礦用本安直流電源自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

李曼　王啟亮　段雍　杜雪峰

摘? 要： 針對(duì)礦用本安電源性能檢測(cè)手段效率低、數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜功能實(shí)現(xiàn)能力有限等問題，采用虛擬儀器技術(shù)，開發(fā)礦用本安直流電源自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。研究確定了本安電源的輸入輸出性能、限壓過壓和限流過流保護(hù)、備用電源特性等性能參數(shù)的測(cè)量方法，構(gòu)建了由程控交流電源、PXI主機(jī)、數(shù)字示波器、電子負(fù)載等組成的電源測(cè)試系統(tǒng)硬件平臺(tái)。以LabVIEW為開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了電源測(cè)試系統(tǒng)的控制和測(cè)量軟件。由LabVIEW中的VISA功能與儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（SCPI）聯(lián)合實(shí)現(xiàn)數(shù)字示波器和電子負(fù)載等分離儀器的控制。系統(tǒng)功能測(cè)試實(shí)驗(yàn)與測(cè)量精度分析表明，所提系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了程控交流供電、測(cè)試信號(hào)讀取、加載等功能;電壓測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為0.41 V，最大相對(duì)誤差為2.6%。

關(guān)鍵詞： 本安電源; 自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng); 系統(tǒng)設(shè)計(jì); 參數(shù)測(cè)量; 平臺(tái)構(gòu)建; 功能測(cè)試

中圖分類號(hào)： TN86?34; TD67? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）20?0135?06

Mining intrinsically safe DC power supply automatic test system

LI Man， WANG Qiliang， DUAN Yong， DU Xuefeng

（College of Mechanical Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： In allusion to the low efficiency of the performance detection method and the limited ability of data processing and complex function realization of the mining intrinsically safe power supply， a mining intrinsically safe DC power supply automatic test system is developed by means of the virtual instrument technology. The performance parameter measuring methods of the input and output performance， voltage?limiting over?voltage and current?limiting over current protection and backup power feature of the intrinsically safe power supply are determined. In the power testing system， the hardware platform composed of program?controlled AC power supply， PXI host， digital oscilloscope and electronic load is constructed. The control and measurement software of power supply test system is developed by taking LabVIEW as development platform. The control of separation instruments such as digital oscilloscope and electronic load is realized by combining VISA function in LabVIEW with standard command for programmable instrument （SCPI）. The system function test experiment and measurement precision analysis show that the proposed system can realize program control AC power supply， test signal reading， loading and other functions. The maximum absolute error of voltage measurement is 0.41V and the maximum relative error is 2.6%.

Keywords： intrinsically safe power supply; automatic test system; system design; parameter measurement; platform construction; functional test

0? 引? 言

礦用本質(zhì)安全型直流電源（本安電源）是井下電子設(shè)備最為廣泛采用的電力供應(yīng)裝置，主要用于各種儀表、傳感器、控制器、安全監(jiān)控、人員定位等裝置的供電[1]。作為電子設(shè)備的動(dòng)力源，本安電源的性能直接影響用電設(shè)備的穩(wěn)定性、可靠性與準(zhǔn)確性，也關(guān)系到整個(gè)礦井的生產(chǎn)安全[2?3]。

隨著煤礦生產(chǎn)自動(dòng)化、智能化水平的提高，井下電子設(shè)備與日俱增，在本安電源需求量增加的同時(shí)，對(duì)其性能也提出了更高的要求[4]。我國(guó)的電源生產(chǎn)企業(yè)中，尤其中小企業(yè)，出于生產(chǎn)成本的考慮，一般仍采用傳統(tǒng)的人工檢測(cè)方法，這種測(cè)量方法不僅效率低、精度差，且人為因素易造成對(duì)產(chǎn)品的誤判[5]。國(guó)外研制的電源自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，如美國(guó)Agilent公司的PMT2000系列電源模塊測(cè)試系統(tǒng)、美國(guó)Autotest公司的UTS系列電源自動(dòng)化測(cè)試系統(tǒng)等[6]，但價(jià)格比較昂貴。國(guó)內(nèi)針對(duì)本安電源性能測(cè)試系統(tǒng)的研究較少，文獻(xiàn)[7?8]討論了本安直流電源老化測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，但對(duì)電源的其他電性能沒有做進(jìn)一步研究; 文獻(xiàn)[9]討論了直流電源的性能測(cè)試及優(yōu)化，但測(cè)試過程采用了大量的手動(dòng)控制，自動(dòng)化程度不高;文獻(xiàn)[10?12]利用虛擬儀器技術(shù)設(shè)計(jì)了電源自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，但主要是針對(duì)通用直流電源和航空直流電源的性能檢測(cè)。

基于以上原因，本文以文獻(xiàn)[13?15]對(duì)礦用本安直流電源測(cè)量要求為依據(jù)，采用虛擬儀器技術(shù)，研究開發(fā)了電源性能自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了本安電源性能的集成自動(dòng)測(cè)試，與傳統(tǒng)手動(dòng)檢測(cè)相比具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、自動(dòng)化程度高、使用方便等優(yōu)點(diǎn)。

1? 系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)和方法

1.1? 電源輸入/輸出性能

輸入/輸出性能是指電源輸入在允許的波動(dòng)范圍內(nèi)波動(dòng)對(duì)電源輸出產(chǎn)生的影響。目前使用較多礦用本安直流電源主要為輸入36 V，220 V，380 V，1 140 V等[16]，輸出為15 V，18 V，24 V等[8]。直流電源在煤礦中使用的場(chǎng)所不同、電源等級(jí)不同，電源適應(yīng)波動(dòng)范圍要求也不同。井底車場(chǎng)、主運(yùn)輸巷要求為額定輸入電壓的80%～110%;其他井下場(chǎng)所為75%～110%;地面為90%～110%，85%～110%，80%～110%。電源輸入輸出性能由輸出電壓偏離值R描述。測(cè)試時(shí)選取電源輸入的最小值、額定值、最大值分別給被測(cè)電源供電，在負(fù)載不變的情況下（取空載和滿載兩種情況），測(cè)量輸出電壓[Uo1]，并由式（1）計(jì)算輸出電壓偏離值。按照文獻(xiàn)[14?15]的有關(guān)規(guī)定，要求偏離值不超過額定值的5%。

[R=|Uo1-U0|U0] （1）

式中：[U0]為電源輸出額定值;[Uo1]為輸出電壓測(cè)量值。

1.2? 瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試

直流電源的瞬態(tài)響應(yīng)可分為源瞬態(tài)響應(yīng)和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。一般用恢復(fù)時(shí)間TR和最大輸出電壓偏差Vm作為其優(yōu)劣判斷的技術(shù)指標(biāo)。瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間是指交流電源或負(fù)載電流發(fā)生階躍變化時(shí)，輸出電壓[U]最終回到允許誤差帶（[U±ΔU]）以內(nèi)的時(shí)間。允許誤差帶是指電源允許輸出電壓的上下限值，由產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)具體規(guī)定。源瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試激勵(lì)和響應(yīng)變化過程如圖1所示。負(fù)載電流為額定值，交流源電壓從規(guī)定的最小值Umin→額定值Ue→最大值Umax→額定值Ue→最小值Umin進(jìn)行階躍變化（階躍時(shí)間為Tr），分別測(cè)出最大輸出電壓偏差Vm和瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間TR。負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試激勵(lì)和響應(yīng)變化過程如圖2所示，交流電源以額定輸入電壓向被測(cè)直流電源供電，負(fù)載電流從空載→滿載→空載變化時(shí)（階躍時(shí)間為Tr），文獻(xiàn)[13]要求最大輸出電壓偏差Vm不超過額定電壓的2%，以及電壓瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間TR≤1 ms，Tr≤[110]TR。

1.3? 源效應(yīng)和負(fù)載效應(yīng)

源效應(yīng)是指僅有輸入量的變化引起輸出穩(wěn)定量的變化，反應(yīng)電源對(duì)輸入電壓變化的適應(yīng)能力。源效應(yīng)測(cè)試激勵(lì)和響應(yīng)變化如圖3所示，分別在空載和滿載情況下，源電壓從規(guī)定的最小值Umin→額定值Ue→最大值Umax→額定值Ue→最小值Umin進(jìn)行階躍變化，在5TR～ 5TR+10 s中測(cè)量穩(wěn)定輸出電壓[Uo2]，TR為電壓瞬態(tài)恢復(fù)時(shí)間，由式（2）計(jì)算得源效應(yīng)[ΔU1]。負(fù)載效應(yīng)是指僅有負(fù)載變化而引起輸出穩(wěn)定量的變化，反應(yīng)電源對(duì)負(fù)載變化的適應(yīng)能力。負(fù)載效應(yīng)測(cè)試激勵(lì)和響應(yīng)變化如圖4所示，分別在輸入電壓為規(guī)定的最小值Umin、額定值Ue和最大值Umax情況下，電子負(fù)載由空載至滿載進(jìn)行階躍變化，在5TR～5TR+10 s中測(cè)量穩(wěn)定輸出電壓[Uo3]，由式（3）計(jì)算得負(fù)載效應(yīng)[ΔU2]。按照文獻(xiàn)[14?15]有關(guān)規(guī)定，源效應(yīng)、負(fù)載效應(yīng)根據(jù)電源產(chǎn)品等級(jí)不同要求也不同。

[ΔU1=Uo2-U0U0]? ? ? ? ? （2）

[ΔU2=Uo3-U0U0] （3）

式中，U0為電源輸出額定值。

1.4? 限壓過壓和限流過流保護(hù)測(cè)試

井下屬易燃易爆的特殊環(huán)境，對(duì)本安電源的輸出電壓和電流都有一定限制，以避免在過電壓或過電流的情況下產(chǎn)生的火花點(diǎn)燃井下的可燃性氣體[17]。按照文獻(xiàn)[18]的有關(guān)規(guī)定，本安電源必須采用雙重保護(hù)，即雙重過壓保護(hù)和雙重過流保護(hù)。測(cè)量限壓保護(hù)、過壓保護(hù)時(shí)，將直流電源的輸出端開路，源電壓由最小值逐漸增大至最大值，記錄電源輸出最大電壓值，且超過最大極限電壓時(shí)檢查過壓保護(hù)能否工作;測(cè)量限流和短路保護(hù)時(shí)，將源電壓設(shè)置為最大值，調(diào)節(jié)負(fù)載，使負(fù)載電流由小變大到超過額定值，記錄最大電流值，當(dāng)電源的輸出端發(fā)生短路時(shí)，此時(shí)電流i即為短路電流值，撤銷過流和短路故障后，檢查直流電源能否按預(yù)定方式復(fù)位。

1.5? 穩(wěn)定性測(cè)試

直流穩(wěn)壓電源一般是由交流電源經(jīng)整流穩(wěn)壓等環(huán)節(jié)而形成的，直流穩(wěn)定量中就不可避免帶有一些交流成分，這些交流成分就是紋波。紋波幅度用來反映電源的穩(wěn)定性，紋波會(huì)降低電源的效率，較強(qiáng)的紋波會(huì)造成浪涌電壓或電流，從而導(dǎo)致燒毀用電設(shè)備。紋波幅度測(cè)量時(shí)，電源輸入電壓為額定值，負(fù)載為空載或滿載，測(cè)量輸出電壓交流分量的峰峰值。按照文獻(xiàn)[14?15]的有關(guān)規(guī)定，要求被測(cè)電源的紋波小于等于250 mV。

1.6? 備用電源性能測(cè)試

備用電源的可靠性直接關(guān)系著礦工的安危。測(cè)量時(shí)，交流電源以額定輸入電壓向被測(cè)直流電源供電，調(diào)節(jié)電子負(fù)載使負(fù)載電流為額定值。斷開交流電源，測(cè)量輸出電壓的波形是否有間斷，其間斷時(shí)間即為轉(zhuǎn)換時(shí)間T1。同時(shí)主機(jī)從備用電源投入起開始計(jì)時(shí)，直至直流電源的輸出電壓小于最小輸出電壓，停止計(jì)時(shí)。如圖5所示，上述時(shí)間的80%即為工作時(shí)間T2。按照文獻(xiàn)[19]的有關(guān)規(guī)定其備用電源的轉(zhuǎn)換時(shí)間T1≤1 s，工作時(shí)間T2應(yīng)不小于4 h。

2? 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)原理及組成

系統(tǒng)硬件主要包括程控交流供電模塊、測(cè)試模塊、加載模塊、接口適配器等。程控交流供電模塊由交流調(diào)壓器和控制電路組成，為被測(cè)直流電源提供不同電壓的激勵(lì)電源;測(cè)試模塊由PXI主機(jī)、PXI?6221多功能采集卡、電流傳感器、數(shù)字示波器等組成，完成信號(hào)采集，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能;加載模塊主要由電子負(fù)載組成，在電源測(cè)試中提供不同負(fù)載。測(cè)試模塊中的PXI?6221采集卡的A/D通道和I/O通道通過接口適配器分別與電流傳感器和開關(guān)控制器連接，實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)的采集和對(duì)開關(guān)控制器的控制。硬件組成如圖6所示。

程控交流供電模塊根據(jù)待測(cè)電源對(duì)輸入電源的要求產(chǎn)生輸入額定75%～110%的交流電壓。本模塊采用自耦變壓器通過級(jí)聯(lián)的方式產(chǎn)生測(cè)試需要的交流電源電壓值。程控交流供電模塊如圖7所示。

輸入交流電源經(jīng)過變壓器T1，T2，T3調(diào)壓后，可產(chǎn)生不同大小的試驗(yàn)用電源電壓，通過控制繼電器KA1，KA2和KA3通斷的不同組合來提供試驗(yàn)所需要的四種交流電源。繼電器控制邏輯如表1所示。

表1? 繼電器控制邏輯

[KA1 KA2 KA3 被測(cè)電源輸出電壓 1 0 0 U1額定值的75% 0 1 0 U2額定值 0 0 1 U3額定值的110% 0 0 0 U4交流電源斷開 ? ?注：1為閉合;0為斷開 ]

KA1，KA2，KA3的通斷由開關(guān)控制器實(shí)現(xiàn)。開關(guān)控制器由控制繼電器和光電隔離器組成。開關(guān)控制器通過PXI?6221的I/O口由程序控制，以KA1為例，其電路原理如圖8所示。

3? 測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1? 軟件結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)方法

本系統(tǒng)采用LabVIEW為主要開發(fā)平臺(tái)。軟件采用三層結(jié)構(gòu)，第一層為“主程序?qū)印保米饔脩艚缑嬉约叭蝿?wù)的選擇與執(zhí)行;第二層為“測(cè)試層”，主要包括測(cè)試儀器管理模塊和測(cè)試任務(wù)模塊;第三層為“驅(qū)動(dòng)層”，負(fù)責(zé)與系統(tǒng)硬件及其他應(yīng)用程序之間的通信。軟件結(jié)構(gòu)如圖9所示。

3.2? 程序控制方法與實(shí)現(xiàn)

軟件開始運(yùn)行后即進(jìn)入用戶登錄界面，用戶成功登錄后進(jìn)入任務(wù)界面，選擇需要進(jìn)行的項(xiàng)目或測(cè)試儀器的管理。任務(wù)完成后可以返回主頁繼續(xù)進(jìn)入其他界面進(jìn)行新任務(wù)。圖10為軟件主流程圖。

3.3? 分離儀器控制

本測(cè)試系統(tǒng)控制的分離儀器主要有示波器和電子負(fù)載，由測(cè)試軟件實(shí)現(xiàn)對(duì)其操作控制、參數(shù)配置、測(cè)量數(shù)據(jù)的讀取等。程序采用可編程儀器標(biāo)準(zhǔn)命令（SCPI）和LabVIEW提供的VISA功能混合編程[20]。VISA的I/O控制功能可對(duì)LAN，USB，GPIB等總線儀器進(jìn)行控制，并根據(jù)使用儀器的類型調(diào)用相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序。下面以示波器數(shù)據(jù)讀取為例說明分離儀器的控制程序的實(shí)現(xiàn)方法。

系統(tǒng)所用ZDS2024 Puls型示波器驅(qū)動(dòng)支持LAN口通信。示波器主要參數(shù)如通道選擇、時(shí)基、幅度等參數(shù)設(shè)置，通過Instrument I/O→VISA/VISA Write.VI將由SCPI編寫的指令字符串寫入示波器來實(shí)現(xiàn)。示波器從通道1讀取當(dāng)前電壓波形和數(shù)值子VI程序如圖11所示。由VISA Write.VI將SCPI指令字符串“：FACT：WAVE？ CHANnel”（通道1波形讀取命令）“：CHAN：SCAL？;”（通道1水平時(shí)基檔位設(shè)置命令）“：CHAN：OFFS？;”（通道1水平時(shí)基偏移設(shè)置命令）寫入示波器，由VISA Read.VI讀取通道1當(dāng)前電壓波形相關(guān)數(shù)據(jù)。

4? 系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)

本文以“電源輸入輸出性能測(cè)試”功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)為例。對(duì)測(cè)試系統(tǒng)程控交流供電、測(cè)試信號(hào)讀取、加載等功能及測(cè)量精度進(jìn)行驗(yàn)證。測(cè)試方法如第1.1節(jié)所述。實(shí)驗(yàn)所用設(shè)備及主要技術(shù)指標(biāo)，如表2所示。

RIGOL ?DP832直流電源作為待測(cè)電源，測(cè)試時(shí)，由主機(jī)程序控制PXI?6221板卡I/O端口D1置1，其他通道置0，將開關(guān)控制器的繼電器KA2打開，程控交流電源輸出220 V額定值給被測(cè)電源供電，通過USB總線控制電子負(fù)載使其處于拉載狀態(tài)，用LAN口控制示波器讀取實(shí)時(shí)波形和輸出電壓[U01]，并由式（1）計(jì)算偏離值R。將被測(cè)電源輸出電壓分別設(shè)置為24 V，18 V，15 V，用本系統(tǒng)和高精度萬用表同時(shí)對(duì)被測(cè)電源輸出進(jìn)行測(cè)試。被測(cè)電源輸出為24 V時(shí)，本系統(tǒng)測(cè)試界面如圖12所示。

以高精度萬用表所測(cè)得的值為真值，本系統(tǒng)值為測(cè)量值。絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差分別由式（4）～式（5）計(jì)算，實(shí)驗(yàn)測(cè)量輸出電壓與計(jì)算誤差如表3所示。

[δi=xi-μi] （4）

式中：[δi]為絕對(duì)誤差;[xi]為測(cè)量值;[μi]為真值。

[Yi=δiμi×100%]? ? ? ? ? （5）

式中，[Yi]為相對(duì)誤差。

從表3計(jì)算結(jié)果可得，本測(cè)試系統(tǒng)電壓測(cè)量的最大絕對(duì)誤差為0.41 V，最大相對(duì)誤差為2.6%。本實(shí)驗(yàn)所用直流電源在輸入約為220 V額定值，輸出為額定負(fù)載條件下，在不同輸出電壓時(shí)，其偏離值分別為額定值的1.709%，2.165%，2.6%，滿足文獻(xiàn)[15?16]的偏離值不超過額定值5%的要求。