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案例頻道 摘要：工業(yè)控制系統(tǒng)的電源的測試是工業(yè)控制系統(tǒng)測試和應(yīng)用的基礎(chǔ)工作之一，本文從工業(yè)控制系統(tǒng)電源測試的實(shí)際試驗(yàn)角度出發(fā)，按照測試電源的基本參數(shù)、功能檢查、環(huán)境適應(yīng)性檢查以及電磁兼容性這4大類別來對(duì)電源進(jìn)行測試和檢驗(yàn)其性能指標(biāo)，其中每一類別又由電源各部件或整體的性能指標(biāo)和參數(shù)所組成，且一般應(yīng)易于進(jìn)行實(shí)際的測試評(píng)價(jià)。對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)相關(guān)的測試研究工作具有重要的參考價(jià)值。
關(guān)鍵字：工業(yè)控制系統(tǒng)；電源；測試方法；性能指標(biāo)
Abstract: Industrial control systems industrial control power of the test is the basis for system testing and application work, this article from the industrial control system, the actual test power of the test point of view, in accordance with the test power of the basic parameters, function tests, inspections, and environmental adaptability EMC to the 4 major categories of the power supply to test and test its performance, in which each category has the supply of parts or the whole of the performance indicators and parameters of the composition, and generally should be easy to do the actual testing and evaluation. Industrial control systems testing research has important reference value.
Key words: Industrial Control Systems; Power supply;Test methods;Performance
1. 引言
無論是工業(yè)控制系統(tǒng)的制造商還是用戶對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的各部件測試和檢驗(yàn)性能指標(biāo)都非常重視，這種測試和檢驗(yàn)評(píng)價(jià)已廣泛應(yīng)用在DCS的驗(yàn)收測試、維護(hù)試驗(yàn)等工作中。測試的基礎(chǔ)是必須首先確定能夠綜合反映工業(yè)控制系統(tǒng)性能的指標(biāo)和測試方法，本文從現(xiàn)場使用最廣泛以及用戶最關(guān)心的測試應(yīng)用角度出發(fā)，以工業(yè)控制系統(tǒng)的重要組成部分電源為例，對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的電源測試和性能評(píng)價(jià)進(jìn)行了探討，所使用的測試方法對(duì)工業(yè)控制系統(tǒng)的其他部件測試也具有示范和借鑒作用。
2. 測試工具
2.1 通常情況下一般性能指標(biāo)測試需下列工具：
•萬用表
•電子負(fù)載儀
•示波器
•調(diào)壓器
•耐壓測試儀
•兆歐表
2.2 如果需要對(duì)特殊指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，需使用如下設(shè)備：
•高低溫實(shí)驗(yàn)室
•濕溫交變實(shí)驗(yàn)室
•EMC實(shí)驗(yàn)室
•振動(dòng)實(shí)驗(yàn)室
3. 測試條件
3.1 一般試驗(yàn)大氣條件
•溫度：15℃~35℃；
•相對(duì)濕度：45%~75%。
•大氣壓力：86kPa ~106kPa 。
•最大溫度變化率：1℃/10min
3.2 其他環(huán)境條件：
•外界磁場：除地磁場外，其他小到可以忽略。
•機(jī)械振動(dòng)：應(yīng)使機(jī)械振動(dòng)減小到可以忽略不計(jì)。
•周圍空氣中腐蝕介質(zhì)、易爆物質(zhì)小到可以忽略。
3.3 交流電源要求
•交流電壓：220VAC±10%；
•頻率：50±1Hz；
3.4 接地要求
•電源保護(hù)地接大地，接地電阻要求小于4Ω。
3.5 待測電源模塊的預(yù)熱
•電源模塊在接通電源后，應(yīng)按相應(yīng)電源模塊規(guī)定的時(shí)間進(jìn)行預(yù)熱，如沒有明確需要預(yù)熱的，可不做預(yù)熱處理。
4. 某款電源的技術(shù)指標(biāo)
以此款電源為例，介紹詳細(xì)的測試方法：
表1 電源技術(shù)指標(biāo)
5. 電源性能測試
5.1 輸入電壓范圍測試
（1） 按圖1所示連接好設(shè)備，使調(diào)壓器輸出頻率在標(biāo)稱頻率上。
（2） 在輸出滿載的情況下，調(diào)節(jié)電源模塊的輸入交流電壓幅度，從模塊規(guī)定的輸入交流電壓的最低值（85VAC）調(diào)到最高值(264VAC)，可以測試此范圍內(nèi)的3到5個(gè)點(diǎn)，觀察輸出電壓幅度，應(yīng)符合模塊規(guī)定的要求，一般要求在±5%范圍內(nèi)。
（3） 在輸出空載的情況下，調(diào)節(jié)電源模塊的輸入交流電壓幅度，從模塊規(guī)定的輸入交流電壓的最低值（85VAC）調(diào)到最高值(264VAC)，可以測試此范圍內(nèi)的3到5個(gè)點(diǎn)，觀察輸出電壓幅度，應(yīng)符合模塊規(guī)定的要求，一般要求在±5%范圍內(nèi)。
（4） 認(rèn)真觀察每次測試的結(jié)果并分別作記錄。
5.2 額定功率測試
調(diào)節(jié)負(fù)載電阻使得待測電源模塊在額定功率下連續(xù)工作48小時(shí)，在測試過程中待測電源模塊工作正常，恒定輸出額定電壓值，測量其瞬時(shí)功率，可以通過公式計(jì)算而得：
P=ui（輸出端的瞬時(shí)電壓與瞬時(shí)電流的乘積）
5.3 輸出紋波的測試
（1） 按照設(shè)計(jì)指標(biāo)，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻使得待測電源工作在額定功率下至少1小時(shí)。
（2） 在輸出電壓正常的前提下，用示波器（示波器設(shè)置在交流擋；頻帶寬度BW=DC~25MHz）觀察電源紋波，具體接線要求如圖2所示，示波器顯示的波形最大峰-峰值即為該電源的紋波值。做此項(xiàng)測試時(shí)，觀察時(shí)間至少大于1min。
圖3 滿載時(shí)的輸出紋波圖
5.4 負(fù)載調(diào)整率的測試
（1） 按圖１連接設(shè)備，調(diào)節(jié)使電源模塊處于額定功率狀態(tài)，經(jīng)規(guī)定的預(yù)熱時(shí)間后記錄輸出電壓初始值V0。
（2） 將輸入電壓恒定在額定值，調(diào)負(fù)載由產(chǎn)品規(guī)格書中規(guī)定的負(fù)載變化最小值到最大值變動(dòng)，記錄輸出電壓讀數(shù)V0’，然后逆方向改變負(fù)載并記錄電壓讀數(shù)V0’’,每次測量在1分鐘內(nèi)完成。
（3） 負(fù)載效應(yīng)計(jì)劃公式：
（4） 取兩組計(jì)算最大值作為負(fù)載調(diào)整率。
（5） 如此電源的記錄數(shù)據(jù)如下：
輸入電源為穩(wěn)定220VAc
24.64@0A
24.38@0.4A
24.326@1A
24.299@1.6A
24.255@2A
5.5 電壓調(diào)整率的測試
（1） 調(diào)節(jié)輸出負(fù)載為半載(額定負(fù)載的50%)，調(diào)節(jié)電源模塊輸入電壓、頻率標(biāo)準(zhǔn)值，測量并記錄輸出電壓。
（2） 調(diào)節(jié)電源模塊的輸入電壓，緩慢增加到最大值，監(jiān)視輸出電壓值，記錄輸出電壓的變化情況。
（3） 調(diào)節(jié)電源模塊的輸入電壓，緩慢減小到最小值，監(jiān)視輸出電壓值，記錄輸出電壓的變化情況。
（4） 計(jì)算出輸出電壓和額定輸出值的差值，以最大差值和額定輸出值的百分比記入測試報(bào)告。
（5） 如此電源的記錄數(shù)據(jù)如下
負(fù)載為50％
85@24.314
110@24.315
140@24.316
180@24.317
220@24.317
240@24.317
264 @24.318
LineR=(Vmax-Vmin)/Vnor*100%
5.6 階躍負(fù)載特性的測試
按圖1連接設(shè)備，按模塊產(chǎn)品規(guī)格書的要求變化負(fù)載，從20%負(fù)載突變到70%負(fù)載。用示波器觀察輸出波形。
圖4 24V 20％負(fù)載到70％負(fù)載階躍波形示意圖
5.7 轉(zhuǎn)換效率的測試
使電源在額定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行2小時(shí)后，測量電源的輸入電流、電壓和輸出電流、電壓按照下面的公式計(jì)算轉(zhuǎn)換效率：
通常情況下，需要測試空載，20%負(fù)載，50%負(fù)載，80%負(fù)載，滿載的轉(zhuǎn)換效率。
5.8 N+1并聯(lián)的測試
分別將多臺(tái)同型號(hào)的電源模塊并聯(lián)工作（如圖5所示），連接上并聯(lián)后的額定負(fù)載，分別測量各電源模塊輸出電流有效值，根據(jù)負(fù)載計(jì)算出平均各路的電流值，比較平均電流值對(duì)比各模塊的電流值，找到最大的電流差值，可以判斷出各模塊的均流是否正常。
5.9 輸出過流保護(hù)的測試
按圖１連接設(shè)備，測試時(shí)可使用電子負(fù)載模擬過電流狀況，觀察模塊輸出電壓和指示燈狀態(tài)，以此款電源為例，當(dāng)輸出電流超過額定電流的105%~150%，電源開始保護(hù)。消除過載后，自動(dòng)恢復(fù)正常輸出。試驗(yàn)后模塊各項(xiàng)功能和指標(biāo)應(yīng)仍能符合設(shè)計(jì)的要求。
5.10 輸出限電壓保護(hù)的測試
按圖6連接設(shè)備，輸出負(fù)載設(shè)定50%負(fù)載，并要針對(duì)限電壓的保護(hù)方式的特點(diǎn)，緩慢調(diào)整外激勵(lì)電壓由0加到規(guī)定的動(dòng)作電壓范圍內(nèi)，觀察待測電源模塊的工作狀態(tài)，看保護(hù)是否動(dòng)作。本測試電源要求是125%~145%動(dòng)作，也就是當(dāng)外激勵(lì)電壓達(dá)到30V~34.8V時(shí)，保護(hù)開始動(dòng)作。
5.11 輸出短路保護(hù)的測試
測試此項(xiàng)目，需要將輸出端短路，連續(xù)測試24小時(shí)，觀察待測電源模塊狀態(tài)。消除短路后，電源自動(dòng)恢復(fù)正常。
5.12 輸出狀態(tài)檢測的測試
輸出狀態(tài)檢測信號(hào)一般有指示燈和報(bào)警輸出信號(hào)。當(dāng)電源模塊正常工作時(shí)指示燈點(diǎn)亮。報(bào)警輸出信號(hào)通常采用光耦輸出，當(dāng)電源模塊正常工作時(shí)，光耦導(dǎo)通，給出一個(gè)導(dǎo)通信號(hào)。可以使用萬用表的二極管檔位進(jìn)行測量。
5.13 系統(tǒng)軟啟動(dòng)的測試
測試此項(xiàng)目時(shí)，需要將輸入電壓調(diào)整為額定電壓，輸出端負(fù)載調(diào)整為額定負(fù)載，使整個(gè)模塊輸出達(dá)到額定功率。用示波器觀察輸出端波形變化的情況，計(jì)算從接通電源后到輸出電壓進(jìn)入合格范圍內(nèi)的時(shí)間。
圖7 系統(tǒng)軟啟動(dòng)波形圖
5.14 工作溫度的測試
按照+20℃→+30℃→+40℃→+55℃→+40℃→+30℃→+20℃→+10℃→0℃→+10℃→+20℃……的變化順序作至少兩個(gè)循環(huán)的試驗(yàn)。每檔溫度允許誤差為±2℃，并應(yīng)在每一檔溫度上保持2小時(shí)以上，使模板溫升達(dá)到均勻的熱穩(wěn)定后，測試在每檔溫度下待測電源的功能和精度。試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足指標(biāo)要求。
5.15 相對(duì)濕度的測試
將待測電源在一般試驗(yàn)大氣條件下放置24小時(shí)，測試模板的功能和精度，確認(rèn)其符合指標(biāo)要求。切斷電源使環(huán)境溫度升到+40℃~±2℃，相對(duì)濕度達(dá)到95%~±3%(無冷凝)，保持至少48小時(shí)，在最后的4小時(shí)通電，重復(fù)測試功能和精度并記錄。然后切斷電源，將環(huán)境溫度恢復(fù)到+20℃~±2℃，相對(duì)濕度達(dá)到60%~±3%，保持24小時(shí)后測試絕緣電阻值。確認(rèn)絕緣電阻、功能和精度應(yīng)符合要求。
5.16 絕緣電阻的測試
測試時(shí)設(shè)備應(yīng)不接通電源而處于非工作狀態(tài)。若有電源開關(guān)，則應(yīng)位于接通位置，將輸入端子全部短接，模塊輸出端子全部短接，使用直流兆歐表，分別在輸入端、輸出端、外殼之間施加直流電壓進(jìn)行測試。直流測試電壓應(yīng)選擇500V，施加試驗(yàn)電壓至少10S后進(jìn)行讀數(shù)，絕緣電阻值應(yīng)大于20MΩ。
5.17 絕緣耐壓的測試
測試時(shí)設(shè)備應(yīng)不接通電源而處于非工作狀態(tài)。若有電源開關(guān)，則應(yīng)位于接通位置，將輸入端子全部短接，輸出端子全部短接，與外殼（或地）之間進(jìn)行測試，每兩者之間用耐壓測試儀加1500VAC，電壓應(yīng)由零逐步上升到規(guī)定值，上升過程中不允許出現(xiàn)電壓明顯的瞬變。在規(guī)定的電壓值上保持1分鐘，在測試期間應(yīng)無擊穿或飛弧現(xiàn)象，漏電流<10mA。絕緣強(qiáng)度測試后，應(yīng)對(duì)模塊能否正常工作進(jìn)行簡易復(fù)測，判斷模塊是否有損壞。
5.18 電磁兼容性的測試
該項(xiàng)試驗(yàn)需在具備專業(yè)電磁環(huán)境測試條件的試驗(yàn)室進(jìn)行，遵循標(biāo)準(zhǔn) IEC61000-4，等級(jí)為3。試驗(yàn)項(xiàng)目如下：
?
間歇波
?
信號(hào)電壓
?
電壓波動(dòng)
?
電壓突降和中斷
?
浪涌
?
快速瞬變脈沖群
?
振鈴波
?
阻尼振蕩波
?
靜電放電
?
工頻磁場
?
阻尼震蕩磁場
?
輻射電磁場
6. 結(jié)語
工業(yè)控制系統(tǒng)電源測試和性能評(píng)價(jià)的研究是整個(gè)系統(tǒng)開發(fā)生產(chǎn)和維護(hù)的基礎(chǔ)工作之一，文章從實(shí)際測試角度出發(fā)，提出了按照測試電源的基本參數(shù)、功能檢查、環(huán)境適應(yīng)性檢查以及電磁兼容性這4大類別來測試電源性能指標(biāo)的方法，并對(duì)各類別所包含的主要測試方法進(jìn)行了闡述，根據(jù)產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)得出一個(gè)較為完整的性能測試的框架。限于篇幅，一些具體的、細(xì)節(jié)性的指標(biāo)和參數(shù)沒有提及。另外，隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的不斷發(fā)展，其性能測試的組成內(nèi)容和選取方法也應(yīng)動(dòng)態(tài)地進(jìn)行補(bǔ)充和完善。
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[2] GA 267-2000 計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)雷電電磁脈沖安全防護(hù)規(guī)范[S].中華人民共和國公安部，2001.
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[4] 沙占友.特種集成電源設(shè)計(jì)與應(yīng)用[j]. 中國電力出版社,2007 ,1.
[5] IEC61000-4-2:1995 ( idt GB/T 17626.2-1998)[S].
摘自《自動(dòng)化博覽》2011年第七期
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)