低压断路器测试系统

摘要：为改善传统的低压断路器过载可靠性测试方式，本文提出了等效校验的方法，缩短了测试周期，提高了检测效率。通过引进视觉定位技术和柔性调整技术，解决断路器双金属片螺钉螺母自动识别定位调整的问题，消除了手动调节造成的误差。介绍了智能系统的硬件设计部分和软件设计部分，通过设计用户操作界面，增强系统交互性。目前，该系统设计进入试验阶段，运行状态良好，在快速性和准确性方面性能优越。关键词：双金属片；视觉定位技术；柔性调整机构；分布式控制技术Low-voltageCircuitBreakerOverloadProtectionReliabilityTestSystemResearchAbstract:Toimprovethetraditionalwayoflow-voltagecircuitbreakeroverloadreliabilitytest,theequivalentcalibrationmethodisproposedinthispaper,whichshortenstestingcycleandimprovesthedetectionefficiency.Byintroducingvisualpositioningtechnologyandflexibleadjustmenttechnique,wesolvetheautomaticidentificationofcircuitbreakerbimetallicscrewnutpositioningandadjustmentproblem,whicheliminatestheerrorcausedbymanualadjustment.Thispaperintroducesthehardwaredesignandsoftwaredesignoftheintelligentsystem,throughtheuserinterfacedesign,itenhancesthesysteminteraction.Atpreset,Thesystemdesigncomesintothetestphase,runningingoodconditionandhavingsuperiorperformanceintermsofquicknessandaccuracy.Keywords:Bimetallicstrip;Visualpositioningtechnique;Flexibleadjustmentmechanism;Distributedcontroltechnique0引言低压断路器属于保护类电器，其功能是在电路发生过载、短路等故障时及时切断电路达到保护现场设备的目的。随着我国电力事业的快速发展，断路器的需求量不断增加，其可靠性和质量对经济发展有着重要影响[1]，因此，研究它的过载可靠性是很有必要的。本文根据国家标准GB14048.5-2008[2]的要求，研究了一种新型过载可靠性检测装置，通过运用视觉定位和柔性调整等技术，有效解决了传统过载长延时测试效率低、能耗大的问题，同时，热态在线调节克服了传统手工调节随机性大，质量难以控制的缺点。1断路器过载保护原理及可靠性测试方法过载保护是断路器重要功能之一，目前，在断路器过载保护中普遍采用双金属片形式即热脱扣器，其工作原理如图1所示，通电受热后双金属片产生挠曲变形,通电时间越长、时间越长，其变形量也就越大。双金属片过载保护机理：双金属片为感测元件，当断路器回路电流超过额定值时，其受热变形，并向脱扣器的上方偏移，直到双金属片上螺钉顶跳脱扣装置，切断供电回路。其中，1-主触点2-自由脱扣机构3-轴承4-锁键电线圈10-螺钉螺母图1断路器过载保护原理图5-脱扣弹簧6-杠杆7-受热变形双金属片8-双金属片9-热脱扣器通目前，过载可靠性检测大多数采用常规的测试方法，即在约定测试时间2h内，断路器从冷态开始加载1.05倍额定电流或1.30额定电流，验证热脱扣器反时限动作是否准确[3]

。为提高检测效率，本文提出了一种改进的测试方法，在满足国家标准的情况下进行等效校验，把检测时间减低到几分钟以内。在不改变校验参数设定方法情况下，通过给断路器加载3倍的额定电流，测试其过载可靠性是否合格，若在约定时间内，产品性能不达标，利用热态在线调整的方式，即通过柔性调整装置的一体化螺丝刀调整双金属片螺钉长度，使其成为合格产品，具体操作以三相塑壳式断路器250H-250A的A相为例，其额定电流为250A，校验约定时间为70~90s（如表1所示），当通电达到70s时，断路器还未脱扣，则启动调整机构改变螺钉长度保证在规定时间内跳闸，达到合格要求，A相校验调整完毕，用同样方法校验B、C相。表1可靠性测试时间分配方法时间节点T0T1T2T3具体时刻T=0T=40sT=70sT=90s动作说明断路器加载750A测试电流柔性调整机构开始上升，到达指定位置调整机构开始调节未脱扣产品螺钉长度70~90s保证断路器脱扣2系统硬件设计低压断路器双金属片受热变形具有不确定性，导致可靠性测试过程中螺钉螺母定位不准确，为改变这种现象，本检测系统设计采用了视觉定位技术和柔性调整技术，通过步进电机和磁栅传感器相结合的闭环控制方式，实现双金属片螺钉螺母动态插补调节[4]。本系统采用三层分布式控制方式，即管理层、控制层、现场设备层，硬件设计主要包括机械系统、视觉定位系统、电气系统，系统结构图如图2所示。图2断路器过载可靠性测试系统结构图2.1机械系统设计机械系统由移动调节结构、柔性调整机构、辅助机构组成，主要完成对被测断路器的压紧、合扣、松开、通电触点压紧、冷却等功能，其中压紧通电系统、冷却机构由相应的气动部件组成。2.1.1轴向移动调节系统它主要由X轴电机、Y轴电机、导轨、丝杠部件、角度电机丝杠部件、磁栅传感器等组成，负责换相移动和定位移动。2.1.2柔性调整机构一体化螺钉调整机构是智能测试系统机械部分的核心，它在轴向移动系统和视觉定位系统的配合下完成螺钉长度的调整、锁紧螺母及返回功能。它主要由步进电机、齿轮、2.3电气控制系统它由两部分组成：一强电部分，为过载测试提供所需电流；二弱电部分，由工控机、S7-200系列PLC和传感器组成，主要完成传感器信号接收和处理，变送执行元件控制丝杠、一体化组合螺丝刀、柔性节、电磁离合器、扭矩器等组成，其中，一体化螺丝刀套筒实现螺钉长度调整，锁紧螺母；步进电机作为执行机构，实现系统有关部件水平、升降运动；丝杠部件将机构的旋转运动转变为直线运动；齿能:通过齿轮啮合带动机械部件升降。2.2视觉定位系统设计视觉定位系统主要采用图像处理技术、自动控制技术实现双金属片螺钉螺母的定位，与传统人工调整相比，其优势是能够进行非接触式测量，定位更加准确。该部分由机器视觉和运动控制两部分组成，其中机器视觉的硬件组成为光源、红外CCD摄像机、图像采集卡、计算机系统，图像处理软件采用OpenCV。因为红外CCD摄像机工作在密闭无光的空间中，所以光源的选择和照射角度非常重要，直接影响图像处理的质量[5]

。经验证，本文选取前向照明同轴红外LED灯作为光源，并把CCD摄像机安装在双金属片螺母的下方，为保证拍摄到具有高对比度的图像，系统设计时，将光源与摄像机安装在同侧。视觉定位系统工作过程(如图3所示)：在约定测试内，根据控制要求，CCD摄像机捕获受热变形的双金属片螺钉螺母，通过图像采集卡进行A/D转换工作，数字信号经通信电缆传送到计算机系统，此时，图像处理软件对采集到的图片进行灰度转换、特征提取、螺钉螺母中心坐标计算等工作，之后，计算结果以脉冲形式发送到PLC控制单元，从而控制轴向移动平台实现目标的自动识别定位。图3断路器过载可靠性测试系统结构图信号等功能。2.3.1强电控制部分该环节为断路器过载可靠性检测提供工作电流，与传统测试方法不同，系统工作时加载的整定电流为3倍的额定电流，为提高系统工作稳定性和精确性，系统设计时选用了WL-2型稳流控制器，其在工作时可采用闭环控制方式。稳流控制原理：首先，通过上位机设置被测断路器所需电流值，然后，由PLC的DA通道控制稳流器，稳流器根据设定值控制电控调压器的电机进行调压，输出需要的大电流小电压信号，最后将此信号通过铜排串接到断路器被测相的两端，实际工作时，变压器输出的信号通过电流互感器反馈到稳流控制器，通过设定值与反馈至比较，实现偏差控制，最终达到稳定准确的控制要求。2.3.2弱电控制部分本智能测试系统自动测试平台有4台步进电机，其主要完成位移的精确控制，由于实际工作时步进电机需要高速脉冲，因此，系统需要提供高速脉冲通道，PLC200系列中，224CN型CPU集成了2路脉冲通道，所以选用两台224CN型PLC控制四台步进电机，其中两台电机控制柔性调整机构轴向移动，两台控制一体化螺丝刀的升降运动，与此同时，在本系统中还采用了控制精度更高的磁栅传感器，它与步进电机一起组成闭环运动控制系统（如图4所示），提高系统动作的准确性[6]。另外，为解决2个PLC间的通信问题，采用PPI通信方式，并将它们分为主站、从站，每个站点控制两台电机。图4运动控制系统结构图3系统软件设计智能测试系统软件设计包括上位机监控界面设计、图像处理识别和下位机PLC控制程序。3.1上位机监控界面设计界面设计采用组态软件Wincc来实现，主要完成系统管理、状态监控、数据采集等工作[7]。系统管理负责对用户信息、操作跟踪记录等数据库进行管理，同时，用户管理功能提供常用数据处理功能如查找、添加、删除、修改、查看等；状态监控主要完成对现场操作机构的监控，例如柔性调整机构和北侧断路器状态的监控，同时还能对系统出现的故障报警信号进行检测；数据采集负责对被测断路器每相测试电流、测试时间以及是否合格进行汇总记录。3.2图像处理识别本系统采用OpenCV（开放源代码计算机视觉类库）对系统拍摄图像进行实时处理，图像处理识别过程包括图像预处理和图像识别[8]。先对采集到的原始图片进行预处理如灰度转换、平滑去噪，再对图像进行图像分割和Canny边缘检测，将图像的主要特征从背景中分离出来，使其易于识别，最后通过软件中的Hough变换算法计算出六边形螺钉的中心坐标点（CenterPoint.X,CenterPointY），并在图像上标识出来。最后，通过Simens公司的OPC.SimaticNet软件和C#平台上编写的OPC（用户过程控制OLE）客户端应用程序，完成与现场控制设备PLC之间的通讯[9]。定位坐标提取部分程序如下：/*********************视频捕获****************/Capture_capture=newCapture(param.deviceInfo.Index);Emgu.CV.ImageOriginalImage;Imageframe=_capture.QueryFrame();OriginalImage=frame;/*********************中心坐标提取************/ImagegrayFrame=image.Convert().PyrDown().PyrUp();ImagesmoothImg=grayFrame.SmoothGaussian(intkernelSize);CircleF[]houghCirclesFrame=smoothImg.HoughCircles(cannyThreshold,circleAccumulatorThreshold,dp,minDist,minRadius,maxRadius)[0];/**********************坐标计算****************/PointFcenterPoint=circle.Center;dx=centerPoint.X-centerPoint0.X;dy=centerPoint.Y-centerPoint0.Y;Dx=K*dx+d;//二维移动平台X轴方向移动距离Dy=K*dy;//二维移动平台Y轴方向移动距离图5下位机程序编写流程图3.3下位机PLC程序PLC程序编写采用结构化程序模式，模块化编程思路清晰，编程灵活。针对测试系统的工艺要求，将系统各部分所完成的动作划分为不同的功能模块，即子程序，系统工作时，主程序调用这些子程序。下位机程序编写流程图如图5所示，程序功能模块主要包括：系统上电自检、系统参数初始化、定位系统原点复归、断路器压紧、断路器合扣、X轴移动、Y轴移动、测试产品数量统计以及故障报警。4系统运行调试及分析考虑到系统工作环境不理想，光线分布不均匀、空间狭小等因素会影响其检测精度，所以有针对性地进行了有关视觉定位方面的试验，以测试系统的工作稳定性和快速性。图像处理单元调试运行分为以下3中情况：①无外加光源、②外加光源、③外加干扰光源，通过处理计算，可以看出系统在这几种工作条件下，受到的影响还是很明显的，在第一种情况下，虽然摄像机可以靠自身辅助光源捕捉到螺钉螺母图像，但经过Hough变换后，图像处理结果会受到一定干扰（如图a），而在第三种条件下，噪声对系统的影响较大（如图b），在第二种条件下，系统得到的处理结果较理想，图像较清晰、干扰较小（如图c）。经过系统调试运行，发现断路器与摄像机之间的距离在80mm~100mm时，螺刀套筒准确快速的对准螺母，且测量精度要小于0.1mm，满足工作要求。（a）（b）图6系统运行相关结果5结论本文针对双金属片受热变形时，其轨迹变化不确定的特点，提出了采用视觉定位技术自动跟踪识别双金属片螺钉螺母的方法，并根据Hough算法计算出中心坐标，改变了传统手动定位调整的方式，同时，柔性调整机构按照控制要求对在约定测试时间内不合格的断路器实行热在线调整，调高了检测效率。经验证，系统运行可靠，降低了低压断路器过载可靠性测试成本，具有很好的市场前景。参考文献：[1]骆燕燕,陆俭国等.断路器可靠性研究的国内外概况.低压电器,2001.No2:3-5[2]GB14048.5—2008/IEC60947-5:2006低压开关设备和控制设备第5部分:控制电路电器和开关元件.2008．[3]司海立,程武山等.塑料外壳式断路器智能测试系统.低压电器,2008.No19:55-58.[4程武山,许勇.低压断路器智能测试调整系统的基本原理.机械设计与研究,2010(2):115-117.[5]耿璐,李睿.低压断路器智能测控系统中螺母的图像识别.计算机工程与设计,2011,No10:3461-34.[6]司海立,程武山等.磁栅位移传感器在步进电机控制系统中的应用.工业仪表与自动化装置,2009(2):55-57.[7]程武山,刘汝斌.低压电器操作机构智能检测系统的研究.低压电器,2012No.17:45-48.[8]熊谌飞,郑寿森等.图象处理技术在双金属片检测中的应用.微计算机信息,2009(2-3):287-2.[9]王东慧等.基于机器视觉和PLC的智能控制定位系统.仪表技术与传感器.2012(11):84-85.作者简介：甘宜洋（1987-），硕士研究生，主要研究方向：智能控制技术在工业系统中的应用。E-mail：ganyiyang1987@163.com（c）