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论述温升测试系统对电器附件及类似用途器具的作用

2020-02-12 272 上传者：管理员

摘要：论文在经过温升测试系统的电路及机械设计和三相／单相负载柜的集成研发等大量实践测量后,得到了有效的数据，然后采用PLC先进控制，研制出了一套新型的集耐久性测试、温升测试于一体的，适应于多种电器附件标准的综合测试平台，测试平台具有自动化、集成化、智能化的特点，产品可以快速应用于电器附件产品委托测试，测试能耗和运维成本较现在能降低50%以上，同时提高检测精度和工作效率，为更好地适应高强度检测的需求提供了基础。

关键词：
检测精度
温升测试系统
电器附件
自动测试
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一、前言

电器附件是一类较为特别的电器产品。它或作为整机的一部分，为整机提供电源、开关、连接线，或自成一体独立在电路中运行。电器附件产品一般产品尺寸较小，结构微小紧凑，检测分析工作较为复杂。但是作为整机的部件或关键元器件，附件产品的质量不容忽视，其质量好坏甚至直接决定了整机产品的最终质量，而产品耐久性测试，即俗称的寿命试验，是附件产品安全测试的重要指标之一。

在国内，开关量控制技术的测试系统技术成熟、结构简单，但多年测试实践中主流测试系统的不足之处也逐渐暴露，亟待改进；而为耐久性测试系统所配的负载也一般为单相／三相独立使用负载，负载占地面积大，价格成本昂贵，设备重复利用率较低。因而本系统研制基于以上的原因，着力于研制一整套适合检验检测机构、技术研发机构、产品生产企业使用的针对附件标准特殊要求的温升、耐久性测试综合系统。该套系统应首先具备运行效率高、数据精度高、自动化程度高，后期运维成本低等特点。

二、温升测试整体建模

(一) 系统建模

整个温升测试系统设计总体上要求满足响应迅速、反应灵敏、测量精确等特性，同时达到国家标准对温度被测元件检测的各项要求，因此设计了如下的温升测试整体模型图，如图1所示。

图1 温升测试模型原理图

(二) 电路及机械设计

目前市场上的温度测量元件虽然种类繁多，但其工作原理都基本类似，因此温度采集系统对于涉及的相关国家标准试验进行一系列整合，从而实现在一套设备中能够完成被测元件的耐久性试验，制造漂移试验及环境应力试验等关键项目的测试。温升测试电路核心采用西门子S7-224CN可编程控制器，用以实现两项主要功能：①对不同测试元件温升要求的精准控制；②实现对于系统中精密烘箱温升范围的精确控制。

整个电路控制系统采用双层(西门子工控机一PLC224可编程控制器)分层闭环控制，西门子工控机根据试验要求，对PLC224发出启动，测试及停止等基本指令，同时反馈系统接收温升数据，形成试验报告数据。完成试验的关键部件PLC224可编程控制器在执行指令时，同样需要温度传感器和热电偶传感器(EM221，EM232，EM231)的配合，其连接电路如图2所示。

图2 温升测试模型原理图

(三) 负载柜系统设计

负载柜采用三相四线制输入，输出功率为阻态15KW。交流电通过三相45KVA调压器柜接人负载柜，每相15KVA，每相输出ACO一250V可调。具体负载柜设计参数如下:

功率量程：0—99．99KW，电压量程0—999．9V，电流量程0—99．99A，时间Is一99h可调，正常工作温一15—55。C，输出功率，R=15KW，L=(稳态5000VA；瞬态15000VA，PF=0．2—1．0可调)，过载保护150％额定功率可调；

系统选定采用步进电机作为执行元件，代替原有气动执行元件。但由于气动系统存在一定的可压缩性，因此气动执行元件虽然会高速撞击在被测件上，但是合理控制气路气压，可以使得压力不会超出产品的承受极限。但是步进电机系统不同，其位移的偏差是刚性的，因此当位移偏差为正偏差时，执行元件会压在被检测件上，由于系统刚性较大甚至会压碎产品。因此如何控制步进电机系统的正位移偏差是采用步进电机系统的核心关键问题。

(四) 步进电机正位移偏差的校准与设定

本项目提出了一种基于“理想速度曲线”的位移控制策略，可以有效保证在使用期限内步进电机系统不会产生正位移偏差。以插座耐久性测试为例，试验执行端的理想速度和加速度曲线如图3(a)、图3(b)所示。

图3(a) 速度一时间曲线图

图3(b) 加速度一时间曲线图

在速度一时间曲线图3(a)中，可看出执行端的插头行程分成三个阶段，即启动时加速，执行时匀速，制动时减速，并且三个阶段曲线在时间轴上(从O点到G点)基本呈对称分布。而在加速度一时间图3(b)中，加速度呈现多段变化，与图3(a)中各时间节点相对应，加速度基本呈线性增减，从O点到G点8个时间节点可将加速度分为7个阶段，即启动时(O到C点)的3个阶段：加速阶段、匀速增加阶段和减加速阶段；执行时1个阶段，即匀速阶段(c点到D点)；制动时(D点到G点)的3个阶段，加减速阶段、匀减速阶段和减减速阶段。

根据理想速度曲线，设定系统控制流程，按照“开环控制读取数据”、“清零消除误差”、“闭环控制读取数据”三步走的流程，清除开环数据误差，从而校正步进电动机正位移偏差。具体操作流程如下：

①开环控制读取数据一将步进电机带动插头移动至行程始端，速度开环控制插头移动，此时PLC224读取理想速度曲线中始端所对应的“理想速度频率表”；

②清零消除误差—位移脉冲计数器在标准插头行程至速度曲线末端节点位置时进行清零处理，以消除开环控制误差，同时切换控制模式即位置闭环控制模式；

③闭环控制读取数据一PLC224首先读取经“预减速度值”修正的理想速度频率表，之后由闭环控制系统移动插头位置，PLC224依次读取修正的“理想速度频率表”的脉冲频率，用预置的位移值减去脉冲频率和采样周期的乘积，直至数据全部读完。

④控制精度分析——由于需要严格控制步进电动机的位移偏差，因此，上述测试方法采用位移闭环循环算法——首先读取理想速度曲线所对应步进电机的脉冲频率f，执行闭环计算即脉冲数计数器N=N—f*Ts(Ts是采样周期)，此时如果步进电机脉冲数仍大于0，则用理想速度频率表数据中对应的最小值驱动步进电机，并从脉冲计数器中扣除脉冲数N，循环计算脉冲数，直至N=0即位移脉冲计数器为零。

三、结语与展望

本项目创新性地提出一些对于现有耐久性及温升测试中存在问题的解决方案。首次提出采用步进电机代替气动元件作为其执行部件，彻底解决了气动元件损耗大、折旧快、设备运维费用高的缺点。利用步进电机对位移的精确控制，采用三轴定位的方式，借鉴数控编程技术，解决同样产品重复定位的精度和一致性的问题；利用“理想速度曲线”算法解决步进电机的正位移偏差问题。温升测试系统平台以温度敏感元件的温度特性为研究目标，采用了目前先进的PLC+工控机控制技术，研制了可以实时监控产品温度特性，实时采集其温度变化值的一套装置。反应速率可以达到25µs，温度精度达到边缘±0.1℃，可基本满足现有的产品标准对于该类产品温度特性的所有监控及数据采集的要求，具有自动化、集成化、智能化的特点，能更好得适应高强度检测的需求，具有较好的市场前景。

参考文献:

[1]黄时炜,赵奇.基于“理想速度曲线”测试插座类产品耐久性的方法.家电科技[J].2014,09.

[2]黄时炜,顾丽敏.家用和类似用途插座的耐久性测试系统.现代建筑电气[J].2014.07.

顾丽敏.电器附件及类似用途器具的温升测试系统的研究[J].信息系统工程,2019,(10):140-142.