摘要：工业控制系统的电源的测试是工业控制系统测试和应用的基础工作之一，本文从工业控制系统电源测试的实际试验角度出发，按照测试电源的基本参数、功能检查、环境适应性检查以及电磁兼容性这4大类别来对电源进行测试和检验其性能指标，其中每一类别又由电源各部件或整体的性能指标和参数所组成，且一般应易于进行实际的测试评价。对工业控制系统相关的测试研究工作具有重要的参考价值。

    关键字：工业控制系统；电源；测试方法；性能指标

    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

    无论是工业控制系统的制造商还是用户对工业控制系统的各部件测试和检验性能指标都非常重视，这种测试和检验评价已广泛应用在DCS的验收测试、维护试验等工作中。测试的基础是必须首先确定能够综合反映工业控制系统性能的指标和测试方法，本文从现场使用最广泛以及用户最关心的测试应用角度出发，以工业控制系统的重要组成部分电源为例，对工业控制系统的电源测试和性能评价进行了探讨，所使用的测试方法对工业控制系统的其他部件测试也具有示范和借鉴作用。

    2. 测试工具

    2.1 通常情况下一般性能指标测试需下列工具：

    •万用表

    •电子负载仪

    •示波器

    •调压器

    •耐压测试仪

    •兆欧表

    2.2 如果需要对特殊指标进行验证，需使用如下设备：

    •高低温实验室

    •湿温交变实验室

    •EMC实验室

    •振动实验室

    3. 测试条件

    3.1 一般试验大气条件

    •温度：15℃~35℃；

    •相对湿度：45%~75%。

    •大气压力：86kPa ~106kPa 。

    •最大温度变化率：1℃/10min

    3.2 其他环境条件：

    •外界磁场：除地磁场外，其他小到可以忽略。

    •机械振动：应使机械振动减小到可以忽略不计。

    •周围空气中腐蚀介质、易爆物质小到可以忽略。

    3.3 交流电源要求

    •交流电压：220VAC±10%；

    •频率：50±1Hz；

    3.4 接地要求

    •电源保护地接大地，接地电阻要求小于4Ω。

    3.5 待测电源模块的预热

    •电源模块在接通电源后，应按相应电源模块规定的时间进行预热，如没有明确需要预热的，可不做预热处理。

    4. 某款电源的技术指标

    以此款电源为例，介绍详细的测试方法：

                             表1 电源技术指标
      
                        

    5. 电源性能测试

    5.1 输入电压范围测试

               
         

    （1） 按图1所示连接好设备，使调压器输出频率在标称频率上。

    （2） 在输出满载的情况下，调节电源模块的输入交流电压幅度，从模块规定的输入交流电压的最低值（85VAC）调到最高值(264VAC)，可以测试此范围内的3到5个点，观察输出电压幅度，应符合模块规定的要求，一般要求在±5%范围内。

    （3） 在输出空载的情况下，调节电源模块的输入交流电压幅度，从模块规定的输入交流电压的最低值（85VAC）调到最高值(264VAC)，可以测试此范围内的3到5个点，观察输出电压幅度，应符合模块规定的要求，一般要求在±5%范围内。

    （4） 认真观察每次测试的结果并分别作记录。

    5.2 额定功率测试

    调节负载电阻使得待测电源模块在额定功率下连续工作48小时，在测试过程中待测电源模块工作正常，恒定输出额定电压值，测量其瞬时功率，可以通过公式计算而得：

    P=ui（输出端的瞬时电压与瞬时电流的乘积）

    5.3 输出纹波的测试

    （1） 按照设计指标，调节负载电阻使得待测电源工作在额定功率下至少1小时。

    （2） 在输出电压正常的前提下，用示波器（示波器设置在交流挡；频带宽度BW=DC~25MHz）观察电源纹波，具体接线要求如图2所示，示波器显示的波形最大峰-峰值即为该电源的纹波值。做此项测试时，观察时间至少大于1min。 

                     

  
                   
                                图3 满载时的输出纹波图

   5.4 负载调整率的测试

    （1） 按图１连接设备，调节使电源模块处于额定功率状态，经规定的预热时间后记录输出电压初始值V0。

    （2） 将输入电压恒定在额定值，调负载由产品规格书中规定的负载变化最小值到最大值变动，记录输出电压读数V0’，然后逆方向改变负载并记录电压读数V0’’,每次测量在1分钟内完成。

    （3） 负载效应计划公式：

                             

   （4） 取两组计算最大值作为负载调整率。

    （5） 如此电源的记录数据如下：
 
    输入电源为稳定220VAc

    24.64@0A

    24.38@0.4A

    24.326@1A

    24.299@1.6A

    24.255@2A

    5.5 电压调整率的测试

    （1） 调节输出负载为半载(额定负载的50%)，调节电源模块输入电压、频率标准值，测量并记录输出电压。

    （2） 调节电源模块的输入电压，缓慢增加到最大值，监视输出电压值，记录输出电压的变化情况。

    （3） 调节电源模块的输入电压，缓慢减小到最小值，监视输出电压值，记录输出电压的变化情况。

    （4） 计算出输出电压和额定输出值的差值，以最大差值和额定输出值的百分比记入测试报告。

    （5） 如此电源的记录数据如下

    负载为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 阶跃负载特性的测试

      按图1连接设备，按模块产品规格书的要求变化负载，从20%负载突变到70%负载。用示波器观察输出波形。 


           
                            图4 24V 20％负载到70％负载阶跃波形示意图

    5.7 转换效率的测试

    使电源在额定负载下稳定运行2小时后，测量电源的输入电流、电压和输出电流、电压按照下面的公式计算转换效率：
         
                  

      通常情况下，需要测试空载，20%负载，50%负载，80%负载，满载的转换效率。

    5.8  N+1并联的测试

    分别将多台同型号的电源模块并联工作（如图5所示），连接上并联后的额定负载，分别测量各电源模块输出电流有效值，根据负载计算出平均各路的电流值，比较平均电流值对比各模块的电流值，找到最大的电流差值，可以判断出各模块的均流是否正常。
    
                        

    5.9 输出过流保护的测试

    按图１连接设备，测试时可使用电子负载模拟过电流状况，观察模块输出电压和指示灯状态，以此款电源为例，当输出电流超过额定电流的105%~150%，电源开始保护。消除过载后，自动恢复正常输出。试验后模块各项功能和指标应仍能符合设计的要求。

    5.10 输出限电压保护的测试

    按图6连接设备，输出负载设定50%负载，并要针对限电压的保护方式的特点，缓慢调整外激励电压由0加到规定的动作电压范围内，观察待测电源模块的工作状态，看保护是否动作。本测试电源要求是125%~145%动作，也就是当外激励电压达到30V~34.8V时，保护开始动作。
         
           
  
    5.11 输出短路保护的测试
测试此项目，需要将输出端短路，连续测试24小时，观察待测电源模块状态。消除短路后，电源自动恢复正常。

    5.12 输出状态检测的测试

    输出状态检测信号一般有指示灯和报警输出信号。当电源模块正常工作时指示灯点亮。报警输出信号通常采用光耦输出，当电源模块正常工作时，光耦导通，给出一个导通信号。可以使用万用表的二极管档位进行测量。

    5.13 系统软启动的测试

    测试此项目时，需要将输入电压调整为额定电压，输出端负载调整为额定负载，使整个模块输出达到额定功率。用示波器观察输出端波形变化的情况，计算从接通电源后到输出电压进入合格范围内的时间。
                  
                 
                               图7 系统软启动波形图

    5.14 工作温度的测试

    按照+20℃→+30℃→+40℃→+55℃→+40℃→+30℃→+20℃→+10℃→0℃→+10℃→+20℃……的变化顺序作至少两个循环的试验。每档温度允许误差为±2℃，并应在每一档温度上保持2小时以上，使模板温升达到均匀的热稳定后，测试在每档温度下待测电源的功能和精度。试验结果应满足指标要求。

    5.15 相对湿度的测试

    将待测电源在一般试验大气条件下放置24小时，测试模板的功能和精度，确认其符合指标要求。切断电源使环境温度升到+40℃~±2℃，相对湿度达到95%~±3%(无冷凝)，保持至少48小时，在最后的4小时通电，重复测试功能和精度并记录。然后切断电源，将环境温度恢复到+20℃~±2℃，相对湿度达到60%~±3%，保持24小时后测试绝缘电阻值。确认绝缘电阻、功能和精度应符合要求。

    5.16 绝缘电阻的测试

    测试时设备应不接通电源而处于非工作状态。若有电源开关，则应位于接通位置，将输入端子全部短接，模块输出端子全部短接，使用直流兆欧表，分别在输入端、输出端、外壳之间施加直流电压进行测试。直流测试电压应选择500V，施加试验电压至少10S后进行读数，绝缘电阻值应大于20MΩ。

    5.17 绝缘耐压的测试

    测试时设备应不接通电源而处于非工作状态。若有电源开关，则应位于接通位置，将输入端子全部短接，输出端子全部短接，与外壳（或地）之间进行测试，每两者之间用耐压测试仪加1500VAC，电压应由零逐步上升到规定值，上升过程中不允许出现电压明显的瞬变。在规定的电压值上保持1分钟，在测试期间应无击穿或飞弧现象，漏电流<10mA。绝缘强度测试后，应对模块能否正常工作进行简易复测，判断模块是否有损坏。

    5.18 电磁兼容性的测试

    该项试验需在具备专业电磁环境测试条件的试验室进行，遵循标准 IEC61000-4，等级为3。试验项目如下：

    间歇波

    信号电压

    电压波动

    电压突降和中断

    浪涌

    快速瞬变脉冲群

    振铃波

    阻尼振荡波

    静电放电

    工频磁场

    阻尼震荡磁场

    辐射电磁场

    6. 结语

    工业控制系统电源测试和性能评价的研究是整个系统开发生产和维护的基础工作之一，文章从实际测试角度出发，提出了按照测试电源的基本参数、功能检查、环境适应性检查以及电磁兼容性这4大类别来测试电源性能指标的方法，并对各类别所包含的主要测试方法进行了阐述，根据产品技术指标得出一个较为完整的性能测试的框架。限于篇幅，一些具体的、细节性的指标和参数没有提及。另外，随着工业控制系统的不断发展，其性能测试的组成内容和选取方法也应动态地进行补充和完善。

    [1] 王常力，罗安. 分布式控制系统（DCS）设计与选型应用实例[C].北京：电子工业出版社，2004.

    [2] GA 267-2000 计算机信息系统雷电电磁脉冲安全防护规范[S].中华人民共和国公安部，2001.

    [3] 戴志平.开关电源工程调试技术[J].中国电力出版社，2009 ，8.

    [4] 沙占友.特种集成电源设计与应用[j]. 中国电力出版社,2007 ,1.

    [5] IEC61000-4-2:1995 ( idt GB/T 17626.2-1998)[S].

    摘自《自动化博览》2011年第七期