按照《集團(tuán)公司安全生產(chǎn)治本攻堅(jiān)三年行動實(shí)施方案（2024—2026年）》總體要求，積極研發(fā)并推廣應(yīng)用新技術(shù)、新工藝、新裝備、新手段，淘汰影響安全的生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)裝備，中國煤炭科工集團(tuán)常州研究院有限公司通力協(xié)作，對組合開關(guān)的高壓測試環(huán)節(jié)開展自動化改造。

文章來源：《智能礦山》2026年第3期“革新·改造”欄目

第一作者：吳琦，工程師，主要從事生產(chǎn)技術(shù)、工裝制作等相關(guān)工作。E-mail：76411584@qq.com

作者單位：中煤科工集團(tuán)常州研究院有限公司

引用格式：吳琦，盛曦，王飛，等.高壓自動測試平臺的研制與應(yīng)用 —— 組合開關(guān)自動測試工裝的推廣應(yīng)用 [J]. 智能礦山，2026，7（3）：45-51.

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經(jīng)過技術(shù)現(xiàn)狀調(diào)查、設(shè)定目標(biāo)、原因分析、確定主要原因、制定可行性對策、實(shí)施對策并進(jìn)行效果檢查等環(huán)節(jié)，通過研究各類自動測試技術(shù)的工作原理，合并部分測試環(huán)節(jié)，開發(fā)了自動測試平臺及上位機(jī)軟件程序，研制出組合開關(guān)自動測試平臺，實(shí)現(xiàn)QJZ2系列組合開關(guān)的耐壓一鍵測試、功能及保護(hù)試驗(yàn)自動控制、老化監(jiān)測、自動診斷，測試結(jié)果與條碼信息綁定并自動保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)記錄文件中，有效解決了高壓組合開關(guān)產(chǎn)品高壓測試時間長、人工操作復(fù)雜，存在較大的安全風(fēng)險等問題，實(shí)現(xiàn)了QJZ2系列組合開關(guān)高壓測試遠(yuǎn)程自動控制。

傳統(tǒng)測試安全風(fēng)險

組合開關(guān)產(chǎn)品的額定輸入電壓最高為3 300 V，開展耐壓性能試驗(yàn)時，試驗(yàn)電壓最高為18 kV，危險系數(shù)極高。測試人員即便嚴(yán)格落實(shí)規(guī)定防護(hù)措施、全程遵循安全管理規(guī)范開展作業(yè)，但因所有接線、插件插拔等操作完全依賴人工完成，依舊存在較大安全風(fēng)險，傳統(tǒng)測試安全風(fēng)險場景如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)測試安全風(fēng)險場景

測試組合開關(guān)產(chǎn)品時，需用到多種測試設(shè)備與儀器儀表，包括電源調(diào)壓臺、防爆電氣保護(hù)特性試驗(yàn)臺、回路電阻測試儀、電流發(fā)生器等，各類設(shè)備接線布設(shè)后，高壓測試現(xiàn)場復(fù)雜，存在安全隱患， 組合開關(guān)產(chǎn)品測試儀器儀表如圖2所示。

圖2 組合開關(guān)產(chǎn)品測試儀器儀表

組合開關(guān)產(chǎn)品的性能測試包含20個大項(xiàng)，上百個參數(shù)，長時間的頻繁操作，存在測試人員因疲勞造成誤操作發(fā)生觸電事故的風(fēng)險隱患。因此，開發(fā)可實(shí)現(xiàn)高壓測試遠(yuǎn)程自動控制的自動測試平臺是解決上述安全風(fēng)險的有效措施。

高壓自動測試平臺開發(fā)技術(shù)性指標(biāo)

基于工業(yè)以太網(wǎng)+CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)高壓測試遠(yuǎn)程控制，支持權(quán)限分級管理； 具備通用性，相同主回路開關(guān)采用標(biāo)準(zhǔn)化治具（含可配置探針矩陣）完成測試； 自動化程度高，僅治具裝卸及機(jī)械閉鎖需人工介入，其余流程全自動化閉環(huán)， 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意如圖3所示。

圖3 測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意

2.1 硬件要求

硬件系統(tǒng)核心實(shí)現(xiàn)測試指令下發(fā)、響應(yīng)信號采集（采樣率≥100 kHz）及通道高速切換，滿足以下要求。

（1）基本要求

程控要求：配置設(shè)備支持SCPI指令集，實(shí)現(xiàn)參數(shù)遠(yuǎn)程程控與校準(zhǔn)，同步誤差≤ 1 ms。

模塊化要求：采用CPCIe架構(gòu)，模塊間通過背板總線（速率≥1 Gbit/s）交互，支持熱插拔擴(kuò)展。

量程、容量要求：CPU主頻≥3.0 GHz、內(nèi)存≥16 GB、SSD≥1 TB；儀器精度≤±0.1%FSR，滿足被測件全量程覆蓋。

（4）信號類型及通道要求：支持RS485（Modbus-RTU，波特率1 20~115 200 bit/s）、RS232、USB3.0、CAN 2.0B及千兆網(wǎng)口；通過RS485控制電源臺，實(shí)現(xiàn)±1%精度的升降壓及停送電。

故障自診斷要求：集成回路阻抗檢測與通道連通性診斷，故障定位精度≤1個模塊，支持診斷日志導(dǎo)出。

（2）接口要求

采用IEC61076標(biāo)準(zhǔn)防呆連接器，工裝接口帶鎖緊機(jī)構(gòu)，接觸電阻≤50 mΩ。

（3）結(jié)構(gòu)要求

耐壓/性能測試均采用機(jī)柜式設(shè)計(jì)，電氣間隙≥12 mm（GB/T 16935.1）；耐壓機(jī)柜高1.4 m（IP23），性能機(jī)柜高1.8 m（IP32）。

機(jī)柜配備承重≥500 kg帶剎車萬向輪，水平調(diào)節(jié)精度±0.5 mm/m；表面印制定制標(biāo)識及LOGO，采用抗刮耐磨涂層。

優(yōu)化人機(jī)工程設(shè)計(jì)，集成強(qiáng)制風(fēng)冷（溫升≤30 K），支持模塊化拆卸，重心偏移≤5%機(jī)柜寬度。

耐壓平臺采用10 kV級環(huán)氧絕緣臺面，高度750±50 mm（GB/T 14774），掃描槍及顯示器符合人體工學(xué)。

配置急停按鈕（響應(yīng)≤10 ms）、30 mA漏電保護(hù)器，三色LED警示燈（紅/黃/綠對應(yīng)故障/待機(jī)/運(yùn)行）。

2.2 軟件系統(tǒng)環(huán)境要求

軟件實(shí)現(xiàn)參數(shù)配置、儀器管控、數(shù)據(jù)采集、結(jié)果判定及報(bào)告生成，核心要求包括以下2個方面。

運(yùn)行平臺要求：基于Windows10，通過FTP+MQTT雙協(xié)議冗余上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器。

設(shè)計(jì)要求：采用LabVIEW NXG模塊化開發(fā)，包含測試管理、用戶管理、系統(tǒng)管理、故障診斷、流程配置及報(bào)表模塊，模塊間響應(yīng)時延≤200 ms。

2.3 軟件功能設(shè)計(jì)要求

高壓自動測試平臺的軟件功能設(shè)計(jì)要求主要包括以下3個方面，組態(tài)化設(shè)計(jì)，響應(yīng)≤500 ms；背景色RGB（240，240，240），警示色符合GB 2893，含操作引導(dǎo)及安全鎖止邏輯，系統(tǒng)軟件的操作流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件的操作流程

人機(jī)界面：組態(tài)化設(shè)計(jì)，響應(yīng)≤500 ms；背景色RGB（240，240，240），警示色符合GB 2893，含操作引導(dǎo)及安全鎖止邏輯。

產(chǎn)品適配：支持QJZ2全系列，參數(shù)符合GB/T 14048.1，實(shí)現(xiàn)測試全覆蓋。

智能制造拓展：預(yù)留OPC UA接口對接MES，支持設(shè)備狀態(tài)實(shí)時上傳（時延≤1 s）采用插件化架構(gòu)，預(yù)留測試通道及參數(shù)配置接口，兼容QJZ3等后續(xù)型號；支在線升級，適配智能工廠人機(jī)交互安全標(biāo)準(zhǔn)。

高壓自動測試系統(tǒng)及軟件指標(biāo)

3.1 系統(tǒng)配置

電源電壓AV380 V/50 Hz/3 ?（波動±10%），總?cè)萘?0 kVA（功率因數(shù)≥0.9）；通信接口含RS485（Modbus-RTU）、RS232、CAN 2.0B、千兆網(wǎng)口；測試QJZ2系列整機(jī)，基于LabVIEW 2023開發(fā)界面，集成NI-DAQmx驅(qū)動。采用≥200 A交流接觸器切換電流回路，≤5 ms響應(yīng)繼電器切換測控點(diǎn)位；主回路用GB/T 19582快速連接器，控制回路用≥50 N吸附力磁吸連接器。通過RS485配置被測件參數(shù)，CAN協(xié)議遠(yuǎn)程控制程控設(shè)備，WiFi 802.11ac上傳數(shù)據(jù)（速率≥100 Mbit/s）。

3.2 系統(tǒng)功能

（1）預(yù)接點(diǎn)位后，一鍵啟動耐壓測試（0～10 kV可調(diào)，升壓速率1～10 kV/s）。

（2）通過RS485總線獨(dú)立控制6套電源臺，±1%精度升降壓，10 Hz頻率采集數(shù)據(jù)。

（3）參數(shù)預(yù)存于SQLite數(shù)據(jù)庫，掃碼槍（識別精度≥0.1 mm）確認(rèn)型號后一鍵調(diào)用配置。

（4）自動完成快速試驗(yàn)（脈沖10～100 ms）、漏電（0～100 mA恒流）、短路（固態(tài)繼電器觸發(fā)）及絕緣（1 MΩ～10 GΩ）試驗(yàn)。

（5）漏電閉鎖/解鎖試驗(yàn)自動化，交流阻抗法測絕緣電阻（精度±2%），超差報(bào)警。

（6）鎢鋼頂針+磁吸治具引出九芯盤線路，自動完成先導(dǎo)測試、觸點(diǎn)通斷及網(wǎng)口速率檢測。

（7）輔助電源試驗(yàn)：0～220 V可編程電源供電，測試漏電閉鎖/保護(hù)及過載（0.1～1 A/s加載）。

（8）電流校準(zhǔn)（±0.05%FSR標(biāo)準(zhǔn)源）及過載/短路/缺相試驗(yàn)；通過差分放大器（輸入阻抗≥100 MΩ）測電壓差，計(jì)算回路電阻并判定。

（9）控制電源臺完成主回路測試、1.1倍額定電壓8 h老化試驗(yàn)，同步監(jiān)測器件溫度（-20～150 ℃，精度±0.5 ℃）。

（10）自動生成帶數(shù)字簽名的PDF報(bào)告（含人員、時間、數(shù)據(jù)），F(xiàn)TP上傳成功率≥99.9%。

（11）通過OPC UA接口無縫對接MES系統(tǒng)。

高壓自動測試系統(tǒng)研制過程

4.1 硬件選型與組裝

依據(jù)硬件技術(shù)指標(biāo)開展核心器件選型工作，重點(diǎn)核查器件參數(shù)的符合性與穩(wěn)定性。CPU選用主頻3.2 GHz的工業(yè)級處理器，搭配16 GB DDR4內(nèi)存及1 TB SSD固態(tài)硬盤，確保系統(tǒng)運(yùn)算與存儲能力達(dá)標(biāo)；采用支持SCPI指令集的程控電源、高精度數(shù)據(jù)采集卡等設(shè)備，其儀器精度控制在±0.08%FSR，優(yōu)于預(yù)設(shè)的±0.1%FSR標(biāo)準(zhǔn)。接口器件統(tǒng)一采用IEC 61076標(biāo)準(zhǔn)防呆連接器，主回路選用GB/T 19582快速連接器，控制回路配備吸附力60 N的磁吸連接器，經(jīng)檢測接觸電阻均≤45 mΩ，滿足接觸電阻≤50 mΩ的要求。

機(jī)柜制作嚴(yán)格遵循結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，耐壓與性能測試機(jī)柜分別按1.4 m（IP23）和1.8 m（IP32）高度加工，內(nèi)部布局充分保障電氣間隙≥12 mm，符合GB/T 16935.1標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)柜底部安裝承重500 kg的帶剎車萬向輪，調(diào)節(jié)水平精度至±0.3 mm/m；表面噴涂抗刮耐磨涂層并印制定制標(biāo)識，集成強(qiáng)制風(fēng)冷系統(tǒng)，實(shí)測溫升≤28 K。耐壓平臺裝配10 kV級環(huán)氧絕緣臺面，調(diào)整高度至750 mm標(biāo)準(zhǔn)值，同步安裝響應(yīng)時間8 ms的急停按鈕、30 mA漏電保護(hù)器及三色LED警示燈，構(gòu)建完整的硬件安全防護(hù)體系。最后完成CPCIe架構(gòu)模塊組裝，通過背板總線實(shí)現(xiàn)模塊間1 Gbit/s速率交互，所有硬件組裝完成后進(jìn)行通電前的絕緣電阻檢測與外觀核查，硬件選型與組裝如圖5所示。

圖5 硬件選型與組裝

4.2 軟件開發(fā)與調(diào)試

軟件開發(fā)基于Windows 10系統(tǒng)與LabVIEW 2023平臺，采用LabVIEW NXG模塊化架構(gòu)搭建程序框架，劃分測試管理、用戶管理、系統(tǒng)管理、故障診斷、流程配置及報(bào)表6大核心模塊。測試管理模塊嵌入SQLite數(shù)據(jù)庫，預(yù)存QJZ2全系列產(chǎn)品測試參數(shù)，開發(fā)條碼識別接口，實(shí)現(xiàn)掃碼槍（識別精度0.08 mm）精準(zhǔn)調(diào)用對應(yīng)參數(shù)；用戶管理模塊設(shè)置3級權(quán)限分級機(jī)制，不同權(quán)限用戶對應(yīng)不同操作范圍，保障系統(tǒng)操作安全。

重點(diǎn)開發(fā)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)交互功能，基于工業(yè)以太網(wǎng)+CANopen協(xié)議實(shí)現(xiàn)測試指令遠(yuǎn)程下發(fā)，通過RS485（Modbus-RTU）總線控制電源臺，實(shí)現(xiàn)±0.8%精度的升降壓及停送電控制，優(yōu)于±1%的精度要求；集成FTP+MQTT雙協(xié)議冗余上傳模塊，確保數(shù)據(jù)上傳延遲≤0.8 s。人機(jī)界面按組態(tài)化要求設(shè)計(jì)，背景色設(shè)置為RGB（240，240，240），警示色嚴(yán)格遵循GB 2893標(biāo)準(zhǔn)，添加操作引導(dǎo)彈窗與安全鎖止邏輯，界面響應(yīng)時間實(shí)測≤450 ms。

軟件調(diào)試分模塊開展，先獨(dú)立測試各模塊功能，修復(fù)參數(shù)調(diào)用異常、權(quán)限管控失效等問題；再聯(lián)調(diào)模塊，優(yōu)化模塊間數(shù)據(jù)交互邏輯，將模塊間響應(yīng)時延控制在≤180 ms；最后調(diào)試故障診斷功能，通過模擬回路故障、通道異常等場景，驗(yàn)證系統(tǒng)故障定位精度均≤1個模塊，診斷日志導(dǎo)出功能正常，組合開關(guān)自動測試系統(tǒng)界面如圖6所示。

圖6 組合開關(guān)自動測試系統(tǒng)界面

4.3 系統(tǒng)集成與聯(lián)調(diào)

硬件與軟件的獨(dú)立調(diào)試后，開展系統(tǒng)集成工作。將軟件程序安裝至工業(yè)控制主機(jī)，完成與數(shù)據(jù)采集卡、程控電源、掃碼槍等硬件設(shè)備的驅(qū)動適配，通過CAN協(xié)議實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制程控設(shè)備，借助WiFi 802.11ac實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳（速率實(shí)測≥110 Mbit/s）。安裝標(biāo)準(zhǔn)化治具（含可配置探針矩陣），采用鎢鋼頂針+磁吸治具引出九芯盤線路，完成測試平臺與QJZ2系列組合開關(guān)的精準(zhǔn)對接，確保治具裝卸便捷且連接穩(wěn)定，系統(tǒng)聯(lián)調(diào)包括以下3個步驟。

（1）空載調(diào)試：驗(yàn)證高壓測試回路無短路、漏電問題，遠(yuǎn)程控制指令響應(yīng)正常。

（2）模擬負(fù)載測試：對耐壓測試（0～10 kV可調(diào)，升壓速率1～10 kV/s）、漏電試驗(yàn)（0～100 mA恒流）等核心功能進(jìn)行測試，優(yōu)化測試參數(shù)與流程邏輯。

（3）樣機(jī)實(shí)測調(diào)試：選取3臺不同型號的QJZ2系列組合開關(guān)進(jìn)行全流程測試，重點(diǎn)驗(yàn)證測試精度、數(shù)據(jù)記錄完整性及報(bào)告生成準(zhǔn)確性。針對聯(lián)調(diào)中發(fā)現(xiàn)的老化試驗(yàn)溫度監(jiān)測偏差問題，優(yōu)化溫度傳感器安裝位置，將監(jiān)測精度提升至±0.4 ℃；解決部分測試步驟銜接卡頓問題，通過優(yōu)化程序代碼使測試流程更加順暢，實(shí)現(xiàn)僅治具裝卸及機(jī)械閉鎖需人工介入，其余流程全自動化閉環(huán)。

高壓自動測試系統(tǒng)應(yīng)用成效

5.1 本質(zhì)安全

高壓組合開關(guān)的絕緣耐壓測試需施加18 kV 試驗(yàn)電壓，電氣性能測試需覆蓋 660～3 300 V的三相交流電壓區(qū)間。人工測試模式下，操作人員需近距離接觸高壓測試回路，極易引發(fā)電弧放電、觸電等安全事故，存在安全隱患。采用自動測試平臺后，測試人員僅需在通電前通過快接治具，完成測試平臺與待測產(chǎn)品的精準(zhǔn)對接，隨后撤離高壓通電區(qū)域，由系統(tǒng)全程遠(yuǎn)程操控測試流程，規(guī)避人為操作風(fēng)險，實(shí)現(xiàn)了該測試環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全，對策實(shí)施前后對比如圖7所示，組合開關(guān)調(diào)試區(qū)域完全隔離如圖8所示。

圖7 對策實(shí)施前后對比

圖8 組合開關(guān)調(diào)試區(qū)域完全隔離

5.2 自動測試

自動測試平臺操作簡單，實(shí)現(xiàn)了18項(xiàng)測試步驟、數(shù)百個測試參數(shù)的自動測試，避免測試人員因疲勞造成誤操作而發(fā)生觸電事故，自動測試時測試系統(tǒng)界面如圖9所示。

圖9 自動測試時測試系統(tǒng)界面

5.3 經(jīng)濟(jì)效益

高壓組合開關(guān)自動測試平臺，可省去人工測試模式下重復(fù)接拆線、頻繁切換測試設(shè)備等冗余操作，縮減測試準(zhǔn)備階段的工時；平臺通過內(nèi)置程序，整合與優(yōu)化測試流程，刪減無效等待步驟，進(jìn)一步壓縮整體測試周期，對策實(shí)施前后及目標(biāo)測試時間對比如圖10所示。

圖10 對策實(shí)施前后及目標(biāo)測試時間對比

經(jīng)統(tǒng)計(jì)核算，自動測試模式相較人工測試平均工時節(jié)省 45%，遠(yuǎn)超原定25% 的優(yōu)化目標(biāo)，技術(shù)改進(jìn)成效顯著。產(chǎn)能釋放效應(yīng)凸顯，設(shè)備年產(chǎn)量可由原來的100臺提升至182臺，基于單臺設(shè)備測試成本與產(chǎn)能增益測算，每年僅測試工序可創(chuàng)造直接生產(chǎn)效益約23.5萬元。

結(jié) 語

依托長期生產(chǎn)實(shí)踐積累的安全生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，聚焦高壓測試環(huán)節(jié)的痛點(diǎn)問題開展技術(shù)攻關(guān)，成功開發(fā)出組合開關(guān)自動測試平臺。在平臺研發(fā)與應(yīng)用過程中，深入探索高壓電氣設(shè)備自動測試技術(shù)路徑，通過 “人機(jī)隔離、遠(yuǎn)程管控”的模式創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了組合開關(guān)高壓測試環(huán)節(jié)的本質(zhì)安全。該技術(shù)革新為企業(yè)安全生產(chǎn)筑牢防護(hù)屏障，積累了自動化、智能化技術(shù)賦能工業(yè)生產(chǎn)安全的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為同類高壓測試場景的技術(shù)升級提供了可借鑒的參考范例。

編輯丨李莎

審核丨趙瑞

煤炭科學(xué)研究總院期刊中心擁有科技期刊21種。其中，SCI收錄1種，Ei收錄5種、CSCD收錄6種、Scopus收錄8種、中文核心期刊9種、中國科技核心期刊11種、中國科技期刊卓越行動計(jì)劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學(xué)術(shù)交流陣地，也是行業(yè)最大最權(quán)威的期刊集群。

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《智能礦山》（月刊，CN 10-1709/TN，ISSN 2096-9139）是由中國煤炭科工集團(tuán)有限公司主管、煤炭科學(xué)研究總院有限公司主辦的聚焦礦山智能化領(lǐng)域產(chǎn)學(xué)研用新進(jìn)展的綜合性技術(shù)刊物。

主編：王國法院士

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