摘要：本文讲述了利用PLC与耐压测试仪组成的测控系统，辅以夹具结构，实现了XBOX产品的自动耐压测试功能，给出了控制系统的原理图，工艺流程图，电气接线图，夹具结构图等。通过不断分析，反复研究，在改变传统手工测试模式下，采用机器自动化测试，保证人员安全的前提下提高效率，降低生产成本。
关键词：PLC；耐压测试仪；自动控制；应用
在消费意识高涨的现今世界，每一个电气和电子产品的制造商必须尽最大的能力，将产品的安全做好，常用的电气安全测试指标包括交/直流耐压，绝缘电阻，泄漏电流，接地电阻等。每一种产品的设计必须尽其可能，不能让使用者有被触电的机会。因此，为了达到一般公认的安全要求，“耐压测试仪”就必须被使用。目前安规执行单位，例如UL（保险商实验所）、CSA（加拿大标准协会）、IEC（国际电工委员会）、BSI（英国标准协会）、VDE（德国电器电子协会）等都要求各制造商在设计和生产电子或电气产品时要使用“耐压测试仪”来进行安全测试，将耐压及漏电流值作为设备是否符合UL、IEC等认证的参考条件之一。
我们通常把一个高于正常工作的电压加在被测设备的绝缘体上，并持续一段规定的时间，如果其间的绝缘性足够好，加在上面的电压就只会产生很小的漏电流。如果一个被测设备绝缘体在规定的时间内，其漏电电流保持在规定的范围内，就可以确定这个被测设备可以在正常的运行条件下安全运行，这就是耐压测试，其原理如下：
图1 耐压测试原理图
在IEC60335-1《家用和类似用途电器的安全通用要求》的标准中，也要求家用电器必须有良好的绝缘性能和防护措施，以保护消费者使用的安全，因此、为了确保XBOX这款产品具有良好的电气安全性能，客户要求产品要通过4.2KV/60uA/1S的耐压测试，这个标准远高于IEC60335-1中规定：家用电子产品（Ⅱ类）要求2X工作电压+1000V的耐压，0.25mA漏电流的测试值。
图2 XBOX产品示意图
一、分析问题
想要实现XBOX的自动耐压测试功能，重点在于夹具设计，既要安全地保护产品、避免测试时的误接触，又能有效的接通测试点，为此，我们采用带弹簧的探针来接触产品的测试点；用传感器来检测产品的状态；由调节阀、电磁阀、气动执行器（如气缸）来移动产品；用 PLC（可编程序逻辑控制器）实现自动控制。
二、解决问题
2.1 工艺流程
（1）在流水线两侧，工人取出待测的产品，放入夹具测试位中；
（2）手动盖上夹具上盖，判断上盖感应器状态；
（3）气缸1动作，自动锁止夹具上盖，判断气缸1的感应器状态；
（4）气缸2动作，将产品推到指定位置，判断气缸2的感应器状态，此时产品的位置已固定；
（5）气缸3动作，使探针与产品测试点接触，判断气缸3的感应器状态；
（6）PLC输出信号控制耐压测试仪，开始按设定参数打高压；
（7）测试结束后，耐压测试仪返回信号到PLC，PLC输出信号到指示灯显示结果。
（8）测试通过后复位所有气缸到初始位置，开盖取出产品；
至此，一个测试循环结束，可见，自动耐压测试的流程属于典型的顺序控制，其工艺流程图如下：
图3 自动耐压测试机工艺流程图
2.2 系统要求
2.2.1信号要求
所有的控制I/O信号、报警信号需要加延时处理，避免误触发，双线圈电磁阀需要在程序中加互锁保护，故障后需要有复位程序，能保证机台正常运行，要有自动控制流程程序。
2.2.2 控制要求
自动耐压测试设备除装卸产品外，整个工艺过程要求能自动运行，那么PLC和耐压测试仪必须进行I/O信号对接，因此，要求耐压测试仪具有PLC远程操作功能。
2.2.3 状态指示要求
所有初始状态、故障状态、测试状态等有相应指示灯显示，以便对设备进行调整和维修，采用三色灯（带蜂鸣器）实现，同时面板上增加测试通过和测试失败指示灯，表达测试结果输出。
2.2.4 气路要求
采用空气过滤器组合三联件（空气过滤器、减压阀、油雾器）附带气压表，为整机提供清洁、干燥和充足的压缩空气，保障各气路元件工作正常。
2.2.5 气压要求：
夹具需要用到压力传感器监测空气压力，选用SMC品牌、型号：PSE530-R07-L、参数：12～24VDC供电、量程：正压 0～1MPa、误差：±1%F.S、不带数显、1～5VDC模拟量输出。这个信号接到 PLC 的第一个模拟量输入通道，并进行适当缩放，如图所示：
图4 PLC中AD1V气压值软件配置点
按下表要求在PLC程序中设置系统保护：
表1 压力传感器气压值换算表
2.3 机械部分设计
图5 夹具结构图
该固定装置包括透明的屏蔽上盖，上盖由两个氮气弹簧进行升高和降低，盖子包括槽形光电感应器，以便向PLC指示其状态。一旦盖子闭合，上盖气缸模组锁定结构将盖保持在适当位置，该锁由电磁阀和气缸控制；同理，为保证产品测试位置的一致性及准确性，增加了移动产品的气缸模组；针块气缸模组是实现耐压测试的关键控制点，要求探针测试的导通率100%，并要求达到1万次的测试寿命。
2.3.1 上盖气缸模组
图6 上盖气缸模组
2.3.2 产品气缸模组
图7 产品气缸模组
2.3.3 针块气缸模组。
图8 针块气缸模组
2.4 电气部分设计
2.4.1 PLC选型
根据上述功能要求，PLC总共有13个输入点，18个输出点，1个模拟量输入点（1－5V），考虑到以后对自动耐压测试设备的升级，要求PLC的输入/输出点保留15%的余量。
通过对比可靠性及实用性，选用CLICK公司的CPU模块：C0-02DD2-D，该模块主要包括4路开关量输入，4路开关量输出，2路模拟量输入，2路模拟量输出，如下图所示：
图9 C0-02DD2-D外形图
选用开关量输入扩展模块：C0-16ND3，该模块支持16路24VDC开关量信号输入。
选用开关量输出扩展模块：C0-16TD2，该模块支持16路12-24VDC/0.1A开关量信号输出。经计算I/O总点数为44点，满足控制要求，而且还有一定余量，如下图所示：
图10 C0-16ND3外形图 图11 CO-16TD2外形图
2.4.2 PLC I/O输入输出分配表
将13个输入信号，14个输出信号，1个模拟量输入信号按功能分类，安排I/O输入输出分配表如下：
表2 I/O输入输出分配表
2.5 耐压测试仪选型
2.5.1 耐压测试类型（交流/直流）
根据不同的产品，有交流耐压测试和直流耐压测试。显而易见，交流耐压测试必须考虑耐压测试的频率是否和被测物的工作频率一致；因此，可以灵活选择测试电压的类型，同时对于交流电压频率的灵活选择，是耐压测试仪的基本功能。
2.5.2 测试电压范围
一般交流耐压测试仪测试电压的输出范围有3KV、5KV、10KV、20KV，甚至更高，而直流耐压测试仪输出电压有5KV、6KV甚至高于12KV以上。用户如何选择适合自己使用的电压范围；根据产品的类别不同，在产品的测试电压都有相对应的安规标准。如IEC60335-1：2001（GB4706.1）中在操作温度下的耐压测试都有给耐压的测试值，在IEC60950-1：2001（GB4943）中也指出了不同类型绝缘的试验电压。
2.5.3 测试时间
根据产品的标准规范，一般耐压测试的时间均要求60sec，在安规检测结构和工厂实验室这是必须严格执行的，可是这样的测试时间在生产线几乎是不太可能施行，因为产线主要重视是生产速度及生产效率，所以长时间的测试无法满足实际需求。可喜的是，目前很多结构都允许采用缩短测试时间，提高测试电压的方式来实现。另外，有些新的安规标准也明确提出了测试的时间，如IEC60335-1的附录A中，IEC60950-1等标准中，就有提到例行性测试（Routine Test）时间为1sec。因此，测试时间的设定，也是耐压测试仪必须具有的功能。
2.5.4 电压缓升功能
很多的安全规范中，如IEC60950-1中，对于测试电压的输出特性，有如此描述：「加到被测绝缘上的测试电压应从零逐渐升高到规定的电压值......」；IEC60335-1中的描述：「试验初始，施加的电压不超过规定电压值的一半，然后逐渐地升高到满值」。其他的安规标准也有类似的要求，即电压不能突然加到被测物上面，要有一个缓升的过程，虽然标准中没有具体量化这个缓升的具体时间要求，但是其目的是避免突然的高电压可能引起被测物的绝缘性能受到破坏。
我们知道，耐压测试正常不应该是一种破坏性试验，而是检查产品瑕疵的一种手段。因此，耐压测试仪必须具有缓升的功能，当然，在缓升过程中，如果发现异常，仪器应该可以立即停止输出，这样测试组合使得该功能可以发挥的更加淋漓尽致。
2.5.5 测试电流选择
从上面的几点要求可以发现，其实安规标准对于耐压测试仪的要求基本都给了比较明确的要求。但是，选择耐压测试仪的另一个考虑因素就是漏电流测量范围。在试验前，需对试验电压、试验时间和判定电流（漏电流上限值）进行设定。目前市面上的耐压测试仪，以交流电流为例，可量测最大漏电流大致有从3mA～100mA的多种类型，当然，漏电流可量测的范围越高，相对的价格也越高，这里我们暂且将电流量测精度、分辨力都在同一水平位准考虑！ 那么，如何选择符合自己的仪器，在此，我们也从标准中来找寻一些答案。
从下表的标准我们可以看到，标准中对于耐压测试，是如何判定的。
从表中可以看出，其实在这些标准中，并没有非常明确的给出一个量化的数据来判定绝缘是否失效，换句话说，就是没有告诉你，多少电流产品是合格或者不合格的。当然，标准中对于判定电流的最大限值以及耐压测试仪的容量要求是有相关规定；判定电流的最大限值就是使（耐压测试仪中的）过载保护器动作来表示击穿发生的电流，又称跳闸电流，在不同标准中对于这个限值的表述如下表所示：
2.5.6 EXTECH-7472耐压测试仪
综上所述，选择台湾华仪EXTECH-7472（7400系列）20KVA耐压测试仪，交流或直流输出电压高达20KV，最大输出电流 10mA，具有多种专利功能及安全特性，内建50组程序记忆，记忆组间可进行链接测试，适用于电缆、电线、电器、马达、高压泵浦、高压绝缘材料及高压组件等测试，因此，完全可以满足XBOX产品的耐压测试要求及客户提出的测试标准，如下图所示。
图12 EXTECH 7472
2.5.7 EXTECH-7472的主要特点：
1、直流耐压测试具有专利。
2、Discharge 直流高压快速放电装置，避免被测物上残余电压，造成人员触电危险。
3、专利 Smart GFI 智慧防高压触电线路（169000），随时侦测回路，杜绝触电伤害，保障人员安全。
4、专利 Ramp High 缓升上限功能（100859），缩短缓升时间，节省测试时间，提高测试效率。
5、专利 Charge Low 充电下限功能（106128），可侦测回路是否断线，提高测试可靠度。
6、键盘锁定（Key Lock）功能，保护记忆组数据，避免误触按键所造成的危害。
7、提供GPIB、USB & RS232、PLC远端控制接口，可执行自动化测试，提升测试效率。
2.6 电气原理图设计
分为主回路接线图和PLC回路接线图，详细图纸如下
2.7 气路图设计
自动耐压测试设备气路图由3个简单的气动回路组成，气源通过气管接入气动三联件，经过调节后进入汇流排分流，分别送进各电磁阀回路，再根据各电磁阀YV1-YV6得电或失电分别控制各气缸的动作（伸出或缩回）。详细气路图如下：
图5 夹具气路图
2.8 梯形图设计
自动耐压测试机的PLC控制程序，主要分为以下8个部分，各部分程序介绍如下：
A、启停控制
采用经典启保停逻辑编程实现机器的启停控制。
B、复位控制
采用时间继电器控制的顺序流程，实现上盖气缸打开、产品气缸松开、针块气缸上升的初始位置状态。
C、初始化状态
主要用来监测各感应器信号及气缸动作位置是否正常，如果正常表示夹具准备好。
D、指示灯控制
采用PLC系统自带的时钟脉冲继电器进行闪烁功能的实现，并用不同颜色的灯代表不同的状态。
E、电磁阀控制
程序中需要对双线圈电磁阀增加双重互锁功能，通过磁性感应器确认气缸动作到位情况。
F、报错处理
对气缸动作到位情况判断，气压值进行判断，如有异常情况，启动报错程序，同时，蜂鸣器会响。
G、自动控制
按照工艺流程用程序实现自动循环控制。
H、压力警告与报警
采用设定压力值与采集压力值进行比较，得出警告与报警消息。
结束语
文中采用PLC、耐压测试仪、针块模组及外围电路实现了XBOX的自动耐压功能测试，简化了电气控制系统的硬件和接线，减小了控制器的体积，提高了控制系统的灵活性，同时，PLC有较完善自诊断和自保护能力，可以增强系统的抗干扰能力，提高系统的可靠性，应用表明，PLC在自动化改造和新型自动控制的设计中，有广泛的应用前景，特别是在全国智能制造的今天，推广使用现代工业自动控制装置，对降低劳动成本，提高生产效率，保证人身设计安全都有重大意义。
参考文献：
[1]梁耀光 余文烋 《工业控制新技术教程》 华南理工大学出版社
[2]梁耀光 王小涓 《工业控制新技术实训指导》 华南理工大学出版社
[3]彭瑜 何衍庆 《IEC61131-3编程语言及应用基础》 机械工业出版社
[4]国际电工委员会 IEC60335-1《家用和类似用途电器的安全通用要求》
[5]台湾华仪电子股份有限公司 《7400系列耐压测试器操作使用说明书》
[6]百度文库http：//wenku.baidu.com
论文作者:周德怀
论文发表刊物:《电力设备》2019年第5期
论文发表时间:2019/7/8
标签：耐压论文; 测试论文; 气缸论文; 测试仪论文; 电压论文; 产品论文; 标准论文; 《电力设备》2019年第5期论文;