可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統及方法與流程

本發明涉及低壓電器設備的自動化測試技術領域，具體涉及一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統及方法。

背景技術：

電能質量問題指的是導致用電設備故障或不能正常工作的電壓、電流或頻率的偏差，主要包括頻率偏差、電壓偏差、電壓波動與閃變、三相不平衡、瞬時或暫態過電壓、波形畸變(諧波)、電壓暫降、中斷、暫升以及供電連續性等。其中，電壓暫降與短時中斷是發生頻率最高、影響最為嚴重的一類電能質量問題。

可編程邏輯控制器(Programmable Controller，PLC)是工業自動化領域中常見的一類對電壓暫降敏感的電氣設備，標準GB/T 22841-2008公開了對PLC進行電壓暫降和短時中斷抗擾度試驗的試驗規范，但僅對PLC電源端口的擾動性試驗進行了簡單說明，并未考慮PLC試驗控制程序、PLC外圍設備接線方式及試驗記錄量等工作狀態對抗擾度試驗的影響，因此不能得到更加符合實際情況的PLC電壓暫降耐受特性。

技術實現要素：

為了滿足現有技術的需要，本發明提供了一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統及方法。

第一方面，本發明中一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統的技術方案是：

所述測試系統包括：

電能質量擾動發生源，其通過斷路器與被測可編程邏輯控制器的供電輸入接口連接，向所述被測可編程邏輯控制器輸出標準供電電壓或測試供電電壓；

繼電器組，其包括多個繼電器；所述各繼電器的輸入觸點分別與所述被測可編程邏輯控制器的各I/O輸出接口連接，所述各繼電器的輸出觸點依次串聯；

負載電路，其包括串聯的指示燈和電源；所述負載電路與所述各繼電器的輸出觸點形成的串聯支路并聯；

示波器，其包括電壓采集端子和電流采集端子；所述電壓采集端子用于采集標準供電電壓波形和測試供電電壓波形，電流采集端子用于采集所述負載電路的負載電流波形。

第二方面，本發明中一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統的測試方法的技術方案是：

所述測試方法包括：

通過電能質量擾動發生源向被測可編程邏輯控制器輸出標準供電電壓，并調節示波器使得標準供電電壓波形和負載電壓波形的相位一致；

控制所述被測可編程邏輯控制器在所述標準供電電壓供電下運行預設的時間后，通過所述電能質量擾動發生源向其輸出與電能質量擾動源測試用例庫中各測試用例對應的測試供電電壓；

依據第一擾動耐受度分析模塊獲取與所述各測試用例對應的電能質量擾動耐受曲線；依據第二擾動耐受度分析模塊分析所述被測可編程邏輯控制器在電能質量擾動量擾動下的工作狀態。

與最接近的現有技術相比，本發明的有益效果是：

1、本發明提供的一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統，各繼電器的輸入觸點分別與被測可編程邏輯控制器的各I/O輸出接口連接，各繼電器的輸出觸點依次串聯，負載電路與各繼電器的輸出觸點形成的串聯支路并聯，三者形成的試驗電路更加符合可編程邏輯控制器接線的實際情況，使得對被測可編程邏輯控制進行電能質量擾動測試得到的電壓質量耐受曲線可以較好地衡量其耐受性能；

2、本發明提供的一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統的測試方法，首先控制被測可編程邏輯控制器在預設的控制程序下響應動作，然后對被測可編程邏輯控制器的電能質量耐受度進行測試，依據被測可編程邏輯控制器的實際類型設定控制程序，使得測試結果更加符合被測可編程邏輯器的實際情況。

附圖說明

圖1：本發明實施例中一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統示意圖；

圖2：本發明實施例中被測可編程邏輯控制器的輸入輸出端的外圍電路圖；

圖3：本發明實施例中被測可編程邏輯控制器的控制程序梯形圖；

圖4：本發明實施例中擾動耐受時間示意圖；

其中，1：電能質量擾動發生源；2：被測可編程邏輯控制器；3：第二上位機；4：第一上位機；5：繼電器組；6：指示燈；7：電源；8：電流鉗；9：示波器；10：斷路器；11：按鈕開關；12：電壓探頭；13：編程電纜。

具體實施方式

為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地說明，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

下面分別結合附圖，對本發明實施例提供的一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統進行說明。

圖1為本發明實施例中一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統示意圖，如圖所示，本實施例中可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統可以包括電能質量擾動發生源1、繼電器組5、負載電路和示波器9。其中，

電能質量擾動發生源1通過斷路器12與被測可編程邏輯控制器2的供電輸入接口連接，并向供電輸入接口連接輸出標準供電電壓或測試供電電壓。

繼電器組5包括多個繼電器，各繼電器的輸入觸點分別與被測可編程邏輯控制器2的各I/O輸出接口連接，各繼電器的輸出觸點依次串聯。

負載電路包括串聯的指示燈6和電源7。負載電路與各繼電器的輸出觸點形成的串聯支路并聯。

示波器9包括電壓采集端子和電流采集端子：電壓采集端子用于采集標準供電電壓波形和測試供電電壓波形，電流采集端子用于采集負載電路的負載電流波形。

本實施例中各繼電器的輸入觸點分別與被測可編程邏輯控制器的各I/O輸出接口連接，各繼電器的輸出觸點依次串聯，負載電路與各繼電器的輸出觸點形成的串聯支路并聯，三者形成的試驗電路更加符合可編程邏輯控制器接線的實際情況，使得對被測可編程邏輯控制進行電能質量擾動測試得到的電壓質量耐受曲線可以較好地衡量其耐受性能。

進一步地，本實施例中測試系統還可以包括下述結構。

本實施例中測試系統可以包括第一上位機4、第二上位機3、按鈕開關11、第一擾動耐受度分析模塊和第二擾動耐受度分析模塊。其中，

1、第一上位機

本實施例中第一上位機4用于構建電能質量擾動源測試用例庫，并控制電能質量擾動發生源1輸出與電能質量擾動源測試用例庫中各測試用例對應的測試供電電壓。

測試用例指的是包含各種電能質量擾動的電壓信號，電能質量擾動可以包括電壓偏差、頻率偏差、諧波電壓、三相不平衡電壓、電壓暫降/暫升、短時中斷、暫時過電壓、電壓波動和閃變等擾動量。本實施例中電能質量擾動源測試用例庫包括第一測試用例庫和第二測試用例庫：

(1)第一測試用例庫

本實施例中第一測試用例庫中各測試用例的電能質量擾動量為符合標準GB/T22841-2008、標準GB/T 17626.11-2008/IEC 61000-4-11:2004或標準GB/T 15969.2-2008/IEC61131-2:2007的擾動量。各電能質量擾動量可以為電壓暫降幅值、暫降持續時間、暫降起始點相位和諧波含有率。其中，

標準GB/T 22841-2008為工業機械電氣設備的電壓暫降和短時中斷抗擾度試驗規范；

標準GB/T 17626.11-2008/IEC 61000-4-11:2004為電磁兼容試驗和測量技術的電壓暫降、短時中斷和電壓變化的抗擾度試驗；

標準GB/T 15969.2-2008/IEC 61131-2:2007為可編程邏輯控制器第2部分：設備要求和測試。

(2)第二測試用例庫

本實施例中第二測試用例庫的各測試用例的電能質量擾動量為電壓暫降事件中多種特征量的組合，這些特征量可能會對可編程邏輯控制器的電壓暫降耐受度產生影響。第二測試用例庫可以包括電壓暫降期間發生相位跳變的測試用例、連續暫降測試用例、多重暫降測試用例、具有預設的諧波含有率的電壓暫降測試用例、暫降恢復期間發生過沖的測試用例和暫降期間電壓波形呈非矩形測試用例。其中，

電壓暫降期間發生相位跳變的測試用例指的是電壓暫降過程中電壓相位發生突變的情況；

連續暫降測試用例指的是多個連續的電壓暫降事件；

多重暫降測試用例指的是短時間發生的多次電壓暫降；

具有預設的諧波含有率的電壓暫降測試用例指的是包含有一定的諧波含有率的電壓暫將時間；

暫降恢復期間發生過沖的測試用例指的是電壓暫降過程中電壓幅值發生過沖；

暫降期間電壓波形呈非矩形測試用例指的是由大型感應電機啟動、大容量變壓器投運等引起的電壓暫降。

2、第二上位機

本實施例中第二上位機3用于設定被測可編程邏輯控制器2的控制程序，控制程序用于控制被測可編程邏輯控制器2的各輸入接口均接收電能質量擾動發生源1輸出的標準供電電壓或測試供電電壓，并在接收到標準供電電壓和測試供電電壓后控制被測可編程邏輯控制器2的各輸出接口同時響應，以導通負載電路，通過負載電路導通后指示燈6的亮滅情況可以直觀的判斷被測可編程邏輯控制器在發生電壓暫降過程中的工作狀態。

其中，控制程序的編寫軟件可以采用常規的編程軟件，可以根據可編程邏輯控制器的類型選擇與之相適應的編程軟件。例如對西門子FX3U系列PLC進行編程可以采用GX Developer軟件。

圖3為本發明實施例中被測可編程邏輯控制器的控制程序梯形圖，通過控制程序將被測可編程邏輯控制器2的全部I/O輸入接口和I/O輸出接口均處于工作狀態，即滿負荷工作狀態。繼電器組5將I/O輸出接口串聯在一起形成邏輯與的關系，只要任一個I/O輸出接口因電能質量擾動斷開，都會斷開負載電路熄滅指示燈6，這種試驗電路更加符合可編程邏輯控制器實際應用中I/O輸出接口通常經過中間繼電器轉換的連接方式，使得對被測可編程邏輯控制進行電能質量擾動測試得到的電壓質量耐受曲線可以較好地衡量其耐受性能。

3、按鈕開關

圖2為本發明實施例中被測可編程邏輯控制器的輸入輸出端的外圍電路圖，如圖所示，本實施例中測試系統還包括按鈕開關11，用于控制各I/O輸入接口接收有效輸入電平的類型。其中，按鈕開關11為單刀雙擲開關，其包括一個動觸片和兩個靜觸點。

動觸片與被測可編程邏輯控制器2的各輸入接口連接，一個靜觸點與被測可編程邏輯控制器2的低電平端子連接，另一個靜觸點與被測可編程邏輯控制器2的高電平端子連接，即一個靜觸點與0V端子連接，另一個靜觸點與+24V連接。

動觸片與連接低電平端子的靜觸點連接時有效輸入電平為高電平信號，即各I/O輸入接口可以接收到的標準供電電壓或測試供電電壓的高電平信號。如圖1所示，本實施例中按鈕開關11的動觸片與連接0V端子的靜觸點連接，即有效輸入電平為高電平。

動觸片與連接高電平端子的靜觸點連接時有效輸入電平為低電平，即輸入接口可以接收到的標準供電電壓或測試供電電壓的低電平信號。

4、第一擾動耐受度分析模塊

本實施例中第一擾動耐受度分析模塊可以用于依據測試供電電壓波形和負載電流波形，獲取與電能質量擾動源測試用例庫中各測試用例對應的擾動耐受時間，從而得到可編程邏輯控制器在各測試用例的擾動量擾動下的電能質量擾動耐受曲線。

其中，擾動耐受時間為負載電流波形中由擾動量的擾動開始時刻到其呈現非正常波形的時間段。

圖4為本發明實施例中擾動耐受時間示意圖，如圖所示，本實施例中測試供電電壓的擾動量擾動時刻為電壓波形PS Voltage的第4個周波，負載電流波形自擾動時刻開始的第2.1個周波后呈現非正常波形，因此擾動耐受時間Tolerance為2.1個周波。

5、第二擾動耐受度分析模塊

被測可編程邏輯控制器2標準供電電壓下正常運行10min后進行測試試驗，依據所述電能質量擾動發生源1采集其穩定運行時電氣量作為基準參數。其中，所述電氣量包括功率消耗值、輸入電流值、功率因數以及整流側直流電壓值等。本實施例中第二擾動耐受度分析模塊依據被測可編程邏輯控制器在標準供電電壓下穩定運行時的電氣量，以及其在測試供電電壓下穩定運行時的電氣量，分析被測可編程邏輯控制器在電能質量擾動量擾動下的工作狀態。其中，在整流側直流電壓值還可以用于分析可編程邏輯控制受電壓暫降的影響機理。

進一步地，本實施例中示波器9還可以下述結構：電壓采集端子包括電壓探頭，電壓探頭連接于斷路器12與被測可編程邏輯控制器2之間的電線上。電流采集端子包括電流鉗，電流鉗連接于繼電器組5與負載電路之間的電線上。

進一步地，本實施例中電能質量擾動發生源1還可以三相電壓輸出通道。其中，標準供電電壓和測試供電電壓為一相電壓輸出通道輸出的單相電壓，負載電路的電源為其余兩相電壓輸出通道中任一相電壓輸出通道輸出的單相電壓。通過電能質量擾動發生源1同時輸出標準供電電壓和電源電壓，或者同時輸出測試供電電壓和電源電壓便于保持電壓波形與電流波形的相位一致。

本發明還提供了一種可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統的測試方法，并給出具體實施例。

本實施例中可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統的測試方法可以按照下述步驟實施，具體為：

1、將被測可編程邏輯控制器與第二上位機3通過編程電纜連接，并將第二上位機3中預設的控制程序通過編程電纜下載到被測可編程邏輯控制器2。

2、通過電能質量擾動發生源1向被測可編程邏輯控制器2輸出標準供電電壓，被測可編程邏輯控制器2在“RUN”狀態下響應且響應動作符合預設的控制要求后拔除編程電纜；同時，調節示波器9使得標準供電電壓波形和負載電壓波形的相位一致。

3、控制被測可編程邏輯控制器2在標準供電電壓供電下運行預設的時間后，通過電能質量擾動發生源1向其輸出與電能質量擾動源測試用例庫中各測試用例對應的測試供電電壓。

4、依據第一擾動耐受度分析模塊獲取與各測試用例對應的電能質量擾動耐受曲線，依據第二擾動耐受度分析模塊分析被測可編程邏輯控制器的工作狀態。

本實施例中首先控制被測可編程邏輯控制器在預設的控制程序下響應動作，然后對被測可編程邏輯控制器的電能質量耐受度進行測試，依據被測可編程邏輯控制器的實際類型設定控制程序，使得測試結果更加符合被測可編程邏輯器的實際情況。被測可編程邏輯控制器類型的確定主要包括品牌型號、I/O點數、供電電壓和輸出類型四個方面。其中：

品牌型號：可編程邏輯控制器種類繁多，在選擇試驗試品時應依據可編程邏輯控制器市場銷售報告以及企業工廠中可編程邏輯控制器型號類型調研，確定比較主流的可編程邏輯控制器品牌型號。

I/O點數：依照可編程邏輯控制器的I/O點數多少可區分為大型、中型和小型可編程邏輯控制器。其中，小型可編程邏輯控制器一般指I/O點數少于256點，中型可編程邏輯控制器指I/O點數在256～1028點之間，而大型可編程邏輯控制器指I/O點數多于1028點。

供電電壓：可編程邏輯控制器的供電電壓可分為DC24V和AC220V兩類，可允許的電壓變動范圍為(-15％～10％)。

輸出類型：繼電器輸出型(可接交流或直流負載)、晶體管輸出型(輸入有源型和漏型之分，只能接直流負載)、晶閘管型(只能接交流負載)。

下面對可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受度測試系統的測試方法進行詳細說明。

1、控制電能質量擾動發生源1輸出標準供電電壓，并將第二上位機3中預設的控制程序下載到被測可編程邏輯控制器2中，被測可編程邏輯控制器2在“RUN”狀態下響應且響應動作符合預設的控制要求后拔除編程電纜。同時，調節示波器9使得標準供電電壓波形和負載電壓波形的相位一致，電能質量擾動發生源1監測被測可編程邏輯控制器2的功率消耗值和功率因數。

2、控制被測可編程邏輯控制器2在標準供電電壓供電下運行預設的時間后，通過電能質量擾動發生源1向被測可編程邏輯控制器2輸出與測試用例1對應的測試供電電壓。其中，測試用例1的電能質量擾動量包括電壓暫降幅值、電壓暫降持續時間和電壓暫降起始點相位。

(1)設定電壓暫降幅值為0％U_e、電壓暫降持續時間為1min和電壓暫降起始點相位為0°，向被測可編程邏輯控制器2輸出相應的測試供電電壓，通過第一擾動耐受度分析模塊獲取擾動耐受時間。重復進行三次測試，每次測試試驗的間隔時間不少于10s，將三次測試的擾動耐受時間的最小值作為該測試用例的最終擾動耐受時間。

電壓暫降持續時間和電壓暫降起始點相位保持不變，電壓暫降幅值以5％Ue的步長增加，向被測可編程邏輯控制器2輸出相應的測試供電電壓，通過第一擾動耐受度分析模塊獲取擾動耐受時間。當某個電壓暫降幅值對應的三次測試均不能影響負載電路正常工作后停止測試。

(2)電壓暫降持續時間保持不變，電壓暫降起始點相位保持不變以45°的步長增加，重復執行步驟(1)，直至電壓暫降起始點相位達到315°。

(3)按下被測可編程邏輯控制器2的“STOP”按鈕、斷開關路器12，結束試驗。依據步驟(1)和(2)得到的各最終擾動耐受時間，繪制電能質量擾動耐受曲線，即測試用例1的電能質量擾動耐受曲線。

3、按照步驟2中測試用例1的測試方法對電能質量擾動源測試用例庫中其余測試用例進行測試，得到各測試用例的電能質量擾動耐受曲線。

4、電能質量擾動源測試用例庫的所有測試用例測試完成后，按下被測可編程邏輯控制器2的“STOP”按鈕、斷開關路器12，結束試驗。依據所有測試用例的電能質量擾動耐受曲線，繪制被測可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受曲線。

5、更換被測可編程邏輯控制器后，重復執行步驟1-4，得到新的被測可編程邏輯控制器的電能質量擾動耐受曲線。當所有被測可編程邏輯控制器均測試完成后，可以對各電能質量擾動耐受曲線進行對比分析。

顯然，本領域的技術人員可以對本發明進行各種改動和變型而不脫離本發明的精神和范圍。這樣，倘若本發明的這些修改和變型屬于本發明權利要求及其等同技術的范圍之內，則本發明也意圖包含這些改動和變型在內。