CN106774252A - 可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统及方法，所述系统中电能质量扰动发生源通过断路器与被测可编程逻辑控制器的供电输入接口连接；继电器组中各继电器的输入触点分别与被测可编程逻辑控制器的各I/O输出接口连接，各继电器的输出触点依次串联；负载电路与所述各继电器的输出触点形成的串联支路并联。与现有技术相比，本发明提供的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统及方法，被测可编程逻辑控制器、继电器组和负载电路形成的试验电路更加符合可编程逻辑控制器接线的实际情况，使得对被测可编程逻辑控制进行电能质量扰动测试得到的电压质量耐受曲线可以较好地衡量其耐受性能。

Description

可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统及方法

技术领域

本发明涉及低压电器设备的自动化测试技术领域，具体涉及一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统及方法。

背景技术

电能质量问题指的是导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差，主要包括频率偏差、电压偏差、电压波动与闪变、三相不平衡、瞬时或暂态过电压、波形畸变(谐波)、电压暂降、中断、暂升以及供电连续性等。其中，电压暂降与短时中断是发生频率最高、影响最为严重的一类电能质量问题。

可编程逻辑控制器(Programmable Controller，PLC)是工业自动化领域中常见的一类对电压暂降敏感的电气设备，标准GB/T 22841-2008公开了对PLC进行电压暂降和短时中断抗扰度试验的试验规范，但仅对PLC电源端口的扰动性试验进行了简单说明，并未考虑PLC试验控制程序、PLC外围设备接线方式及试验记录量等工作状态对抗扰度试验的影响，因此不能得到更加符合实际情况的PLC电压暂降耐受特性。

发明内容

为了满足现有技术的需要，本发明提供了一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统及方法。

第一方面，本发明中一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统的技术方案是：

所述测试系统包括：

电能质量扰动发生源，其通过断路器与被测可编程逻辑控制器的供电输入接口连接，向所述被测可编程逻辑控制器输出标准供电电压或测试供电电压；

继电器组，其包括多个继电器；所述各继电器的输入触点分别与所述被测可编程逻辑控制器的各I/O输出接口连接，所述各继电器的输出触点依次串联；

负载电路，其包括串联的指示灯和电源；所述负载电路与所述各继电器的输出触点形成的串联支路并联；

示波器，其包括电压采集端子和电流采集端子；所述电压采集端子用于采集标准供电电压波形和测试供电电压波形，电流采集端子用于采集所述负载电路的负载电流波形。

第二方面，本发明中一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统的测试方法的技术方案是：

所述测试方法包括：

通过电能质量扰动发生源向被测可编程逻辑控制器输出标准供电电压，并调节示波器使得标准供电电压波形和负载电压波形的相位一致；

控制所述被测可编程逻辑控制器在所述标准供电电压供电下运行预设的时间后，通过所述电能质量扰动发生源向其输出与电能质量扰动源测试用例库中各测试用例对应的测试供电电压；

依据第一扰动耐受度分析模块获取与所述各测试用例对应的电能质量扰动耐受曲线；依据第二扰动耐受度分析模块分析所述被测可编程逻辑控制器在电能质量扰动量扰动下的工作状态。

与最接近的现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，各继电器的输入触点分别与被测可编程逻辑控制器的各I/O输出接口连接，各继电器的输出触点依次串联，负载电路与各继电器的输出触点形成的串联支路并联，三者形成的试验电路更加符合可编程逻辑控制器接线的实际情况，使得对被测可编程逻辑控制进行电能质量扰动测试得到的电压质量耐受曲线可以较好地衡量其耐受性能；

2、本发明提供的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统的测试方法，首先控制被测可编程逻辑控制器在预设的控制程序下响应动作，然后对被测可编程逻辑控制器的电能质量耐受度进行测试，依据被测可编程逻辑控制器的实际类型设定控制程序，使得测试结果更加符合被测可编程逻辑器的实际情况。

附图说明

图1：本发明实施例中一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统示意图；

图2：本发明实施例中被测可编程逻辑控制器的输入输出端的外围电路图；

图3：本发明实施例中被测可编程逻辑控制器的控制程序梯形图；

图4：本发明实施例中扰动耐受时间示意图；

其中，1：电能质量扰动发生源；2：被测可编程逻辑控制器；3：第二上位机；4：第一上位机；5：继电器组；6：指示灯；7：电源；8：电流钳；9：示波器；10：断路器；11：按钮开关；12：电压探头；13：编程电缆。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面分别结合附图，对本发明实施例提供的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统进行说明。

图1为本发明实施例中一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统示意图，如图所示，本实施例中可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统可以包括电能质量扰动发生源1、继电器组5、负载电路和示波器9。其中，

电能质量扰动发生源1通过断路器12与被测可编程逻辑控制器2的供电输入接口连接，并向供电输入接口连接输出标准供电电压或测试供电电压。

继电器组5包括多个继电器，各继电器的输入触点分别与被测可编程逻辑控制器2的各I/O输出接口连接，各继电器的输出触点依次串联。

负载电路包括串联的指示灯6和电源7。负载电路与各继电器的输出触点形成的串联支路并联。

示波器9包括电压采集端子和电流采集端子：电压采集端子用于采集标准供电电压波形和测试供电电压波形，电流采集端子用于采集负载电路的负载电流波形。

本实施例中各继电器的输入触点分别与被测可编程逻辑控制器的各I/O输出接口连接，各继电器的输出触点依次串联，负载电路与各继电器的输出触点形成的串联支路并联，三者形成的试验电路更加符合可编程逻辑控制器接线的实际情况，使得对被测可编程逻辑控制进行电能质量扰动测试得到的电压质量耐受曲线可以较好地衡量其耐受性能。

进一步地，本实施例中测试系统还可以包括下述结构。

本实施例中测试系统可以包括第一上位机4、第二上位机3、按钮开关11、第一扰动耐受度分析模块和第二扰动耐受度分析模块。其中，

1、第一上位机

本实施例中第一上位机4用于构建电能质量扰动源测试用例库，并控制电能质量扰动发生源1输出与电能质量扰动源测试用例库中各测试用例对应的测试供电电压。

测试用例指的是包含各种电能质量扰动的电压信号，电能质量扰动可以包括电压偏差、频率偏差、谐波电压、三相不平衡电压、电压暂降/暂升、短时中断、暂时过电压、电压波动和闪变等扰动量。本实施例中电能质量扰动源测试用例库包括第一测试用例库和第二测试用例库：

(1)第一测试用例库

本实施例中第一测试用例库中各测试用例的电能质量扰动量为符合标准GB/T22841-2008、标准GB/T 17626.11-2008/IEC 61000-4-11:2004或标准GB/T 15969.2-2008/IEC61131-2:2007的扰动量。各电能质量扰动量可以为电压暂降幅值、暂降持续时间、暂降起始点相位和谐波含有率。其中，

标准GB/T 22841-2008为工业机械电气设备的电压暂降和短时中断抗扰度试验规范；

标准GB/T 17626.11-2008/IEC 61000-4-11:2004为电磁兼容试验和测量技术的电压暂降、短时中断和电压变化的抗扰度试验；

标准GB/T 15969.2-2008/IEC 61131-2:2007为可编程逻辑控制器第2部分：设备要求和测试。

(2)第二测试用例库

本实施例中第二测试用例库的各测试用例的电能质量扰动量为电压暂降事件中多种特征量的组合，这些特征量可能会对可编程逻辑控制器的电压暂降耐受度产生影响。第二测试用例库可以包括电压暂降期间发生相位跳变的测试用例、连续暂降测试用例、多重暂降测试用例、具有预设的谐波含有率的电压暂降测试用例、暂降恢复期间发生过冲的测试用例和暂降期间电压波形呈非矩形测试用例。其中，

电压暂降期间发生相位跳变的测试用例指的是电压暂降过程中电压相位发生突变的情况；

连续暂降测试用例指的是多个连续的电压暂降事件；

多重暂降测试用例指的是短时间发生的多次电压暂降；

具有预设的谐波含有率的电压暂降测试用例指的是包含有一定的谐波含有率的电压暂将时间；

暂降恢复期间发生过冲的测试用例指的是电压暂降过程中电压幅值发生过冲；

暂降期间电压波形呈非矩形测试用例指的是由大型感应电机启动、大容量变压器投运等引起的电压暂降。

2、第二上位机

本实施例中第二上位机3用于设定被测可编程逻辑控制器2的控制程序，控制程序用于控制被测可编程逻辑控制器2的各输入接口均接收电能质量扰动发生源1输出的标准供电电压或测试供电电压，并在接收到标准供电电压和测试供电电压后控制被测可编程逻辑控制器2的各输出接口同时响应，以导通负载电路，通过负载电路导通后指示灯6的亮灭情况可以直观的判断被测可编程逻辑控制器在发生电压暂降过程中的工作状态。

其中，控制程序的编写软件可以采用常规的编程软件，可以根据可编程逻辑控制器的类型选择与之相适应的编程软件。例如对西门子FX3U系列PLC进行编程可以采用GXDeveloper软件。

图3为本发明实施例中被测可编程逻辑控制器的控制程序梯形图，通过控制程序将被测可编程逻辑控制器2的全部I/O输入接口和I/O输出接口均处于工作状态，即满负荷工作状态。继电器组5将I/O输出接口串联在一起形成逻辑与的关系，只要任一个I/O输出接口因电能质量扰动断开，都会断开负载电路熄灭指示灯6，这种试验电路更加符合可编程逻辑控制器实际应用中I/O输出接口通常经过中间继电器转换的连接方式，使得对被测可编程逻辑控制进行电能质量扰动测试得到的电压质量耐受曲线可以较好地衡量其耐受性能。

3、按钮开关

图2为本发明实施例中被测可编程逻辑控制器的输入输出端的外围电路图，如图所示，本实施例中测试系统还包括按钮开关11，用于控制各I/O输入接口接收有效输入电平的类型。其中，按钮开关11为单刀双掷开关，其包括一个动触片和两个静触点。

动触片与被测可编程逻辑控制器2的各输入接口连接，一个静触点与被测可编程逻辑控制器2的低电平端子连接，另一个静触点与被测可编程逻辑控制器2的高电平端子连接，即一个静触点与0V端子连接，另一个静触点与+24V连接。

动触片与连接低电平端子的静触点连接时有效输入电平为高电平信号，即各I/O输入接口可以接收到的标准供电电压或测试供电电压的高电平信号。如图1所示，本实施例中按钮开关11的动触片与连接0V端子的静触点连接，即有效输入电平为高电平。

动触片与连接高电平端子的静触点连接时有效输入电平为低电平，即输入接口可以接收到的标准供电电压或测试供电电压的低电平信号。

4、第一扰动耐受度分析模块

本实施例中第一扰动耐受度分析模块可以用于依据测试供电电压波形和负载电流波形，获取与电能质量扰动源测试用例库中各测试用例对应的扰动耐受时间，从而得到可编程逻辑控制器在各测试用例的扰动量扰动下的电能质量扰动耐受曲线。

其中，扰动耐受时间为负载电流波形中由扰动量的扰动开始时刻到其呈现非正常波形的时间段。

图4为本发明实施例中扰动耐受时间示意图，如图所示，本实施例中测试供电电压的扰动量扰动时刻为电压波形PS Voltage的第4个周波，负载电流波形自扰动时刻开始的第2.1个周波后呈现非正常波形，因此扰动耐受时间Tolerance为2.1个周波。

5、第二扰动耐受度分析模块

被测可编程逻辑控制器2标准供电电压下正常运行10min后进行测试试验，依据所述电能质量扰动发生源1采集其稳定运行时电气量作为基准参数。其中，所述电气量包括功率消耗值、输入电流值、功率因数以及整流侧直流电压值等。本实施例中第二扰动耐受度分析模块依据被测可编程逻辑控制器在标准供电电压下稳定运行时的电气量，以及其在测试供电电压下稳定运行时的电气量，分析被测可编程逻辑控制器在电能质量扰动量扰动下的工作状态。其中，在整流侧直流电压值还可以用于分析可编程逻辑控制受电压暂降的影响机理。

进一步地，本实施例中示波器9还可以下述结构：电压采集端子包括电压探头，电压探头连接于断路器12与被测可编程逻辑控制器2之间的电线上。电流采集端子包括电流钳，电流钳连接于继电器组5与负载电路之间的电线上。

进一步地，本实施例中电能质量扰动发生源1还可以三相电压输出通道。其中，标准供电电压和测试供电电压为一相电压输出通道输出的单相电压，负载电路的电源为其余两相电压输出通道中任一相电压输出通道输出的单相电压。通过电能质量扰动发生源1同时输出标准供电电压和电源电压，或者同时输出测试供电电压和电源电压便于保持电压波形与电流波形的相位一致。

本发明还提供了一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统的测试方法，并给出具体实施例。

本实施例中可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统的测试方法可以按照下述步骤实施，具体为：

1、将被测可编程逻辑控制器与第二上位机3通过编程电缆连接，并将第二上位机3中预设的控制程序通过编程电缆下载到被测可编程逻辑控制器2。

2、通过电能质量扰动发生源1向被测可编程逻辑控制器2输出标准供电电压，被测可编程逻辑控制器2在“RUN”状态下响应且响应动作符合预设的控制要求后拔除编程电缆；同时，调节示波器9使得标准供电电压波形和负载电压波形的相位一致。

3、控制被测可编程逻辑控制器2在标准供电电压供电下运行预设的时间后，通过电能质量扰动发生源1向其输出与电能质量扰动源测试用例库中各测试用例对应的测试供电电压。

4、依据第一扰动耐受度分析模块获取与各测试用例对应的电能质量扰动耐受曲线，依据第二扰动耐受度分析模块分析被测可编程逻辑控制器的工作状态。

本实施例中首先控制被测可编程逻辑控制器在预设的控制程序下响应动作，然后对被测可编程逻辑控制器的电能质量耐受度进行测试，依据被测可编程逻辑控制器的实际类型设定控制程序，使得测试结果更加符合被测可编程逻辑器的实际情况。被测可编程逻辑控制器类型的确定主要包括品牌型号、I/O点数、供电电压和输出类型四个方面。其中：

品牌型号：可编程逻辑控制器种类繁多，在选择试验试品时应依据可编程逻辑控制器市场销售报告以及企业工厂中可编程逻辑控制器型号类型调研，确定比较主流的可编程逻辑控制器品牌型号。

I/O点数：依照可编程逻辑控制器的I/O点数多少可区分为大型、中型和小型可编程逻辑控制器。其中，小型可编程逻辑控制器一般指I/O点数少于256点，中型可编程逻辑控制器指I/O点数在256～1028点之间，而大型可编程逻辑控制器指I/O点数多于1028点。

供电电压：可编程逻辑控制器的供电电压可分为DC24V和AC220V两类，可允许的电压变动范围为(-15％～10％)。

输出类型：继电器输出型(可接交流或直流负载)、晶体管输出型(输入有源型和漏型之分，只能接直流负载)、晶闸管型(只能接交流负载)。

下面对可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统的测试方法进行详细说明。

1、控制电能质量扰动发生源1输出标准供电电压，并将第二上位机3中预设的控制程序下载到被测可编程逻辑控制器2中，被测可编程逻辑控制器2在“RUN”状态下响应且响应动作符合预设的控制要求后拔除编程电缆。同时，调节示波器9使得标准供电电压波形和负载电压波形的相位一致，电能质量扰动发生源1监测被测可编程逻辑控制器2的功率消耗值和功率因数。

2、控制被测可编程逻辑控制器2在标准供电电压供电下运行预设的时间后，通过电能质量扰动发生源1向被测可编程逻辑控制器2输出与测试用例1对应的测试供电电压。其中，测试用例1的电能质量扰动量包括电压暂降幅值、电压暂降持续时间和电压暂降起始点相位。

(1)设定电压暂降幅值为0％U_e、电压暂降持续时间为1min和电压暂降起始点相位为0°，向被测可编程逻辑控制器2输出相应的测试供电电压，通过第一扰动耐受度分析模块获取扰动耐受时间。重复进行三次测试，每次测试试验的间隔时间不少于10s，将三次测试的扰动耐受时间的最小值作为该测试用例的最终扰动耐受时间。

电压暂降持续时间和电压暂降起始点相位保持不变，电压暂降幅值以5％Ue的步长增加，向被测可编程逻辑控制器2输出相应的测试供电电压，通过第一扰动耐受度分析模块获取扰动耐受时间。当某个电压暂降幅值对应的三次测试均不能影响负载电路正常工作后停止测试。

(2)电压暂降持续时间保持不变，电压暂降起始点相位保持不变以45°的步长增加，重复执行步骤(1)，直至电压暂降起始点相位达到315°。

(3)按下被测可编程逻辑控制器2的“STOP”按钮、断开关路器12，结束试验。依据步骤(1)和(2)得到的各最终扰动耐受时间，绘制电能质量扰动耐受曲线，即测试用例1的电能质量扰动耐受曲线。

3、按照步骤2中测试用例1的测试方法对电能质量扰动源测试用例库中其余测试用例进行测试，得到各测试用例的电能质量扰动耐受曲线。

4、电能质量扰动源测试用例库的所有测试用例测试完成后，按下被测可编程逻辑控制器2的“STOP”按钮、断开关路器12，结束试验。依据所有测试用例的电能质量扰动耐受曲线，绘制被测可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受曲线。

5、更换被测可编程逻辑控制器后，重复执行步骤1-4，得到新的被测可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受曲线。当所有被测可编程逻辑控制器均测试完成后，可以对各电能质量扰动耐受曲线进行对比分析。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (8)

1.一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，其特征在于，所述测试系统包括：

电能质量扰动发生源，其通过断路器与被测可编程逻辑控制器的供电输入接口连接，向所述被测可编程逻辑控制器输出标准供电电压或测试供电电压；所述供电输入接口与被测可编程逻辑控制器的各I/O输入接口连接；

继电器组，其包括多个继电器；所述各继电器的输入触点分别与所述被测可编程逻辑控制器的各I/O输出接口连接，所述各继电器的输出触点依次串联；

负载电路，其包括串联的指示灯和电源；所述负载电路与所述各继电器的输出触点形成的串联支路并联；

示波器，其包括电压采集端子和电流采集端子；所述电压采集端子用于采集标准供电电压波形和测试供电电压波形，电流采集端子用于采集所述负载电路的负载电流波形。

2.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括第一上位机和第二上位机；

所述第一上位机，用于构建电能质量扰动源测试用例库，并控制所述电能质量扰动发生源输出与所述电能质量扰动源测试用例库中各测试用例对应的测试供电电压；所述测试用例为包含电能质量扰动量的电压信号；

所述第二上位机，用于设定所述被测可编程逻辑控制器的控制程序；所述控制程序用于控制所述各I/O输入接口均接收外部输入电平信号，并在所述被测可编程逻辑控制器在标准供电电压或测试供电电压条件下控制所述各I/O输出接口同时响应，以导通所述负载电路。

3.如权利要求2所述的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，其特征在于，所述电能质量扰动源测试用例库包括第一测试用例库和第二测试用例库；

所述第一测试用例库中各测试用例的电能质量扰动量为符合标准GB/T 22841-2008、标准GB/T 17626.11-2008、标准GB/T 15969.2-2008、标准IEC 61000-4-11:2004或标准IEC61131-2:2007的扰动量；

所述第二测试用例库包括电压暂降期间发生相位跳变的测试用例、连续暂降测试用例、多重暂降测试用例、具有预设的谐波含有率的电压暂降测试用例、暂降恢复期间发生过冲的测试用例和暂降期间电压波形呈非矩形测试用例。

4.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括按钮开关，用于控制所述各I/O输入接口接收有效输入电平的类型；

所述按钮开关为单刀双掷开关，其包括一个动触片和两个静触点；

所述动触片与各I/O输入接口连接；一个所述静触点与所述被测可编程逻辑控制器的低电平端子连接，另一个所述静触点与所述被测可编程逻辑控制器的高电平端子连接；所述动触片与所述的一个静触点连接时所述有效输入电平为高电平，所述动触片与所述的另一个静触点连接时所述有效输入电平为低电平。

5.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，其特征在于，所述测试系统还包括第一扰动耐受度分析模块和第二扰动耐受度分析模块；

所述第一扰动耐受度分析模块，用于依据所述测试供电电压波形和负载电流波形，获取与电能质量扰动源测试用例库中各测试用例对应的扰动耐受时间，从而得到所述可编程逻辑控制器在所述各测试用例的电能质量扰动量扰动下的电能质量扰动耐受曲线；其中，所述扰动耐受时间为所述负载电流波形中由电能质量扰动量的扰动开始时刻到其呈现非正常波形的时间段；

所述第二扰动耐受度分析模块，用于依据所述被测可编程逻辑控制器在标准供电电压下稳定运行时的电气量，以及其在测试供电电压下稳定运行时的电气量，分析所述被测可编程逻辑控制器在电能质量扰动量扰动下的工作状态；其中，所述电气量包括功率消耗值、输入电流值、功率因数和整流侧直流电压值。

6.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，其特征在于，所述电压采集端子包括电压探头，其连接于所述断路器与被测可编程逻辑控制器之间的电线上；所述电流采集端子包括电流钳，其连接于所述继电器组与负载电路之间的电线上。

7.如权利要求1所述的一种可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统，其特征在于，所述电能质量扰动发生源包括三相电压输出通道；

所述测试供电电压为一相所述电压输出通道输出的单相电压；

所述电源为其余两相所述电压输出通道中任一相电压输出通道输出的单相电压。

8.一种如权利要求1-7任一项所述的可编程逻辑控制器的电能质量扰动耐受度测试系统的测试方法，其特征在于，所述测试方法包括：

通过电能质量扰动发生源向被测可编程逻辑控制器输出标准供电电压，并调节示波器使得标准供电电压波形和负载电压波形的相位一致；

控制所述被测可编程逻辑控制器在所述标准供电电压供电下运行预设的时间后，通过所述电能质量扰动发生源向其输出与电能质量扰动源测试用例库中各测试用例对应的测试供电电压；

依据第一扰动耐受度分析模块获取与所述各测试用例对应的电能质量扰动耐受曲线；依据第二扰动耐受度分析模块分析所述被测可编程逻辑控制器在电能质量扰动量扰动下的工作状态。