智能线缆短路检测创新应用

薛红波，毛 凯，成 义，昝文博

（联合汽车电子有限公司西安厂，陕西西安 710117）

0 引言

随着设备自动化程度越来越高，机器人、伺服、电缸、自动上料和分拣设备大量应用。设备信号电缆由原来的固定方式变改为移动方式。由于运动造成的电缆折损故障频繁发生，最让维修人员头疼的是线缆短路故障，由于短路使得开关电源电压骤降、电流飙升，使开关电源进入过流保护状态，导致设备控制系统失去供电而停机。短路故障点往往不能及时发现，需要花费大量时间排查线路。针对上述问题，结合工厂实际情况，自主研发出了一套智能电缆短路测试模块。

智能电缆短路测试仪是一种采用全新设计理念的高性能、高可靠性的智能化工业测量控制仪表，专为工厂自动化设备、机床设备、机器人等自动化设备设计，广泛应用于汽车、电子、化工、冶金热处理机加等行业。其主要特点有：采用先进的STC处理器、处理速度快、接口部件简单、可靠性高、稳定性强。智能电缆短路测试仪能够实时检测负载电流情况，对于短路和过流等异常情况能在20 ms 内做出响应，切断异常负载回路，避免由于短路造成开关电源保护，影响其他设备的正常工作，从保证系统的最大可用性。

1 故障模式分析和解决方案研究

1.1 故障模式分析

设备线缆短路故障是检修工作中的难点。图1 是工厂供电正常的线路图，由铜导线的电阻系数和线缆长度可以算出短路时的回路电流为18 A，正常供电下断路器选配为6 A，C 型断路器的脱扣电流为84 A，所以在短路发生时断路器不能起到脱扣保护功能，进而造成开关电源过流保护。

图1 线路示意

开关电源过流保护将造成由它供电的所有设备停机，导致PLC 关机、输入输出复位、报警信息被清除、安全控制回路断开、电源负载断开。短路情况消失后重新上电，短路故障还会再次出现。周而复始，造成设备间断性掉电。故障信息不能显示，故障点不能快速诊断，是影响故障排除的根本原因。设备中往往线路繁多，排除故障需要花费大量时间，而长时间停机对于自动化流水线是不能接受的。

1.2 解决方案研究

线缆短路故障虽然发生频率低，但是每次排查维修查找原因都要花费大量时间和人力，基于此维修团队着手研发了一套智能电缆短路测试装置，主要功能如下：

（1）测量精准。能准确测量并监控负载电流，记录负载电流波动趋势，并能按实际情况设定阈值，根据电流变化及时预警。

（2）响应迅速。在电缆发生短路情况时，能在电源过流保护前做出响应，切断故障回路的负载，保证设备最大的可用性，同时输出报警信息，准确定位故障点，结合线路预排，实现短路故障的快速维修处理。

（3）体积小巧。测量装置需要能集成到设备电气柜内。

通过以上研究，并结合工厂供电及电器柜的特点，认为替换目前电气柜内的接线端子可以节省空间，且能保证改动量最小（图2）。

图2 端子示意

2 电路设计

2.1 功能设计要求

功能和逻辑要求：

（1）上电后实时监测负载回路电流，根据预设逻辑做出判断和动作输出。

（2）手动开关功能。按钮开关，每按一次按钮切换一次输出状态（开关管），并锁存此状态，断电重启后状态可以保持。

（3）上电后开关管工作状态保持断电前的工作状态。检测工作电流，如果电流大于设定阈值，则关闭输出状态，并暂存此状态。当检测电流恢复到阈值以内后，按手动开关再次进入监控状态。

（4）负载短路时，能关断当前通道负载。响应时间需要小于开关电源的保护响应时间。

（5）报警状态可以通过逻辑信号输出，且可以切换输出电平（PNP/NPN）。

（6）LED 三色指示灯、LED 数码管实现状态显示功能。

2.2 设计参数要求

（1）工作电压DC 24 V 或AC 220 V。

（2）电流测试范围0～30 A 可调，测量精度和显示精度0.05 A，不确定性0.01 A。

（3）响应时间不超过10 ms。

（4）工作温度-15～+60 ℃。

（5）湿度0～60%RH。

（6）MTTR 大于10 000 h。

（7）开关寿命50 000 000 次。

为保证测量精度，选用精度为1%的高精度元器件。为提高抗干扰能力，供电电源采用二次隔离降压模式，具体电路如图3所示。

图3 二次隔离降压电路

根据以上要求，采用STC 单片机及高速数据采集电流信号，并通过可控硅实现负载可控，控制原理如图4 所示。

图4 控制原理

3 PCB 制版和程序编制

3.1 PCB 制版和BOM 清单

根据原理图和外形图尺寸，使用Altium Designer Summer 09软件设计PCB 板（图5）。

图5 PCB 制版

3.2 硬件配置程序编制

电流采样使用10 mΩ 高精度电阻采集回路电流，并通过AD/DA 单元采样电阻上的电压信号。调整采样频率，每2 ms 中断一次读取AD 值（图6）。为避免干扰，在程序中每隔0.6 ms 跟踪放大器电流的上升，根据相邻两个上升段的中间值之差来确定电流是否有异常，程序编制如图7 所示。。

图6 中断示意

图7 程序编制

4 功能测试与验证

通过25 pC 短路测试，电流测试精度CMK1.67，响应时间如图8、图9 所示。并通过150 ℃下通1000 h 老化和耐久试验。

图8 短路响应波形

图9 开关机响应波形

5 安装与使用

智能电缆短路测试装置额定输入电压DC 24 V；两路负载供电；双色LED 状态指示器；模块宽度6 mm；灰色。其外形见图10，接线示意见图11、图12，面板指示灯状态说明见图13。

图10 外形设计

图11 单通道接线示意

图12 多通道接线示意

图13 指示灯状态

开关功能：模块正常工作时按下按钮，指示灯从绿色切换为红色，模块负载断开。再次按下按钮，指示灯从红色切换为绿色，负载接入。

复位功能：模块红色指示灯闪烁时表示模块处于故障状态。消除故障后，按下按钮开关并保持5 s 以上，模块复位，LED 指示灯变为红色表示复位成功。再次按下按钮，LED 指示灯变为绿色，负载接入，模块进入正常工作状态。

电流阈值通过拨码开关进行设置，对应关系见表1。

表1 电流阈值拨码开关对应

6 结论

通过100 件的小批量试制验证，模块完全满足设计要求和现场使用要求，能在短路发生20 ms 内做出响应，各项检验、质量验收及材料报告全部合格，质量符合设计图纸及有关工程质量验收标准要求。