实际生产的认可。