省時45%、產(chǎn)能提升82%：中國煤科常州研究院高壓組合開關自動測試平臺硬核上線

2026年04月22日 16:05 智能礦山雜志責編：鐵甲小編作者：智能礦山雜志

按照《集團公司安全生產(chǎn)治本攻堅三年行動實施方案（2024—2026年）》總體要求，積極研發(fā)并推廣應用新技術、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，中國煤炭科工集團常州研究院有限公司通力協(xié)作，對組合開關的高壓測試環(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、工裝制作等相關工作。E-mail：76411584@qq.com

作者單位：中煤科工集團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用 —— 組合開關自動測試工裝的推廣應用 [J]. 智能礦山，2026，7（3）：45-51.

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經(jīng)過技術現(xiàn)狀調查、設定目標、原因分析、確定主要原因、制定可行性對策、實施對策并進行效果檢查等環(huán)節(jié)，通過研究各類自動測試技術的工作原理，合并部分測試環(huán)節(jié)，開發(fā)了自動測試平臺及上位機軟件程序，研制出組合開關自動測試平臺，實現(xiàn)QJZ2系列組合開關的耐壓一鍵測試、功能及保護試驗自動控制、老化監(jiān)測、自動診斷，測試結果與條碼信息綁定并自動保存到相應的數(shù)據(jù)記錄文件中，有效解決了高壓組合開關產(chǎn)品高壓測試時間長、人工操作復雜，存在較大的安全風險等問題，實現(xiàn)了QJZ2系列組合開關高壓測試遠程自動控制。

傳統(tǒng)測試安全風險

組合開關產(chǎn)品的額定輸入電壓最高為3 300 V，開展耐壓性能試驗時，試驗電壓最高為18 kV，危險系數(shù)極高。測試人員即便嚴格落實規(guī)定防護措施、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險，傳統(tǒng)測試安全風險場景如圖1所示。

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圖1 傳統(tǒng)測試安全風險場景

測試組合開關產(chǎn)品時，需用到多種測試設備與儀器儀表，包括電源調壓臺、防爆電氣保護特性試驗臺、回路電阻測試儀、電流發(fā)生器等，各類設備接線布設后，高壓測試現(xiàn)場復雜，存在安全隱患，組合開關產(chǎn)品測試儀器儀表如圖2所示。

圖2 組合開關產(chǎn)品測試儀器儀表

組合開關產(chǎn)品的性能測試包含20個大項，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)生觸電事故的風險隱患。因此，開發(fā)可實現(xiàn)高壓測試遠程自動控制的自動測試平臺是解決上述安全風險的有效措施。

高壓自動測試平臺開發(fā)技術性指標

基于工業(yè)以太網(wǎng)+CANopen協(xié)議實現(xiàn)高壓測試遠程控制，支持權限分級管理；具備通用性，相同主回路開關采用標準化治具（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)結構示意如圖3所示。

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圖3 測試系統(tǒng)結構示意

2.1 硬件要求

硬件系統(tǒng)核心實現(xiàn)測試指令下發(fā)、響應信號采集（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：配置設備支持SCPI指令集，實現(xiàn)參數(shù)遠程程控與校準，同步誤差≤ 1 ms。

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

量程、容量要求：CPU主頻≥3.0 GHz、內存≥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，支持診斷日志導出。

（2）接口要求

采用IEC61076標準防呆連接器，工裝接口帶鎖緊機構，接觸電阻≤50 mΩ。

（3）結構要求

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

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

優(yōu)化人機工程設計，集成強制風冷（溫升≤30 K），支持模塊化拆卸，重心偏移≤5%機柜寬度。

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。

配置急停按鈕（響應≤10 ms）、30 mA漏電保護器，三色LED警示燈（紅/黃/綠對應故障/待機/運行）。

2.2 軟件系統(tǒng)環(huán)境要求

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

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

設計要求：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、流程配置及報表模塊，模塊間響應時延≤200 ms。

2.3 軟件功能設計要求

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

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圖4 系統(tǒng)軟件的操作流程

人機界面：組態(tài)化設計，響應≤500 ms；背景色RGB（240，240，240），警示色符合GB 2893，含操作引導及安全鎖止邏輯。

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

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

高壓自動測試系統(tǒng)及軟件指標

3.1 系統(tǒng)配置

電源電壓AV380 V/50 Hz/3 ?（波動±10%），總容量40 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，基于LabVIEW 2023開發(fā)界面，集成NI-DAQmx驅動。采用≥200 A交流接觸器切換電流回路，≤5 ms響應繼電器切換測控點位；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)議遠程控制程控設備，WiFi 802.11ac上傳數(shù)據(jù)（速率≥100 Mbit/s）。

3.2 系統(tǒng)功能

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

（2）通過RS485總線獨立控制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)預存于SQLite數(shù)據(jù)庫，掃碼槍（識別精度≥0.1 mm）確認型號后一鍵調用配置。

（4）自動完成快速試驗（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。

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

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

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

（8）電流校準（±0.05%FSR標準源）及過載/短路/缺相試驗；通過差分放大器（輸入阻抗≥100 MΩ）測電壓差，計算回路電阻并判定。

（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，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)硬件技術指標開展核心器件選型工作，重點核查器件參數(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內存及1 TB SSD固態(tài)硬盤，確保系統(tǒng)運算與存儲能力達標；采用支持SCPI指令集的程控電源、高精度數(shù)據(jù)采集卡等設備，其儀器精度控制在±0.08%FSR，優(yōu)于預設的±0.1%FSR標準。接口器件統(tǒng)一采用IEC 61076標準防呆連接器，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。

機柜制作嚴格遵循結構設計規(guī)范，耐壓與性能測試機柜分別按1.4 m（IP23）和1.8 m（IP32）高度加工，內部布局充分保障電氣間隙≥12 mm，符合GB/T 16935.1標準。機柜底部安裝承重500 kg的帶剎車萬向輪，調節(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識，集成強制風冷系統(tǒng)，實測溫升≤28 K。耐壓平臺裝配10 kV級環(huán)氧絕緣臺面，調整高度至750 mm標準值，同步安裝響應時間8 ms的急停按鈕、30 mA漏電保護器及三色LED警示燈，構建完整的硬件安全防護體系。最后完成CPCIe架構模塊組裝，通過背板總線實現(xiàn)模塊間1 Gbit/s速率交互，所有硬件組裝完成后進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。

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圖5 硬件選型與組裝

4.2 軟件開發(fā)與調試

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、流程配置及報表6大核心模塊。測試管理模塊嵌入SQLite數(shù)據(jù)庫，預存QJZ2全系列產(chǎn)品測試參數(shù)，開發(fā)條碼識別接口，實現(xiàn)掃碼槍（識別精度0.08 mm）精準調用對應參數(shù)；用戶管理模塊設置3級權限分級機制，不同權限用戶對應不同操作范圍，保障系統(tǒng)操作安全。

重點開發(fā)遠程控制與數(shù)據(jù)交互功能，基于工業(yè)以太網(wǎng)+CANopen協(xié)議實現(xiàn)測試指令遠程下發(fā)，通過RS485（Modbus-RTU）總線控制電源臺，實現(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。人機界面按組態(tài)化要求設計，背景色設置為RGB（240，240，240），警示色嚴格遵循GB 2893標準，添加操作引導彈窗與安全鎖止邏輯，界面響應時間實測≤450 ms。

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

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圖6 組合開關自動測試系統(tǒng)界面

4.3 系統(tǒng)集成與聯(lián)調

硬件與軟件的獨立調試后，開展系統(tǒng)集成工作。將軟件程序安裝至工業(yè)控制主機，完成與數(shù)據(jù)采集卡、程控電源、掃碼槍等硬件設備的驅動適配，通過CAN協(xié)議實現(xiàn)遠程控制程控設備，借助WiFi 802.11ac實現(xiàn)數(shù)據(jù)上傳（速率實測≥110 Mbit/s）。安裝標準化治具（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系列組合開關的精準對接，確保治具裝卸便捷且連接穩(wěn)定，系統(tǒng)聯(lián)調包括以下3個步驟。

（1）空載調試：驗證高壓測試回路無短路、漏電問題，遠程控制指令響應正常。

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

（3）樣機實測調試：選取3臺不同型號的QJZ2系列組合開關進行全流程測試，重點驗證測試精度、數(shù)據(jù)記錄完整性及報告生成準確性。針對聯(lián)調中發(fā)現(xiàn)的老化試驗溫度監(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，實現(xiàn)僅治具裝卸及機械閉鎖需人工介入，其余流程全自動化閉環(huán)。

高壓自動測試系統(tǒng)應用成效

5.1 本質安全

高壓組合開關的絕緣耐壓測試需施加18 kV 試驗電壓，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)品的精準對接，隨后撤離高壓通電區(qū)域，由系統(tǒng)全程遠程操控測試流程，規(guī)避人為操作風險，實現(xiàn)了該測試環(huán)節(jié)的本質安全，對策實施前后對比如圖7所示，組合開關調試區(qū)域完全隔離如圖8所示。

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圖7 對策實施前后對比

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圖8 組合開關調試區(qū)域完全隔離

5.2 自動測試

自動測試平臺操作簡單，實現(xiàn)了18項測試步驟、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。

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圖9 自動測試時測試系統(tǒng)界面

5.3 經(jīng)濟效益

高壓組合開關自動測試平臺，可省去人工測試模式下重復接拆線、頻繁切換測試設備等冗余操作，縮減測試準備階段的工時；平臺通過內置程序，整合與優(yōu)化測試流程，刪減無效等待步驟，進一步壓縮整體測試周期，對策實施前后及目標測試時間對比如圖10所示。

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圖10 對策實施前后及目標測試時間對比

經(jīng)統(tǒng)計核算，自動測試模式相較人工測試平均工時節(jié)省 45%，遠超原定25% 的優(yōu)化目標，技術改進成效顯著。產(chǎn)能釋放效應凸顯，設備年產(chǎn)量可由原來的100臺提升至182臺，基于單臺設備測試成本與產(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。

結語

依托長期生產(chǎn)實踐積累的安全生產(chǎn)經(jīng)驗，聚焦高壓測試環(huán)節(jié)的痛點問題開展技術攻關，成功開發(fā)出組合開關自動測試平臺。在平臺研發(fā)與應用過程中，深入探索高壓電氣設備自動測試技術路徑，通過 “人機隔離、遠程管控”的模式創(chuàng)新，實現(xiàn)了組合開關高壓測試環(huán)節(jié)的本質安全。該技術革新為企業(yè)安全生產(chǎn)筑牢防護屏障，積累了自動化、智能化技術賦能工業(yè)生產(chǎn)安全的實踐經(jīng)驗，為同類高壓測試場景的技術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劃入選期刊4種，是煤炭行業(yè)最重要的科技窗口與學術交流陣地，也是行業(yè)最大最權威的期刊集群。

期刊簡介

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

主編：王國法院士

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期刊成果：創(chuàng)刊5年來，策劃出版了“中國煤科煤礦智能化成果”“陜煤集團智能化建設成果”“聚焦煤炭工業(yè)‘十四五’高質量發(fā)展”等特刊/專題30多期。主辦“煤礦智能化重大進展發(fā)布會”“煤炭清潔高效利用先進成果發(fā)布會”“《智能礦山》理事、特約編輯年會暨智能化建設論壇”“智能礦山零距離”“礦山智能化建設運維與技術創(chuàng)新高新研修班”等活動20余次。組建了理事會、特約編輯團隊、卓越人物等千余人產(chǎn)學研用高端協(xié)同辦刊團隊，打造了“刊-網(wǎng)-號-群-庫”全覆蓋的1+N全媒體傳播平臺，全方位發(fā)布礦山智能化領域新技術、新產(chǎn)品、新經(jīng)驗。

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