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案例頻道 摘要：工業控制系統的電源的測試是工業控制系統測試和應用的基礎工作之一，本文從工業控制系統電源測試的實際試驗角度出發，按照測試電源的基本參數、功能檢查、環境適應性檢查以及電磁兼容性這4大類別來對電源進行測試和檢驗其性能指標，其中每一類別又由電源各部件或整體的性能指標和參數所組成，且一般應易于進行實際的測試評價。對工業控制系統相關的測試研究工作具有重要的參考價值。
關鍵字：工業控制系統；電源；測試方法；性能指標
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
無論是工業控制系統的制造商還是用戶對工業控制系統的各部件測試和檢驗性能指標都非常重視，這種測試和檢驗評價已廣泛應用在DCS的驗收測試、維護試驗等工作中。測試的基礎是必須首先確定能夠綜合反映工業控制系統性能的指標和測試方法，本文從現場使用最廣泛以及用戶最關心的測試應用角度出發，以工業控制系統的重要組成部分電源為例，對工業控制系統的電源測試和性能評價進行了探討，所使用的測試方法對工業控制系統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測試需下列工具：
•萬用表
•電子負載儀
•示波器
•調壓器
•耐壓測試儀
•兆歐表
2.2 如果需要對特殊指標進行驗證，需使用如下設備：
•高低溫實驗室
•濕溫交變實驗室
•EMC實驗室
•振動實驗室
3. 測試條件
3.1 一般試驗大氣條件
•溫度：15℃~35℃；
•相對濕度：45%~75%。
•大氣壓力：86kPa ~106kPa 。
•最大溫度變化率：1℃/10min
3.2 其他環境條件：
•外界磁場：除地磁場外，其他小到可以忽略。
•機械振動：應使機械振動減小到可以忽略不計。
•周圍空氣中腐蝕介質、易爆物質小到可以忽略。
3.3 交流電源要求
•交流電壓：220VAC±10%；
•頻率：50±1Hz；
3.4 接地要求
•電源保護地接大地，接地電阻要求小于4Ω。
3.5 待測電源模塊的預熱
•電源模塊在接通電源后，應按相應電源模塊規定的時間進行預熱，如沒有明確需要預熱的，可不做預熱處理。
4. 某款電源的技術指標
以此款電源為例，介紹詳細的測試方法：
表1 電源技術指標
5. 電源性能測試
5.1 輸入電壓范圍測試
（1） 按圖1所示連接好設備，使調壓器輸出頻率在標稱頻率上。
（2） 在輸出滿載的情況下，調節電源模塊的輸入交流電壓幅度，從模塊規定的輸入交流電壓的最低值（85VAC）調到最高值(264VAC)，可以測試此范圍內的3到5個點，觀察輸出電壓幅度，應符合模塊規定的要求，一般要求在±5%范圍內。
（3） 在輸出空載的情況下，調節電源模塊的輸入交流電壓幅度，從模塊規定的輸入交流電壓的最低值（85VAC）調到最高值(264VAC)，可以測試此范圍內的3到5個點，觀察輸出電壓幅度，應符合模塊規定的要求，一般要求在±5%范圍內。
（4） 認真觀察每次測試的結果并分別作記錄。
5.2 額定功率測試
調節負載電阻使得待測電源模塊在額定功率下連續工作48小時，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，測量其瞬時功率，可以通過公式計算而得：
P=ui（輸出端的瞬時電壓與瞬時電流的乘積）
5.3 輸出紋波的測試
（1） 按照設計指標，調節負載電阻使得待測電源工作在額定功率下至少1小時。
（2） 在輸出電壓正常的前提下，用示波器（示波器設置在交流擋；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。做此項測試時，觀察時間至少大于1min。
圖3 滿載時的輸出紋波圖
5.4 負載調整率的測試
（1） 按圖１連接設備，調節使電源模塊處于額定功率狀態，經規定的預熱時間后記錄輸出電壓初始值V0。
（2） 將輸入電壓恒定在額定值，調負載由產品規格書中規定的負載變化最小值到最大值變動，記錄輸出電壓讀數V0’，然后逆方向改變負載并記錄電壓讀數V0’’,每次測量在1分鐘內完成。
（3） 負載效應計劃公式：
（4） 取兩組計算最大值作為負載調整率。
（5） 如此電源的記錄數據如下：
輸入電源為穩定220VAc
24.64@0A
24.38@0.4A
24.326@1A
24.299@1.6A
24.255@2A
5.5 電壓調整率的測試
（1） 調節輸出負載為半載(額定負載的50%)，調節電源模塊輸入電壓、頻率標準值，測量并記錄輸出電壓。
（2） 調節電源模塊的輸入電壓，緩慢增加到最大值，監視輸出電壓值，記錄輸出電壓的變化情況。
（3） 調節電源模塊的輸入電壓，緩慢減小到最小值，監視輸出電壓值，記錄輸出電壓的變化情況。
（4） 計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告。
（5） 如此電源的記錄數據如下
負載為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 階躍負載特性的測試
按圖1連接設備，按模塊產品規格書的要求變化負載，從20%負載突變到70%負載。用示波器觀察輸出波形。
圖4 24V 20％負載到70％負載階躍波形示意圖
5.7 轉換效率的測試
使電源在額定負載下穩定運行2小時后，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算轉換效率：
通常情況下，需要測試空載，20%負載，50%負載，80%負載，滿載的轉換效率。
5.8 N+1并聯的測試
分別將多臺同型號的電源模塊并聯工作（如圖5所示），連接上并聯后的額定負載，分別測量各電源模塊輸出電流有效值，根據負載計算出平均各路的電流值，比較平均電流值對比各模塊的電流值，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 輸出過流保護的測試
按圖１連接設備，測試時可使用電子負載模擬過電流狀況，觀察模塊輸出電壓和指示燈狀態，以此款電源為例，當輸出電流超過額定電流的105%~150%，電源開始保護。消除過載后，自動恢復正常輸出。試驗后模塊各項功能和指標應仍能符合設計的要求。
5.10 輸出限電壓保護的測試
按圖6連接設備，輸出負載設定50%負載，并要針對限電壓的保護方式的特點，緩慢調整外激勵電壓由0加到規定的動作電壓范圍內，觀察待測電源模塊的工作狀態，看保護是否動作。本測試電源要求是125%~145%動作，也就是當外激勵電壓達到30V~34.8V時，保護開始動作。
5.11 輸出短路保護的測試
測試此項目，需要將輸出端短路，連續測試24小時，觀察待測電源模塊狀態。消除短路后，電源自動恢復正常。
5.12 輸出狀態檢測的測試
輸出狀態檢測信號一般有指示燈和報警輸出信號。當電源模塊正常工作時指示燈點亮。報警輸出信號通常采用光耦輸出，當電源模塊正常工作時，光耦導通，給出一個導通信號?？梢允褂萌f用表的二極管檔位進行測量。
5.13 系統軟啟動的測試
測試此項目時，需要將輸入電壓調整為額定電壓，輸出端負載調整為額定負載，使整個模塊輸出達到額定功率。用示波器觀察輸出端波形變化的情況，計算從接通電源后到輸出電壓進入合格范圍內的時間。
圖7 系統軟啟動波形圖
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循環的試驗。每檔溫度允許誤差為±2℃，并應在每一檔溫度上保持2小時以上，使模板溫升達到均勻的熱穩定后，測試在每檔溫度下待測電源的功能和精度。試驗結果應滿足指標要求。
5.15 相對濕度的測試
將待測電源在一般試驗大氣條件下放置24小時，測試模板的功能和精度，確認其符合指標要求。切斷電源使環境溫度升到+40℃~±2℃，相對濕度達到95%~±3%(無冷凝)，保持至少48小時，在最后的4小時通電，重復測試功能和精度并記錄。然后切斷電源，將環境溫度恢復到+20℃~±2℃，相對濕度達到60%~±3%，保持24小時后測試絕緣電阻值。確認絕緣電阻、功能和精度應符合要求。
5.16 絕緣電阻的測試
測試時設備應不接通電源而處于非工作狀態。若有電源開關，則應位于接通位置，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行測試。直流測試電壓應選擇500V，施加試驗電壓至少10S后進行讀數，絕緣電阻值應大于20MΩ。
5.17 絕緣耐壓的測試
測試時設備應不接通電源而處于非工作狀態。若有電源開關，則應位于接通位置，將輸入端子全部短接，輸出端子全部短接，與外殼（或地）之間進行測試，每兩者之間用耐壓測試儀加1500VAC，電壓應由零逐步上升到規定值，上升過程中不允許出現電壓明顯的瞬變。在規定的電壓值上保持1分鐘，在測試期間應無擊穿或飛弧現象，漏電流<10mA。絕緣強度測試后，應對模塊能否正常工作進行簡易復測，判斷模塊是否有損壞。
5.18 電磁兼容性的測試
該項試驗需在具備專業電磁環境測試條件的試驗室進行，遵循標準 IEC61000-4，等級為3。試驗項目如下：
?
間歇波
?
信號電壓
?
電壓波動
?
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. 結語
工業控制系統電源測試和性能評價的研究是整個系統開發生產和維護的基礎工作之一，文章從實際測試角度出發，提出了按照測試電源的基本參數、功能檢查、環境適應性檢查以及電磁兼容性這4大類別來測試電源性能指標的方法，并對各類別所包含的主要測試方法進行了闡述，根據產品技術指標得出一個較為完整的性能測試的框架。限于篇幅，一些具體的、細節性的指標和參數沒有提及。另外，隨著工業控制系統的不斷發展，其性能測試的組成內容和選取方法也應動態地進行補充和完善。
[1] 王常力，羅安. 分布式控制系統（DCS）設計與選型應用實例[C].北京：電子工業出版社，2004.
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[3] 戴志平.開關電源工程調試技術[J].中國電力出版社，2009 ，8.
[4] 沙占友.特種集成電源設計與應用[j]. 中國電力出版社,2007 ,1.
[5] IEC61000-4-2:1995 ( idt GB/T 17626.2-1998)[S].
摘自《自動化博覽》2011年第七期
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號