真空滅弧室，又名真空開(kāi)關(guān)管，是中高壓電力開(kāi)關(guān)的核心部件，其主要作用是通過(guò)管內(nèi)真空優(yōu)良的絕緣性使中高壓電路切斷電源后能迅速熄弧并抑制電流，避免事故和意外的發(fā)生，主要應(yīng)用于電力的輸配電控制系統(tǒng)，還應(yīng)用于冶金、礦山、石油、化工、鐵路、廣播、通訊、工業(yè)高頻加熱等配電系統(tǒng)，具有節(jié)能、節(jié)材、防火、防爆、體積小、壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低、運(yùn)行可靠和無(wú)污染等特點(diǎn)[1_2]。真空滅弧室從用途上又分為斷路器用滅弧室和負(fù)荷開(kāi)關(guān)用滅弧室，斷路器滅弧室主要用于電力部門中的變電站和電網(wǎng)設(shè)施，負(fù)荷開(kāi)關(guān)用滅弧室主要用于電網(wǎng)的終端用戶口]。
真空滅弧室在生產(chǎn)制造過(guò)程中有著復(fù)雜的工藝流程，在產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中及出廠之前需要對(duì)滅弧室的參數(shù)檢測(cè)，確保產(chǎn)品的質(zhì)量。額定壓力的電阻、自閉力及反力便是其中較為重要的測(cè)試參數(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，這些參數(shù)需要不同的測(cè)量手段，所以測(cè)量起來(lái)對(duì)人力和物力的消耗較為明顯口]。同時(shí)，人力的過(guò)多參與，導(dǎo)致測(cè)量的隨機(jī)誤差增多。為提高測(cè)試效率及測(cè)量準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)制造了多功能回路電阻測(cè)試儀，實(shí)現(xiàn)滅弧室多種參數(shù)的準(zhǔn)確，高效測(cè)量‘“。
1 多功能回路電阻測(cè)試儀設(shè)計(jì)思路
1．1 關(guān)鍵因素
本系統(tǒng)的測(cè)量目標(biāo)共包括三個(gè)，額定壓力值下的接觸電阻，自閉力以及反力。影響測(cè)量結(jié)果的關(guān)鍵因素主要包括以下幾點(diǎn)：
1)額定壓力值施加的準(zhǔn)確性；
真空滅弧室的動(dòng)靜端觸頭的接觸電阻是指在滅弧室動(dòng)端施加指定的壓力，在指定的壓力下，測(cè)量動(dòng)端和靜端之間的電阻值即為接觸電阻。由于接觸電阻一般為5～20肚Q，壓力值的變化對(duì)接觸電阻的影響很大，本系統(tǒng)要求施加的壓力范圍為o～10000N，施加壓力的誤差≤±10 N，因此，如何快速精準(zhǔn)的施加壓力便成為本系統(tǒng)的關(guān)鍵因素之一。
2)電阻值測(cè)量的準(zhǔn)確性；
由于接觸電阻阻值很小，*小分辨率需要達(dá)到o．01址Q常規(guī)的測(cè)量設(shè)備精度很難滿足使用要求，因此如何準(zhǔn)確測(cè)量接觸電阻便成為本系統(tǒng)另一個(gè)關(guān)鍵因素。
3)力值測(cè)量的準(zhǔn)確性；
在測(cè)量接觸電阻過(guò)程中，系統(tǒng)施加范圍為o～10000 N的壓力，在自閉力與反力的測(cè)量過(guò)程中，系統(tǒng)需要測(cè)量o～300 N的拉力，測(cè)量誤差≤±10 N，現(xiàn)在可獲得的拉壓力傳感器都為對(duì)稱設(shè)計(jì)，即拉壓力測(cè)量范圍為相同的，本系統(tǒng)中為滿足10000 N壓力的測(cè)量要求，必須選用拉力測(cè)量范圍也為10000 N的傳感器，這將導(dǎo)致在o～300 N的范圍內(nèi)拉力信號(hào)為一個(gè)較小的信號(hào)，較小的信號(hào)意味著更容易受到干擾，因此，如何快速準(zhǔn)確采集力值成為本系統(tǒng)第三個(gè)關(guān)鍵因素。
1．2 解決方案
針對(duì)1．1中所提及的影響測(cè)量結(jié)果各項(xiàng)關(guān)鍵因素，本設(shè)備做出了如下解決方案：
(1)準(zhǔn)確施加壓力
本系統(tǒng)中壓力精度要求為±10 N，同時(shí)，為滿足生產(chǎn)線的節(jié)拍要求，壓力施加過(guò)程的時(shí)間也有相應(yīng)的要求。因此，如何快速準(zhǔn)確的進(jìn)行壓力施加便成了本系統(tǒng)成功與否的關(guān)鍵。
在現(xiàn)存的儀器中，PID控制得到了廣泛的應(yīng)用，PID是比例、積分、微分的縮寫(xiě)。比例調(diào)節(jié)作用是按比例反應(yīng)系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)了偏差，比例調(diào)
節(jié)立即產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用以減少偏差。比例作用大，可以加快調(diào)節(jié)，減少誤差，但是過(guò)大的比例，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性下降，甚至造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分調(diào)節(jié)作
用是使系統(tǒng)消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高無(wú)差度。因?yàn)橛姓`差，積分調(diào)節(jié)就進(jìn)行，直至無(wú)差，積分調(diào)節(jié)停止，積分調(diào)節(jié)輸出一常值。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)Ti，Ti越小，積分作用就越強(qiáng)，Ti越大，則積分作用弱。加入積分調(diào)節(jié)可使系統(tǒng)穩(wěn)定性下降，動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢。積分作用常與另兩種調(diào)節(jié)規(guī)律結(jié)合，組
成PI調(diào)節(jié)器或PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用反映系統(tǒng)偏差信號(hào)的變化率，具有預(yù)見(jiàn)性，能預(yù)見(jiàn)偏差變化的趨勢(shì)。因此能產(chǎn)生超前的控制作用，在偏差還沒(méi)有形成之前，已被微分調(diào)節(jié)作用消除。因此，可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。在微分時(shí)間選擇合適情況下，可以減少超調(diào)，減少調(diào)節(jié)時(shí)間。微分作用對(duì)噪聲干擾有放大作用，因此過(guò)強(qiáng)的加微分調(diào)節(jié)，對(duì)系統(tǒng)抗干擾不利。微分作用不能單獨(dú)使用，需要與另外兩種調(diào)節(jié)規(guī)律相結(jié)合，組成PD或PID控制器。
由上述描述可知，在PID的使用過(guò)程中，參數(shù)整定過(guò)程是復(fù)雜的，但是PID的思想?yún)s可以進(jìn)行借鑒。
在本系統(tǒng)中，使用了“分段式運(yùn)動(dòng)控制”，在該過(guò)程中，上壓頭中的設(shè)置線型探針，該探針有一定的伸縮性能。在樣品下端施加24 V電壓，當(dāng)上端跟探針沒(méi)有接觸時(shí)，伺服電機(jī)以較高速度運(yùn)動(dòng)；當(dāng)樣品上端接觸到探針時(shí)，與探針相連的控制器輸入點(diǎn)探測(cè)到24 V高電平，伺服電機(jī)開(kāi)始減速，以較低速度運(yùn)動(dòng)，
慢慢施加壓力，當(dāng)壓力達(dá)到目標(biāo)值的90％時(shí)，伺服電機(jī)轉(zhuǎn)入“點(diǎn)動(dòng)”(單脈沖運(yùn)動(dòng))過(guò)程，直至達(dá)到目標(biāo)壓力。運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖1所示。
(2)準(zhǔn)確測(cè)量電阻值
本系統(tǒng)中，使用四端子法測(cè)量滅弧室接觸電阻。測(cè)量系統(tǒng)由電壓測(cè)試儀、電流測(cè)試儀和拉壓力測(cè)試裝置構(gòu)成，首先在A+和A一端施加100 A電流，同時(shí)測(cè)量V+和V一的電壓，通過(guò)歐姆定律自動(dòng)計(jì)算獲得*終的回路電阻值。
(3)準(zhǔn)確測(cè)量力值
本系統(tǒng)從軟件和硬件兩個(gè)方面進(jìn)行了處理。硬件方面，在電機(jī)的動(dòng)力線上使用二次屏蔽網(wǎng)，屏蔽網(wǎng)可靠接地，將壓力變送器至于鐵盒中，鐵盒可靠接地。同時(shí)，控制系統(tǒng)的供電使用隔離變壓器及濾波模塊。軟件方面，首先，在控制器采集端進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，選擇合適的采樣數(shù)及“死區(qū)”，如圖3所示；其
次，在進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)，使用中值濾波，減小隨機(jī)誤差。拉壓力傳感器采用s型稱重傳感器，該傳感器采用合金鋼材質(zhì)，膠密封防護(hù)處理，廣泛應(yīng)用于固體
間拉力和壓力的測(cè)量。本系統(tǒng)中使用的傳感器為量程±1 T，重復(fù)精度o．5％F．S。由于在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中電壓信號(hào)容易干擾，所以本系統(tǒng)中使用了壓力變送器，將傳感器的電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為4～20 mA的電流信號(hào)，減少傳輸過(guò)程中的干擾。
為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，使用PLC作為壓力控制過(guò)程的控制器，PI。C控制系統(tǒng)，又稱可編程邏輯控制器，是專為工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計(jì)的一種數(shù)字運(yùn)算操作的電子裝置，它采用一類可編程的存儲(chǔ)器，用于存儲(chǔ)內(nèi)部程序，執(zhí)行邏輯運(yùn)算，定時(shí)，計(jì)數(shù)等面向用戶的指令，并通過(guò)數(shù)字或模擬式輸入輸出控制各種類型的生產(chǎn)過(guò)程，是工業(yè)控制的核心部分。本系統(tǒng)中使用的數(shù)據(jù)采集模塊為西門子EM235模擬量采集模塊，可以跟西門子s7—200進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)壓力值的閉環(huán)控制。EM235的量程為o～20 mA，精度為12位。PLC對(duì)應(yīng)的*小分辨電壓5肚A，由此可以得出系統(tǒng)*小分辨力值為6．25 N。
2 多功能回路電阻測(cè)試儀制造實(shí)現(xiàn)
2．1 多功能回路電阻測(cè)試儀結(jié)構(gòu)
根據(jù)上述解決方案，設(shè)計(jì)制造出的多功能回路電阻測(cè)試儀結(jié)構(gòu)如圖4所示，多功能回路電阻測(cè)試儀主要由兩部分組成：一部分是自動(dòng)化測(cè)量輔助裝置；另一部分包括測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)與通訊系統(tǒng)等。前一部分集中于檢測(cè)操作臺(tái)，后一部分安裝于標(biāo)準(zhǔn)機(jī)柜中。
自動(dòng)化測(cè)量輔助裝置是滅弧室多功能回路電阻測(cè)試的基礎(chǔ)，它主要包括以下裝置及機(jī)構(gòu)：T作臺(tái)、上下壓頭、伺服電機(jī)及傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、力傳感器、恒流源電極、測(cè)試電極移動(dòng)裝置等部分，如圖4所示。
2．2 多功能回路電阻測(cè)試儀控制過(guò)程
控制系統(tǒng)作為檢測(cè)系統(tǒng)的**，控制各部分的邏輯與時(shí)序，在系統(tǒng)中占有重要地位。在本系統(tǒng)中，控制系統(tǒng)需完成以下工作。
(1)根據(jù)管型信息預(yù)設(shè)相應(yīng)的測(cè)試電流、施壓壓力和額定開(kāi)距等信息。
(2)檢測(cè)各傳感器的輸入信息并對(duì)信息進(jìn)行判斷。
(3)驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的電機(jī)，完成上下動(dòng)板及測(cè)試電極的位置調(diào)節(jié)。
(4)向電阻測(cè)試儀、壓力測(cè)試儀發(fā)出測(cè)控信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的測(cè)量。
(5)測(cè)試參數(shù)手動(dòng)設(shè)置、測(cè)試結(jié)果對(duì)比，測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)計(jì)算。
綜合以上要求，本項(xiàng)目控制系統(tǒng)采用了T控機(jī)結(jié)合PLC的控制模式，相關(guān)的測(cè)試硬件包括：位置傳感器、光電傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等，具體結(jié)構(gòu)如圖5所示。
工控機(jī)作為控制中心，主要完成以下T作：接收用戶的輸入信息、向PI。C控制器發(fā)出相關(guān)的控制指令、讀取PI。C控制器中的信息、控制恒流源和電壓
測(cè)試儀的邏輯與時(shí)序、與系統(tǒng)主控或其他部分進(jìn)行通訊、進(jìn)行相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)與分析T作。PI。C控制器檢測(cè)各傳感器的輸入信息，與工控機(jī)傳輸信
息進(jìn)行對(duì)比，進(jìn)而控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)所需動(dòng)作，完成相應(yīng)參數(shù)的調(diào)節(jié)。
本設(shè)備所有測(cè)試過(guò)程均采用程控自動(dòng)化，用戶在上位機(jī)軟件中調(diào)取相應(yīng)的控制參數(shù)，如圖6所示，設(shè)備將按照給定的參數(shù)及流程全自動(dòng)完成整套測(cè)試流程。程控程序流程如圖7所示。
2．3 多功能回路電阻測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)指標(biāo)
設(shè)計(jì)制造完成的多功能回路電阻測(cè)試儀在接觸電阻、自閉力、反力等方面均實(shí)現(xiàn)了很好的測(cè)試效果，經(jīng)實(shí)踐測(cè)試本設(shè)備達(dá)到了表1所列出的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。
3 多功能回路電阻測(cè)試儀使用效果
多功能回路電阻測(cè)試儀驗(yàn)收初期，選擇兩種型號(hào)的真空滅弧室作為測(cè)試樣品，每個(gè)型號(hào)測(cè)試100只，每只測(cè)試10次，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
經(jīng)客戶反饋，多功能回路電阻測(cè)試儀投入正常生產(chǎn)后，測(cè)試效率較傳統(tǒng)方式提高50％，一致性提高80％。
4 結(jié)論
多功能回路電阻測(cè)試儀就真空滅弧室測(cè)試過(guò)程中壓力施加、接觸電阻測(cè)量、自閉力測(cè)量以及反力測(cè)量等關(guān)鍵因素進(jìn)行了針對(duì)性攻關(guān)設(shè)計(jì)，解決了傳統(tǒng)測(cè)試方法存在的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量、高效率的測(cè)試工藝。
通過(guò)測(cè)試多功能回路電阻測(cè)試儀達(dá)到各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)，經(jīng)用戶反映，設(shè)備性能穩(wěn)定，運(yùn)行效果良好。衷心感謝參與該設(shè)備設(shè)計(jì)制造的相關(guān)人員。
