基于虛擬儀器技術(shù)的隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的研制

謝文強(qiáng)

（中國(guó)煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安 710077）

針對(duì)煤礦爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的特殊性，場(chǎng)所內(nèi)使用的電氣設(shè)備在正常工作或故障條件下，均不應(yīng)產(chǎn)生點(diǎn)燃爆炸性物質(zhì)的電火花及高溫?zé)岜砻娴任ｋU(xiǎn)因素，以保證在特定的爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所，實(shí)現(xiàn)安全供電、用電、通訊、檢測(cè)和控制等裝置的安全運(yùn)行[1]。 德國(guó)科學(xué)家在20 世紀(jì)初提出了用法蘭間隙隔離容器內(nèi)爆炸生成物的防爆原理[2]。 隔爆外殼應(yīng)有足夠的強(qiáng)度承受住隔爆外殼內(nèi)部所產(chǎn)生的爆炸壓力，保證在被爆炸沖擊后不發(fā)生永久變形或損壞[3]。 隔爆型電氣設(shè)備的隔爆性能直接關(guān)系著爆炸危險(xiǎn)場(chǎng)所的安全[4]。 顯而易見，針對(duì)隔爆型電氣設(shè)備的隔爆性能的檢測(cè)檢驗(yàn)工作，就顯得格外重要。 為解決這一問題，文章研制了一套基于虛擬儀器技術(shù)的隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)。 該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用統(tǒng)一打包封裝，并進(jìn)行電氣化改造。 系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。

隨著煤礦智能化的發(fā)展，自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的出現(xiàn)極大地提高了產(chǎn)品的測(cè)試速度和精度[5]。 虛擬儀器技術(shù)主要應(yīng)用于儀器設(shè)備的控制、測(cè)量分析和數(shù)據(jù)采集、顯示分析，利用其進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可大大提高工作效率[6]。 硬件平臺(tái)包括計(jì)算機(jī)和儀器硬件以及外圍電路組成，主要功能是獲取真實(shí)的被測(cè)信號(hào)。 因此，文章針對(duì)礦用隔爆型設(shè)備的隔爆性能的檢測(cè)檢驗(yàn)要求，研制了一套基于虛擬儀器技術(shù)的隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)。 實(shí)現(xiàn)了對(duì)隔爆型電氣設(shè)備外殼隔爆性能的自動(dòng)檢測(cè)，檢測(cè)數(shù)據(jù)可靠，結(jié)論正確，提高了檢測(cè)效率。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)原則

依據(jù)GB3836.2 對(duì)隔爆型設(shè)備的要求，隔爆試驗(yàn)所需要的爆炸性混合氣體濃度及成分如表1 所示。

表1 爆炸試驗(yàn)可燃?xì)饣旌衔飬?shù)Tab.1 Test parameters of explosive combustible mixture

根據(jù)GB3836.2 的要求， 從隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性出發(fā)，設(shè)計(jì)原則主要有以下幾個(gè)方面。 一是具有三元配氣功能，并符合氣體濃度和精度要求； 二是提升配氣系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性；三是人機(jī)交互的簡(jiǎn)便化。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括串口通訊卡、數(shù)據(jù)采集卡、氣體濃度檢測(cè)儀、點(diǎn)火裝置、壓力采集器等。 外圍硬件與虛擬儀器平臺(tái)之間采用Ethernet，USB，RS-485 和RS-232 等通訊方式組建測(cè)控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardware structure

2.1 串口通訊卡選型設(shè)計(jì)

根據(jù)測(cè)試系統(tǒng)要求，系統(tǒng)配置MOXA 的PCI 總線串口通訊板卡CP-118U-I，可提供RS-232 和RS-485 通訊接口。 CP-118U-I 為聰明型8 串口卡，專為多點(diǎn)和PC-based 數(shù)據(jù)采集應(yīng)用而設(shè)計(jì)，是為工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)集成量身定制的一種新型解決方案，CP-118U-I 板載ADDC?，提高通信精度，具有8 個(gè)RS-232/422/485 串行通信端口，波特率最高達(dá)921.6 Kbps，2 kV 的光電隔離可以有效防止CP-118U-I 由于電位差引起的損壞。

2.2 數(shù)據(jù)采集卡選型設(shè)計(jì)

本文采用研華測(cè)控的USB-4711/A 采用2 個(gè)12位8 路A/D 轉(zhuǎn)換器ADS7822，采樣率高達(dá)150 kS/s。其可拆卸的模塊接線端子、高速USB 2.0 總線傳輸、自動(dòng)校準(zhǔn)功能和熱拔插，讓使用顯得更加安全和方便可靠。

2.3 氣體濃度檢測(cè)儀選型設(shè)計(jì)

為了檢測(cè)試驗(yàn)槽或試驗(yàn)樣品內(nèi)可燃?xì)怏w濃度值， 在隔爆試驗(yàn)系統(tǒng)排氣管路中引出一個(gè)分支管路。 從試驗(yàn)槽和試驗(yàn)樣品內(nèi)置換出的氣體經(jīng)該管路進(jìn)入到氫、氧濃度分析儀，從而得出試驗(yàn)槽或試驗(yàn)樣品內(nèi)可燃?xì)怏w濃度值。 試驗(yàn)系統(tǒng)采用的氣體分析儀可用于檢測(cè)惰性氣體、氣態(tài)碳?xì)浠衔?、氫氣、多種混合氣及酸性氣體中的氧氣含量。 輸出信號(hào)為4～20 mA 電流信號(hào)。

2.4 點(diǎn)火裝置選型設(shè)計(jì)

點(diǎn)火裝置用于點(diǎn)爆按標(biāo)準(zhǔn)配比配制的可燃性混合氣體。 采用機(jī)械式高壓包，零延時(shí)、溫度特性好、高壓輸出線長(zhǎng)。選用耐高壓耐高溫點(diǎn)火線纜。具體參數(shù)包括：輸入電源，AC220 V、輸出電源，10 kV（r·m·s）、點(diǎn)火電極，M10*1-016、高壓線耐壓，25 kV。

2.5 壓力采集器選型設(shè)計(jì)

選用高靈敏度壓電式壓力傳感器，可用于測(cè)量氣體的動(dòng)態(tài)壓力變化（爆炸壓力），測(cè)壓范圍0～2.5/5 MPa 可選，M10×1 密封式螺紋安裝方式。 壓力傳感器輸出電荷信號(hào)，經(jīng)電荷放大器信號(hào)處理輸出標(biāo)準(zhǔn)0～5 V 電壓信號(hào)，電壓信號(hào)進(jìn)入高速數(shù)據(jù)采集設(shè)備，測(cè)壓軟件接收并處理壓力數(shù)據(jù)值，生成爆炸壓力曲線，并能測(cè)出最大爆炸壓力值的10%～90%的上升時(shí)間。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使測(cè)試系統(tǒng)達(dá)到快捷、高效的測(cè)試效果，除了合理設(shè)計(jì)和選擇硬件電路外，還必須有高質(zhì)量的軟件來對(duì)各硬件設(shè)備進(jìn)行有效地實(shí)時(shí)控制和管理。 測(cè)試軟件設(shè)計(jì)的好壞，將直接決定自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試質(zhì)量和效率。 測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用軟件及測(cè)試用例采用NI 公司的LabVIEW 2017 和Teststand 2017聯(lián)合進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)，軟件運(yùn)行環(huán)境為Windows 7 操作系統(tǒng)。

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)。根據(jù)國(guó)標(biāo)檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，針對(duì)試驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)立了相應(yīng)的控制程序模塊，檢驗(yàn)可根據(jù)實(shí)際要求任意組合測(cè)試項(xiàng)目。 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面，方便用戶操作使用。 系統(tǒng)對(duì)參數(shù)設(shè)置進(jìn)行分類，不同的參數(shù)設(shè)定不同級(jí)別的設(shè)置權(quán)限，防止設(shè)置參數(shù)被隨意更改。 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要包括4 大測(cè)試模塊：設(shè)備管理模塊、設(shè)備控制模塊、測(cè)試項(xiàng)目模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊，系統(tǒng)軟件功能框圖如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能框圖Fig.2 System functional block diagram

3.2 系統(tǒng)軟件測(cè)試界面設(shè)計(jì)

隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的上位機(jī)監(jiān)控軟件是利用Labview 進(jìn)行設(shè)計(jì)的，最終集成了閥門控制、空壓機(jī)、冷干機(jī)、真空泵啟動(dòng)與停止、自定義系統(tǒng)配氣流量設(shè)置、配氣動(dòng)作控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)記錄及人機(jī)界面功能等，隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面如圖3 所示。

圖3 隔爆試驗(yàn)系統(tǒng)上位機(jī)人機(jī)界面Fig.3 Man-machine interface of flameproof test system

3.3 系統(tǒng)測(cè)試流程設(shè)計(jì)

隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)功能均經(jīng)PLC 控制實(shí)現(xiàn)，以最大限度減少人為操作，提高安全保障及工作效率，同時(shí)使整個(gè)隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)操作起來更加簡(jiǎn)單、可靠。 點(diǎn)火控制高壓發(fā)生器使火花塞產(chǎn)生電火花，進(jìn)而引爆試驗(yàn)樣品內(nèi)的可燃?xì)怏w。 檢驗(yàn)員可根據(jù)情況選定測(cè)試項(xiàng)目并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后開始測(cè)試，測(cè)試軟件按照設(shè)定流程進(jìn)行，從產(chǎn)品上檢驗(yàn)順序執(zhí)行相關(guān)測(cè)試步驟，完成被試產(chǎn)品的隔爆性能測(cè)試。 測(cè)試過程中軟件記錄存儲(chǔ)測(cè)試數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成測(cè)試報(bào)告。 隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試流程如圖4 所示。

圖4 隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)測(cè)試流程Fig.4 System test flow chart of flameproof test system

隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，設(shè)備通過RS-232總線、RS-485 總線、以太網(wǎng)總線和PCI 總線自動(dòng)調(diào)用標(biāo)準(zhǔn)儀器設(shè)備和工控機(jī)內(nèi)板卡的內(nèi)置自檢功能，啟動(dòng)儀器板卡和標(biāo)準(zhǔn)儀器自動(dòng)測(cè)試功能，并根據(jù)自動(dòng)測(cè)試結(jié)束后返回的數(shù)據(jù)判斷自檢是否正常。 如果自檢正常，則測(cè)試軟件給出提示信息，并自動(dòng)運(yùn)行下一步軟件功能。 如果自檢異常，則測(cè)試軟件給出報(bào)警信息， 由用戶選擇是否繼續(xù)下一步軟件操作。測(cè)試軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的濃度值和壓力值，判斷隔爆罐體內(nèi)的混合氣體濃度以及試驗(yàn)壓力是否達(dá)到檢驗(yàn)要求，最后經(jīng)過氣體標(biāo)校系統(tǒng)再次驗(yàn)證后，進(jìn)行點(diǎn)火操作，進(jìn)行檢驗(yàn)并記錄相應(yīng)的檢測(cè)原始數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于虛擬儀器的隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的硬件組成和軟件開發(fā)過程。 系統(tǒng)硬件采用統(tǒng)一打包封裝，并進(jìn)行電氣化改造的方式，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)組成，擴(kuò)展了系統(tǒng)性能。 系統(tǒng)軟件采用虛擬儀器技術(shù)進(jìn)行模塊化和層次化設(shè)計(jì)，提高了系統(tǒng)開發(fā)效率及軟件的可移植性與可維護(hù)性。 隔爆試驗(yàn)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的電子化和檢驗(yàn)程序的自動(dòng)化，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性及檢驗(yàn)效率。