控制与保护开关电器控制板检测系统设计

摘 要 控制与保护开关电器集成断路器、接触器、热继电器及隔离器为一体,具有短路分断能力高、体积
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  摘 要

  控制与保护开关电器集成断路器、接触器、热继电器及隔离器为一体,具有短路分断能力高、体积小、功能全、操作寿命长、可靠性高等特点,有效的减少了电机控制系统线路中元件品种及数量,是低压配电与控制系统一种理想的基础元件。根据国家相关标准,控制与保护开关电器的控制板必须进行出厂检测。

  本文中检测系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想,选择开放式的Lab VIEW虚拟仪器软件开发平台,以****开关制造有限公司研制与生产的CB1系列控制与保护开关电器为检测对象,设计出一种控制与保护开关电器控制板自动检测系统,实现对CB1系列控制与保护开关电器控制板的电源电路、电流采样电路、热容电压电路、短路输入脉冲信号波形、脱扣电压波形进行实时全自动检测,可以满足该产品的出厂检测需要。

  本文首先对控制与保护开关电器控制板检测系统设计的意义、研究重点、研究状况进行了介绍;并对基于虚拟仪器技术的数据采集系统设计进行了概述。本文将Lab VIEW软件引入控制与保护开关电器产品的检测系统中,开发了基于Lab VIEW的控制与保护开关电器控制板检测系统。该系统利用高速采集卡对待测的控制与保护开关电器控制板进行模拟量和数字量的输出、采集与控制;上位机程序将高精度采集卡输入的信号数据进行采集记录和分析处理,实现相应信号波形的测量、显示、分析、保存等功能。本文对控制与保护开关电器控制板数据采集系统的硬件配置与软件设计分别做了详细的介绍。

  实际应用表明,本文设计的系统具有使用方便、人机界面友好,监控效率高等优点,对于了解控制与保护开关电器的工作状态和改进控制与保护开关电器的设计具有十分重要意义。

  关键词:  控制与保护开关电器,控制板,检测,虚拟仪器技术,数据采集

  Abstract

  Control and protective switching devices integrated circuit breakers, contactors, thermalrelays and isolator as a whole, with the advantages of short-circuit breaking capacity, compact,full-featured, long operating life, high reliability and so on, effectively reduce the motor controlsystem circuit component species and quantities, which is an ideal base components of low-voltage power distribution and control system. According to national related standards, thecontrol board of control and protective switching devices must be ex-factory tested.

  This test system’s function realization is based on the idea of virtual instrument technologyin this article, selecting an open Lab VIEW virtual instrument software development platform,the CB1 series of control and protective switching devices, which are Changshu SwitchgearManufacturing Co’s development and production, are the target of test project, to design aautomatic test system of control and protective switching devices control board, to achieve theautomatic test of power supply circuit, the current sampling circuit, the heat capacity-voltagecircuit, short circuit the input pulse signal waveform, release voltage waveform of the CB1 seriesof control and protective switching devices control board in real time ,to meet the needs offactory testing of the product.

  Firstly, the sense, research priorities, research status of the test system for the control andprotective switching devices control board are introduced; and the design of data acquisitionsystem based on virtual instrument technology are outlined. This article will introduce Lab VIEWsoftware to the control and protective switching product testing system, developing the testsystem of control and protective switching control board based on Lab VIEW. The system useshigh-speed acquisition card on the measurement of control and protective switching devicescontrol board for analog and digital’s output, collection and control; PC program uses the inputsignal data of high-precision capture card collect records and analysis processing, realizing the corresponding signal waveform measurement, display, analysis, preservation and other functions.

  In this paper, control and protective switching control board data acquisition system’s hardwareconfiguration and software design are introduced in detail.

  The application shows that the designed system has the advantages of used easily, friendlyinterface and high efficiency monitoring and so on, which is very important for understandingthe working status of the control and protective switching devices and improving the design ofthe control and protective switching devices.

  Key Words: Control and protective switching devices; Control board; Test; VirtualInstrument technology; Data acquisition。

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  1. 绪论

  1.1、研究背景与意义。

  控制与保护开关电器集成断路器、接触器、热继电器及隔离器为一体,具有短路分断能力高、体积小、功能全、操作寿命长、可靠性高等特点,有效的减少了电机控制系统线路中元件品种及数量,是低压配电与控制系统一种理想的基础元件。

  CB1系列控制与保护开关电器是由****开关制造有限公司研制与生产的新一代电气产品,主要用于交流50Hz,额定工作电压至690V,额定电流自0.15A至32A的电动机的控制与保护,适用于频繁操作控制,能够接通、承载、分断正常条件下的电流,如过载电流,并能接通承载分断非正常条件下的电流,如短路电流。根据国家相关标准,CB1系列控制与保护开关电器的控制板必须进行出厂检测,为此****开关制造有限公司委托**理工学院电气与自动化工程学院研制一套检测系统。

  虚拟仪器有许多传统仪器不能比拟的特点:仪器的功能可由用户根据需要自己定义,而不是事先由厂家定义好。仪器性能的改进、更新和功能的扩展,只需进行软件的设计和更新,而不需要购买新的仪器,可大大节省仪器的开发费用和开发时间。虚拟仪器开放、灵活,可与网络及其周边设备互连。虚拟仪器的硬件主要是传感器、数据采集卡及计算机系统。在确保传感器、数据采集卡精度和计算机系统稳定可靠的前提下,基本不存在类似传统仪器的硬件损坏和元件温度漂移等方面的问题,其测试精度、测试稳定性和可靠性等都比传统仪器更高。因此,虚拟仪器在智能低压电器如控制与保护开关电器产品的出厂检测方面的应用前景非常广阔。

  在计算机技术的推动下,以虚拟仪器为标志的通用化、智能化和网络化测控系统得到了迅猛发展,使得测控系统的设计方法和实现技术产生了深刻的变化。虚拟仪器技术综合运用了计算机技术、数字信号处理技术、标准总线技术和软件工程方法,代表了现代测量仪器和自动测试系统未来的发展方向,在测试与测量、过程控制与工业自动化和实验室研究等领域得到了越来越广泛的应用。

  传统测试方法存在成本高、装置体积庞大、自动化程度低,数据不集中难以进行相关分析,且大量的信号采集工作重复化的弊端。本课题中检测系统的功能实现采用虚拟仪器技术的思想,选择开放式的Lab VIEW虚拟仪器软件开发平台,以****开关制造有限公司研制与生产的CB1系列控制与保护开关电器为检测对象,设计出一种控制与保护开关电器控制板自动检测系统,实现对控制与保护开关电器控制板相关性能的检测,可以满足该产品的生产与出厂检测需要。

  1.2、国内外研究现状。

  控制与保护开关电器是低压配电与控制系统一种理想的基础元件,它是低压电器的一种。国内外的研究人员及工程师们在低压电器自动化检测系统设计及虚拟仪器技术应用等方面进行了相关的研究,部分研究成果如下:

  谢启等在《基于Lab VIEW的电子线路板测试系统的实现》一文中通过采用计算机、数据采集卡等硬件与在Lab VIEW虚拟仪器平台上开发的软件构成了一套完整的、全自动的电动机软启动器电子线路板测试系统。从硬件和软件功能两方面对测试系统的实现方法及功能进行了详细的介绍。最后从实际应用的角度,表明该系统具有测试精度高、开发成本低、抗干扰能力强、检测效率高、操作简单等优点。

  苏金州等在《基于Lab VIEW软件的电磁电器测试系统软件设计》一文中通过采用软件滤波、波形处理、后台计算、报表设计、数据库、波形分析等方法,形成操作简单、方便,测试精度高,性能优良,功能强大的电磁电器测试及分析平台,并完成整体样机的软硬件设计。

  高琴妹等在《基于虚拟仪器技术的万能式断路器检测系统设计》一文中设计了一套以工业控制计算机为核心,配置高精度数据采集卡和信号调理电路等硬件,采用先进的虚拟仪器技术Lab VIEW 7 Express软件开发平台自行开发数据采集、分析、处理软件,通过PCI标准总线组成的高度集成的自动检测系统,可满足CW2系列智能型万能式断路器产品的出厂检验要求。文中详细介绍了系统总体方案设计和软件的实现。

  中忠如在《电气测量技术》书中首先介绍测量与测量系统所必需的基础知识,然后对电气参数、电路参数和磁参数的测量进行重点阐述,并突出数字化、微机化的测量方法。书中还对代表未来测量仪器发展方向的虚拟仪器及开发语言做了简要介绍。最后从实用的角度出发介绍了在电力系统中常见干扰的来源与相应的抑制措施。

  张磊等在《基于虚拟仪器继电器特性试验系统研究》一文中通过文件读取、数据索引等设计,实现了网络系统的通用性和扩展性。三段式保护试验中自主故障点的设置,实现限时电流速断保护和定时限过电流保护,并且模拟显示各分段保护区之间动作的延迟效果。网络试验功能的研究为继电保护实验提供了新的实验方法。

  顾启民等在《基于Lab VIEW的智能控制器自动测试系统的研制》一文中研究了采用计算机、数据采集卡等硬件和在Lab VIEW虚拟仪器平台上开发的软件构成一套完整的、全自动的CW系列智能控制器测试系统。实现对控制器的保护动作特性、负载监控等功能进行自动检测。从硬件特别是软件功能方面对测试系统的实现方法及功能进行了详细的介绍。

  郭亮等在《基于虚拟仪器的低压电器温升测试系统》一文中阐述低压电器温升测试中引入虚拟仪器的技术,尝试使用智能化的手段来改变以前的电器产品性能测试方法。

  重点阐述了使用传感器、数据采集卡和Lab VIEW软件构建低压电器产品温升测试系统的原理,最后以低压电器温升极限和变压器温升测试为突破口编写软件来完成报告数据和图像的生成。

  涂水林等在《万能式断路器综合性能检测系统研制》一文中介绍了一套基于虚拟仪器技术的万能式断路器综合性能检测系统设计方案。系统以工控机为控制核心,配置数据采集卡、信号调理电路和三相大电流发生器、气动夹具等组成系统硬件平台,利用Lab VIEW软件开发相关测试及数据处理软件,实现数据采集和处理,满足了万能式断路器综合性能检测的需要。最后通过实际运行表明该系统具有稳定可靠、操作方便、维护简单的特点。

  张学军等在《虚拟仪器在低压电器测试中的应用》一文中写到:开关电器的触头在分断电路时,如果分断电路的电压和电流都大于生弧电压和生弧电流,则在触头之间不可避免地要产生电弧。在电弧高温作用下会使触头烧损,烧毁电器其他的部件或发生相间短路,甚至会引起电器的爆炸而发生火灾。因此必须通过严格的试验,考核开关电器在非正常工作条件下接通和分断电路的能力。为了准确地测量主电路上的线电压、断口电压及试验电流的瞬态波形,建立一个功能完善的数据采集系统,用以分析试验中的电器参数,就显得十分重要。而虚拟仪器有许多传统仪器不能比拟的特点,虚拟仪器在各种低压电器测试测量方面的应用前景非常广阔。

  在中文科技期刊全文数据库、万方数据知识服务平台、国道外文数据库、PQDD(欧美博硕论文全文数据库)、美国科学院院报PNAS、EBSCO全文期刊数据库等多个数据库中,未查找到关于控制与保护开关电器控制板检测系统设计的相关研究文章。而采用虚拟仪器技术来构建控制与保护开关电器控制板检测系统的思路和设计方案也未被提及。

  

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  1.3、本文主要工作

  2.基于虚拟仪器技术的数据采集系统设计概述

  2.1、虚拟仪器技术简介

  2.2 、LabVIEW应用程序的构成.

  2.3、基于LabVIEW的数据采集系统设

  2.3.1、 模拟1/0的采集

  2.3.2、数字1/0的采集

  3.检测系统总体构成及硬件配置.

  3.1、控制与保护开关电器控制板检测系统功能分析

  3.2、控制与保护开关电器控制板检测系统总体构成

  3.3、控制与保护开关电器控制板检测系统硬件配置

  3.3.1、数据采集卡简述

  3.3.2、 PCI-6229数据采集卡性能.

  3.3.3、 PCI-6229数据采集卡引脚说明

  3.3.4、 PCI-6229 数据采集卡模拟通道与数字通道分配表.

  3.3.5 、NI SCB-68接线端子板

  4.检测系统软件设计

  4.1、控制与保护开关电器控制板检测系统总体设计框图

  4.1.1、控制与保护开关电器控制板检测系统前面板设计

  4.1.2、控制与保护开关电器控制板检测系统软件设计整体框图

  4.2、电源电路检测系统软件设计

  4.2.1、电源电路检测系统前面板设计

  4.2.2、电源电路检测系统程序框图设计

  4.3、电流采样电路检测系统软件设计

  4.3.1、电流采样电路检测系统前面板设计

  4.3.2、电流采样电路检测系统程序框图设计

  4.4、短路输入脉冲信号波形、脱扣电压波形检测系统软件设计

  4.4.1、短路输入脉冲信号波形、脱扣电压波形检测系统前面板设计

  4.4.2、短路输入脉冲信号波形、脱扣电压波形检测系统程序框图设计

  4.5、热容电压检测系统软件设计

  4.5.1、热容电压检测系统前面板设计

  4.5.2、热容电压检测系统程序框图设计.

  5. 结 论

  本文所设计的控制与保护开关电器控制板检测系统具有良好的用户界面、操作简单,避免了传统测试成本高、周期长、资源浪费、自动化程度低、维护和操作不便等不足。

  控制与保护开关电器控制板检测系统作为****开关制造有限公司委托**理工学院电气与自动化工程学院研制的科技项目,已在生产厂出厂检验、产品试制部门成功投入使用,实际运行表明,该系统可以实现对控制板的电源电路、电流采样电路、热容电压电路、短路输入脉冲信号波形、脱扣电压波形的检测与相关的控制。检测系统性能指标达到用户要求,可以满足该产品的出厂检测需要,并具有交互式友好界面。

  系统测量精度高、性能稳定、抗干扰能力强,大大缩短了测试时间,为控制与保护开关电器产品的出厂检验提供了可靠的质量保障。系统提供的测试服务和功能十分全面,不但可以满足控制与保护开关电器检验的要求,还可为产品的设计和性能改进分析提供强有力的科学依据,因此该系统具有较好的推广价值和应用前景,可以为相应的控制与保护开关电器产品生产厂家、检测中心、试验站及研究所提供先进的电器试验技术、测试方法及检测设备。

  虚拟仪器正在成为当今世界流行的一种仪器构成方案,它把计算机平台与具有标准接口的硬件模块及开发测试软件结合起来构成系统;基于虚拟仪器的Lab VIEW软件开发平台是一个高效的图形化程序设计环境,结合了简单易用的图形化开发环境与强大的硬件驱动、图形显示能力、高级数学分析库和便捷的快速程序设计,为过程测量控制及实验室研究和自动化应用提供了一个直觉式的环境。虚拟仪器概念的提出为测量与控制领域技术的发展带来了空间,为仪器仪表的更新换代带来了机遇,同时,使进入信息时代的人们在测量观念上产生了更多的新思想和新概念。

  利用Lab VIEW结合其周边的软硬件系统,构成基于虚拟仪器技术的控制与保护开关电器控制板检测系统,可以由用户根据需要自己定义,而不是事先由厂家定义好。仪器性能的改进、更新和功能的扩展,只需进行软件的设计和更新,而不需要购买新的仪器,可大大节省仪器的开发费用和开发时间,而且可以获得比普通检测装置更好的检测效果。

  基于Lab VIEW语言编写设计的控制与保护开关电器控制板检测系统,在确保数据采集卡精度和计算机系统稳定可靠的前提下,基本不存在类似传统仪器的硬件损坏和元件温度漂移等方面的问题,其测试精度、测试稳定性和可靠性等都比传统仪器更高。首先,叙述了检测系统软硬件方面的设计思路、方法。硬件部分由工业控制计算机、基于PCI总线的内置高精度数据采集卡(型号为NI PCI-6229)等组成。

  NI PCI-6229高精度数据采集卡可提供32路模拟量输入、4路模拟量输出、48路数字量输入输出端口。利用NI PCI-6229高精度数据采集卡对待测的控制与保护开关电器控制板进行模拟量和数字量的输出、采集与控制。上位机程序将高精度采集卡输入的信号数据进行采集记录和分析处理,实现相应信号波形的测量、显示、分析、保存等功能。软件部分采用面向图形化的编程软件开发平台Lab VIEW 7 Express自行开发相关采集及数据分析与处理软件,实现数据采集和处理。

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