航空开关U,型部件绝缘性能测试系统设计

万晟睿，周志峰，冯垚

（201620 上海市 上海工程技术大学 机械与汽车工程学院）

U 型部件是航空开关中的重要组成部分，为保证开关质量，该部件需进行绝缘性能测试。传统U型部件的绝缘性能测试依靠人工测量，在测试板的两端加载直流电压，从而得到数据并找出不良件，其自动化程度低、识别不良件的效率低，因此设计一种能自动测量并对不良件进行定位的U 型部件绝缘测试系统很有必要。本设计是基于PLC 和MCGS 组态软件相结合的U 型部件绝缘性能测试方案，由漏电流传感器采集漏电流信号并转换为标准电压信号，模拟量输入模块将标准电压信号转换为数字信号，PLC 作为测试系统的控制核心实时处理数据，实现对漏电流的自动测量。由MCGS 组态软件与PLC 之间建立信息通道，实现可视化、不良品定位、报警反馈、电流值的读存等功能，运行安全、方便、准确，提高了测试效率和自动化程度[1]。

1.1 U 型部件

U 型部件是航空开关内关键运动机构和联结部件，若发生漏电会直接导致开关手柄和电路绝缘不良、甚至导通带电。U 型部件如图1 所示，左右两端对称位置各有一根金属轴，中间有盲孔。

图1 U 型部件剖面图Fig.1 Section drawing of U-shape parts

1.2 传统测试流程

目前，U 型部件绝缘性能测试是通过在U 型部件的金属轴和孔壁内侧两端施加直流电压并保持一定时间的方式实现的，一批次需要测试10 个。具体流程：（1）在耐压测试仪上分别设置漏电流报警值、测试时长、高压输出值；
（2）启动耐压测试仪，给测试板两端输出直流高压，如果在测试过程中耐压测试仪报警，表明该批次中有不良件；
（3）对有不良件的批次，需对该批次的每个U 型部件再进行测试，直到找出所有不良件。

1.3 系统设计要求

设备主要用于航空开关U 型部件的绝缘性能测试，单个U 型部件的绝缘性能测试的时间不超过20 s。测试过程中，U 型部件的绝缘测试采用半自动化作业形式，人工批量上下料并装夹完毕。工人通过触摸屏启动设备对U 型部件孔壁内侧和金属轴间施加直流电压保持1 min，每个U 型部件有独立的电流值采集通道，自动测量漏电流值，自动判别定位超出设定值外的不良件，漏电流值和报警状态显示在触摸屏上。

系统主要技术指标：（1）输出直流电压可在0～2 000 V 可调，耐压测试时间在0～99 s 内可调；
2）报警电流在0～20 mA 可设置，漏电流超过0.5 mA进行报警；
（3）漏电流检测精度≤10 μA。

2.1 测控方案设计

测控方案设计图如图2 所示。输出直流电压加载到U 型部件检测台，对每个工位通过U 型部件的电流进行漏电流检测，漏电流传感器采集漏电流输出标准电压进入A/D 采样模块，由PLC 控制进行A/D 采样，计算出当前U 型部件的电流，如果超出预设报警电流，则PLC 输出控制点亮相应指示灯，提醒操作人员，所有工位的U 型部件漏电流和指示灯状态都可在上位机触摸屏显示并存储。

图2 测控方案设计图Fig.2 Measurement and control scheme design drawing

西门子S7-200 SMART PLC（CPU ST30）作为整个绝缘测试系统的核心，既要处理模拟量输入模块输出的电压信号，又要响应组态软件发出的操作指令，并通过和组态软件建立的通道将数据传输给上位机，显示每个U 型部件的漏电流数值和报警。本次设计选用CPUST30 模块，本体带18 输入、12输出[2]。

模拟量采集模块，对通过每个U 型部件的电流进行采集。选用S7-200 SMART 系列的模拟量采集模块EMAE08，8 路模拟量输入，输入范围±2.5V、±5V、±10V、0～20 mA 等，共3 个模块，满足20 个工件电流的同时独立采集。由隔离变送器将采集到的电流信号转换成0～10 V 的电压信号送到模拟量输入模块，由PLC计算出漏电流的数值，发出控制信号决定指示灯报警与否，从而实现了自动定位不良品。

数字量输出模块方面，每个被测U 型部件设置一个指示灯，当电流超过设定电流时，点亮指示灯进行报警。本次设计选用S7-200 SMART 系列的数字量输出模块EM QT16，本体带16 个数字量输出点，CPUST30 模块自身带12 个数字量输出，一共28 个数字量输出点，完全可以满足20 个指示灯控制需要。

漏电流传感器方面，串入U 型部件电流测试回路，实时监控工件电流，输出的电压信号进入模拟量采集模块，20 个工件对应20 个漏电流传感器模块，输入信号±10 mA，输出信号±5 V。

MCGS 触摸屏方面，测试过程中通过每个工件的电流在触摸屏上显示。本次设计中采用昆仑通泰7 寸触摸屏显示20 个工件的电流和当前状态，分辨率800×480，内存128 M、系统存储128 M，10/100 M 自适应以太网接口，2 个串行COM 接口，该类型触摸屏在工业现场广泛使用[3]。

2.2 工装夹具设计

测试工装如图3 所示。图3（a）为未安装U型部件状态，中间圆柱体和U 型部件本体中间的盲孔接触，左右两边为不锈钢夹具，和U 型部件两端的金属轴接触，安装时只需把U 型部件插入工装，中间圆柱体和U 型部件孔壁内侧接触，不锈钢夹具和U 型部件两端金属轴紧密接触；
图3（b）为U 型部件安装后的状态。

图3 测试工装图Fig.3 Test fixture diagram

2.3 漏电流检测

漏电流检测是U 型部件绝缘测试系统的设计重点，采用闭环霍尔电流传感器采集漏电流。霍尔电流传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器（如图4 所示），它是由原边电路、聚磁环、霍尔元件次级线圈、放大器等组成。当原边电流Ip产生的磁通通过高品质磁芯集中在磁路中,霍尔元件固定在气隙中检测磁通，通过绕在磁芯上的多匝线圈输出反向的补偿电流，用于抵消原边Ip产生的磁通，使得磁路中磁通始终保持为零。经过特殊电路的处理,传感器的输出端能够精确反映原边电流的电流变化。

图4 闭环霍尔电流传感器电路原理图Fig.4 Closed loop Hall current sensor circuit diagram

依据互感器电磁隔离、磁调制工作原理将被测交流微电流、直流微电流转换成直流电流、直流电压并隔离输出标准模拟信号或数字信号，漏电流传感器环绕安装在直流回路的正负出线上，当装置运行时，实时检测各支路传感器输出的信号。

2.4 系统整体结构

系统整体结构由机械部分、电气部分、触摸屏等组成，其中机械部分由安装面板、箱体、物理防护结构等组成；
电气部分由控制器、模拟量采集模块、数字量输出模块等组成；
触摸屏用于人机交互，设置测试参数，显示测试结果。

为了保证绝缘测试系统的安全性，系统硬件设计时操作人员只在弱电一面操作，强电部分实际上是被隔离的，每个U 型部件都具备独立的漏电流采集通道（20 个）。当任意一个工件的漏电流大于或等于报警值，测试板指示灯亮起，软件界面指示灯同时点亮，测试结束后，自动保存上一次测试的每个工件的漏电流值，自动生成报表，可以通过预置的USB 接口读取。检测台总体结构如图5 所示，左侧为负载箱，右侧为测控箱，负载箱内包括漏电流传感器、指示灯、电源等，测控箱内包括控制核心PLC、触摸屏、控制按钮等，操作人员则主要操作测控箱。

图5 检测台总体结构图Fig.5 Overall structure of testing platform

3.1 软件主流程

检测台下位机PLC 程序的主流程图如图6 所示。在测试时间内(例如1 min)，依次采集20 个工位上被测U 型部件的电流值并显示，直至测试时间结束，如果某个U 型部件的电流值达到了预设的报警值则点亮相应的指示灯，定位出不合格工件的位置，提醒操作人员注意。

图6 主程序流程图Fig.6 Main program flow chart

3.2 PLC 软件设计

下位机PLC 控制程序采用STEP 7-Micro/WIN SMART 软件开发，该软件是西门子专为S7-200 SMART PLC 开发的软件平台。

U 型部件绝缘性能测试系统工作时，漏电流传感器将采集到的电流信号转换为0～5 V 的标准电压信号，然后传送给模拟量输入模块，转换为电压数据，再经控制核心PLC CPUST30 实时接收计算出电流值。每个U 型部件的电流值被保存在不同地址的寄存器内，与报警电流值比较，决定报警指示灯点亮与否，也可被组态软件实时读取。在上位机界面分别显示每个U 型部件的电流值和报警状态，其中某一路漏电流传感器模拟量输入编程如图7 所示。

图7 模拟量输入编程图Fig.7 Analog input programming diagram

PLC 首先计算漏电流实际值，如图7（a）所示。漏电流传感器原边额定输入电流10 mA，副边额定输出电压5 V，模拟量接入的通道地址是AIW16，AIW16 为整型数据（0～27 648）就是输入电流（0～10 mA）对应的数值，1 mA 对应276.48。先将整型数据VW0 转换成双整型数据VD100，再将双整型数据转换成浮点数据VD104 最后经实数除法(/R)指令将两个实数相除，产生一个实数结果VD108即为漏电流实际值。

漏电流实际值与报警值比较决定指示灯状态如图7（b）所示。实数VD108 的漏电流值与预设的报警值VD52 比较，大于或等于报警值，这个工位的指示灯被点亮。

3.3 上位机软件设计

上位机触摸屏程序采用昆仑通态组态软件设计，该软件可以快速、方便地开发各种用于现场采集、数据处理和控制设备，安装部署容易，操作简单方便、功能强大，具有很高的可靠性和实用性[4]。

MCGS 监控系统主要包括监控和操作控制两部分。监控部分包括20 个U 型部件漏电流的实时显示和20 个U 型部件的漏电流报警状态；
操作控制部分包括启动、停止的启停控制，报警电流的设置、U 盘导出数据和导出时间段设置。上位机软件界面如图8 所示。

图8 上位机软件界面图Fig.8 Upper computer software interface diagram

测试界面共20 个工位，每个工位有一个电流显示和状态指示灯，实时显示当前工位的电流值和报警状态。如果电流值≥预设报警值，则在上位机触摸屏对应工位指示灯显示红色，同时在检测台上对应工位的指示灯点亮，提醒测试人员注意。

上位机自动检测并显示系统运行时的数据参数，当漏电流超过报警电流，自动定位不合格工件，实现可视化、智能化地对绝缘测试进行控制。

3.4 PLC 与MCGS 通讯

PLC与MCGS通讯是为了两者建立数据通道，在实时数据库与测控对象之间实现数据交换，达到对外部设备的工作状态实时检测与控制的目的。首先连接设备，在设备窗口添加通用TCP/IP 父设备和子设备西门子Smart200，其父设备的参数会自动初始化通讯默认参数；
再通过设备编辑窗口连接变量，将设备通道(模拟量输入装置的输入通道、开关量输入输出装置的输入输出通道等)与实时数据库连接,设置设备构件的基本属性、建立设备通道和数据库之间的连接、设备数据通道处理内容的设置；
最后下载工程，通过TCP/IP连接启动运行[5]。

实验中选用TL5502A 型号耐压测试仪输出直流高压，电压输出0～5 kV、测试时间1～99 s 均可调节，漏电流传感器的输入量程范围为±10 mA，输出量程范围±5 V。在进行转换时，程序中漏电流的量程与漏电流传感器的量程设定一样，设定为±10 mA。上位机上的实测电流值与程序中相应的寄存器相关联，可把漏电流模拟信号送至上位机显示。单个U 型部件测试的实验平台如图9 所示。

图9 实验平台图Fig.9 Experimental platform diagram

从系统测得的电流值可以得到漏电流数据表，详见表1。

表1 漏电流数据表Tab.1 Leakage current data sheet

分析表中漏电流数据可知，在实际绝缘测试的漏电流值，本方案设计的高压绝缘测试系统得出的漏电流值的测量误差最大为9.6 μA，均在要求的误差范围10μA 以内，能够满足用户产品的测试。

基于PLC 和MCGS 的U 型部件绝缘性能测试系统实现了人工批量上料、自动测量、定位不良品和报警等功能，并对电流值保存和读取，解决了高压绝缘测试中无法自动测量和无法自动定位不良品等问题。大大提升了U 型部件绝缘测试的自动化程度、效率和安全性，同时更减轻工人的劳动强度，提高了工作效率。以MCGS 为上位机监控和PLC为控制核心的U 型部件绝缘测试系统可控可调精度高，完全满足绝缘测试需求。MCGS 和PLC 的结合提高了工业系统的自动化水平，具有很高的推广应用价值。