80kV交流耐壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張轉(zhuǎn)輝

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與筑機(jī)工程系，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

交流耐壓機(jī)是控制臺(tái)、無局放試驗(yàn)變壓器分體的耐壓設(shè)備，具有操作靈活、零位啟動(dòng)、電流保護(hù)、自動(dòng)降壓并分閘、讀數(shù)準(zhǔn)確直觀等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的80kV耐壓機(jī)控制系統(tǒng)主要是為了滿足一些需要高、低電壓耐壓試驗(yàn)的企業(yè)檢驗(yàn)產(chǎn)品，從而保證作業(yè)的安全、準(zhǔn)確和可靠。

1 控制系統(tǒng)需求和功能分析

隨著工業(yè)管理及自動(dòng)化的深入應(yīng)用，要求控制設(shè)備功能自治、管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散及管控一體化。80kV耐壓機(jī)設(shè)備包括控制臺(tái)、無局放試驗(yàn)變壓器等［1］，它們由單片機(jī)控制器控制，這些控制器構(gòu)成設(shè)備的控制層。設(shè)計(jì)要求每臺(tái)設(shè)備可以在“手動(dòng)控制試驗(yàn)”與“自動(dòng)控制試驗(yàn)（觸摸屏）”方式下運(yùn)行。在手動(dòng)方式下，通過單片機(jī)的P0口輸出開關(guān)量和脈沖信號(hào)來控制步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)柱式調(diào)壓器上升或者下降，為了降低干擾及保證高低壓之間的直接連接，通過隔離變壓器進(jìn)行隔離處理。在手動(dòng)測(cè)試時(shí)由數(shù)字電壓表顯示電壓值及泄漏電流值，以便操作者實(shí)時(shí)觀察電壓值。當(dāng)電壓表顯示到設(shè)定值時(shí)，電壓表內(nèi)部繼電器輸出觸點(diǎn)閉合，使計(jì)時(shí)器線圈得電并開始按設(shè)定的計(jì)時(shí)時(shí)間計(jì)時(shí)。待計(jì)時(shí)結(jié)束后，計(jì)時(shí)器發(fā)出開關(guān)量信號(hào)傳給單片機(jī)，從而控制電機(jī)自動(dòng)反轉(zhuǎn)到下限位并斷開主接觸器。在自動(dòng)方式時(shí)，耐壓試驗(yàn)機(jī)觸摸屏控制部分增強(qiáng)了人機(jī)溝通功能，以便操作者對(duì)耐壓試驗(yàn)機(jī)的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢，直觀地記錄并顯示耐壓測(cè)試過程中電壓的上升值和泄漏電流值，并在測(cè)試完畢后自動(dòng)降壓。

80kV耐壓機(jī)控制系統(tǒng)包括自動(dòng)保護(hù)功能模塊、試驗(yàn)參數(shù)可調(diào)節(jié)功能模塊、安全提示功能模塊、零位保護(hù)功能模塊、自動(dòng)分閘功能模塊和自動(dòng)調(diào)壓功能模塊。

（1）自動(dòng)保護(hù)功能模塊。在試驗(yàn)過程中當(dāng)泄漏電流值超過預(yù)設(shè)規(guī)定值時(shí)，耐壓機(jī)自動(dòng)切斷電源，有效地保護(hù)被試品，預(yù)防嚴(yán)重?fù)p壞，同時(shí)發(fā)出聲光報(bào)警，并且調(diào)壓器自動(dòng)回零位。

（2）試驗(yàn)參數(shù)可調(diào)節(jié)功能模塊。該耐壓設(shè)備能在AC 0kV～80kV連續(xù)可調(diào)試驗(yàn)電壓值，泄漏電流值在0mA～300mA連續(xù)可調(diào)。耐壓時(shí)間可以設(shè)定試驗(yàn)所需時(shí)間，在設(shè)定時(shí)間到后自動(dòng)回零并分閘。

（3）安全提示功能模塊。在試驗(yàn)過程中一直伴隨著聲光警燈提示，非操作人員切勿接近，避免發(fā)生事故。試品如果發(fā)生擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象時(shí)，耐壓機(jī)自動(dòng)切斷輸出電源并聲光報(bào)警，調(diào)壓器回零位。二次啟動(dòng)時(shí)必須按一下報(bào)警解除按鈕，使其復(fù)位，方可再次試驗(yàn)。在試驗(yàn)過程中如遇突發(fā)事件，可按急停按鈕，使其快速切斷所有電源，此時(shí)，急停指示電源指示燈亮。

（4）零位保護(hù)功能模塊。在調(diào)壓器沒有歸零，直接按分閘、急停按鈕或突然停電的情況下，再次送電時(shí)，調(diào)壓器自動(dòng)回零位，方可再次啟動(dòng)。

（5）自動(dòng)分閘功能模塊。當(dāng)試驗(yàn)時(shí)間達(dá)到電壓自動(dòng)下降時(shí)，下降到一定安全電壓下自動(dòng)分閘切斷電流。

（6）自動(dòng)調(diào)壓模塊。調(diào)壓速度分1，2，3，4四檔可供選擇。調(diào)壓速度是耐壓機(jī)測(cè)試系統(tǒng)中升、降壓速度的選擇。

80kV耐壓試驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)功能模塊如圖1 所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 控制要求

80kV交流耐壓試驗(yàn)機(jī)能在0kV～80kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)試驗(yàn)電壓值，并且同時(shí)可以在電壓上升和保持的過程中測(cè)試到被測(cè)試設(shè)備的泄漏電流值（0mA～350 mA的范圍）。基于單片機(jī)控制的80kV耐壓機(jī)有兩種操作模式：手動(dòng)和自動(dòng)。手動(dòng)時(shí)可以通過人工操作面板上的“上升”和“下降”按鈕調(diào)節(jié)電壓；自動(dòng)時(shí)可以通過觸摸式一體機(jī)的耐壓機(jī)操作控制程序，將控制信號(hào)通過RS232串口與單片機(jī)控制板進(jìn)行通訊而達(dá)到對(duì)被測(cè)設(shè)備進(jìn)行耐壓試驗(yàn)。80kV耐壓試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖1 80kV耐壓實(shí)驗(yàn)機(jī)控制系統(tǒng)功能模塊圖

圖2 80kV耐壓試驗(yàn)機(jī)總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件主要包括監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)、LCD觸摸屏LJD-eWin7000-L42、數(shù)字時(shí)間繼電器 DH48S、電壓表DSBA、電流表DSBA、無局放低通濾波器6L-LD-5、調(diào)壓器 TELGZ、變壓器 YD0W-J、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器SH2024B2、步進(jìn)電機(jī)57BYGH、單片機(jī) LJD-51-XB＋等［2］。上位機(jī)采用工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，采用控制信號(hào)通過串口RS232與單片機(jī)控制板進(jìn)行通訊。主要通訊過程為單片機(jī)的P0口輸出開關(guān)量和脈沖信號(hào)來控制調(diào)壓器上升，通過隔離變壓器調(diào)解輸出電壓。因此單片機(jī)可以通過串口RS232接口簡(jiǎn)單而方便地與監(jiān)控上位機(jī)進(jìn)行通訊，從而完成系統(tǒng)的硬件連接與通訊。

在以單片機(jī)STC89C52［3］為主體的控制系統(tǒng)中主要包括輸入和輸出兩部分。

（1）輸入部分：主要有開關(guān)量輸入信號(hào)和模擬量輸入信號(hào)。系統(tǒng)的開關(guān)量輸入信號(hào)包括上升、下降、調(diào)壓器上限位、調(diào)壓器下限位、電壓控制、電流報(bào)警、時(shí)間繼電器計(jì)時(shí)結(jié)束，接收來自傳感器輸出的模擬信號(hào)以及經(jīng)過光耦隔離的開關(guān)量信號(hào)。模擬量輸入信號(hào)包括電壓采集通道信號(hào)及漏電電流采集通道信號(hào)。

（2）輸出部分：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)通過輸出光耦隔離的開關(guān)量信號(hào)來控制，從而達(dá)到帶動(dòng)調(diào)壓器實(shí)現(xiàn)升、降壓的功能，主回路的通斷控制通過輸出光耦隔離開關(guān)量信號(hào)控制繼電器的通斷來實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)的開關(guān)量輸出信號(hào)主要包括驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)方向和脈沖的2個(gè)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)繼電器工作的上升指示、下降指示、報(bào)警指示及主接觸器分閘指示的信號(hào)。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

80kV耐壓機(jī)的軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)人機(jī)界面的軟件設(shè)計(jì)和下位機(jī)執(zhí)行程序的軟件設(shè)計(jì)。

2.3.1 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)系統(tǒng)所采用的開發(fā)工具是C＃，C＃是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z(yǔ)言，主要用于開發(fā)在.NET平臺(tái)上運(yùn)行的應(yīng)用程序。C＃是從C和C＋＋派生出來的一種簡(jiǎn)單、現(xiàn)代、面向?qū)ο蠛皖愋桶踩木幊陶Z(yǔ)言，其語(yǔ)言體系都構(gòu)建在.NET框架上，并且能夠與.NET框架完美結(jié)合。C＃具有如下突出的特點(diǎn)：①語(yǔ)法簡(jiǎn)潔；②徹底地面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)；③強(qiáng)大的安全機(jī)制；④兼容性強(qiáng)；⑤靈活的版本處理技術(shù)；⑥完善的錯(cuò)誤、異常處理機(jī)制。

2.3.2 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

下位機(jī)主要由單片機(jī)來控制，其軟件程序的編寫采用了目前較流行的編程高級(jí)語(yǔ)言——C語(yǔ)言。在設(shè)計(jì)中采用了Keil C51為編程軟件平臺(tái)，其集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、PLM語(yǔ)言和C語(yǔ)言的程序設(shè)計(jì)，界面友好，功能強(qiáng)大，其指令系統(tǒng)與8051的指令系統(tǒng)完全兼容，而且允許的晶振頻率范圍也大有提高。其高速的特點(diǎn)使其完成同樣的操作所需要的時(shí)間更短，因而在相同晶振頻率下可以完成更多的工作，完全能滿足系統(tǒng)的需求。

通過軟件的運(yùn)行和硬件的操作都可以對(duì)單片機(jī)的整個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)計(jì)，對(duì)80kV耐壓機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)及被測(cè)試設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)保護(hù)與復(fù)位。在測(cè)試過程中按照下位機(jī)單片機(jī)軟件所設(shè)計(jì)的中斷優(yōu)先級(jí)來執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序，在執(zhí)行中斷程序的過程中，每個(gè)不同程序段就會(huì)發(fā)出開關(guān)量信號(hào)來控制繼電器的吸合與斷開，從而控制指示燈或者主斷路器的通斷。

3 應(yīng)用效果

2008年5月GNYZ80II-24型80kV耐壓試驗(yàn)機(jī)投入現(xiàn)場(chǎng)使用?，F(xiàn)場(chǎng)使用證明該系統(tǒng)安全可靠、測(cè)試效率高。由于監(jiān)控上位計(jì)算機(jī)與單片機(jī)通訊協(xié)議的保證，系統(tǒng)具有故障后再啟動(dòng)自動(dòng)恢復(fù)執(zhí)行功能，可避免繁瑣的維護(hù)操作，深受用戶好評(píng)。

［1］林梅芬，許晶.變頻串聯(lián)諧振在變壓器交流耐壓試驗(yàn)中的應(yīng)用［J］.水電能源科學(xué)，2010（2）：155-157.

［2］鄭寶瑞，陸仲達(dá).基于單片機(jī)的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)的研制［J］.齊齊哈爾大學(xué)學(xué)報(bào)，2010（4）：46-49.

［3］張勁.利用AT89S52單片機(jī)控制步進(jìn)電機(jī)［J］.常州工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2008（2）：73-75.