基于虛擬儀器技術(shù)的礦用電源自動(dòng)檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

薛 琴，謝文強(qiáng)

（中國煤炭科工集團(tuán)西安研究院有限公司，西安710077）

礦用電源是實(shí)現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設(shè)備，是各種礦用設(shè)備必不可缺的組成部分，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到礦用設(shè)備能否滿足技術(shù)指標(biāo)要求，能否安全可靠地工作[1]。隨著煤礦智能化的發(fā)展，自動(dòng)測試系統(tǒng)的出現(xiàn)極大的提高了產(chǎn)品的測試速度和精度[2]。虛擬儀器技術(shù)主要應(yīng)用于儀器設(shè)備的控制、測量分析和數(shù)據(jù)采集、顯示分析，利用其進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)，可大大提高工作效率[3]。硬件平臺包括計(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)的被測信號[4]。礦用電源檢測多采用分散式手工測試方法，檢測時(shí)，先將電源的輸出引線接到測試夾具上，通過調(diào)節(jié)測試夾具上的可變電阻來模擬被試電源的各種不同負(fù)載工礦，然后用儀表測量引線上的電壓、電流等輸出值[5-7]。這種測試方法不僅測試效率低、精度低且不能溯源測試過程。因此，本文針對礦用電源檢測設(shè)備離散、測試時(shí)間長、效率低的問題，提出了基于虛擬儀器技術(shù)的礦用直流電源自動(dòng)檢測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

根據(jù) 《MT/T 408-1995 煤礦用直流穩(wěn)壓電源》中針對礦用電源的測試要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心思想是充分發(fā)揮虛擬儀器技術(shù)，所有測試功能均在軟件中實(shí)現(xiàn)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。測試系統(tǒng)采用PCI 總線工控機(jī)作為控制核心，配置可編程交流電源、可編程多路電子負(fù)載、數(shù)字記憶示波器和電壓/電流測試儀表等多個(gè)儀器設(shè)備，并以Ethernet，USB，RS-485 和RS-232 等通訊方式組建測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，完成對煤礦用直流穩(wěn)壓電源的各項(xiàng)性能試驗(yàn)。整個(gè)系統(tǒng)設(shè)備安裝在控制機(jī)柜中，在專用定制測試軟件的控制下，可以對各路電源的性能指標(biāo)同時(shí)進(jìn)行測試，以提高測試效率，同時(shí)保證同一臺電源的各路輸出測試條件的一致性，從而使被測電源各路輸出性能指標(biāo)的測試結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of overall system design

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要包括程控交流電源模塊、可編程電子負(fù)載、數(shù)字示波器、串口通訊卡、繼電器板以及控制機(jī)柜。外圍硬件與虛擬儀器平臺之間采用Ethernet，USB，RS-485 和RS-232 等通訊方式組建測控網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.1 程控交流電源模塊選型設(shè)計(jì)

程控交流電源模塊是在測試過程中，根據(jù)行業(yè)檢測標(biāo)準(zhǔn)，給被測電源提供標(biāo)準(zhǔn)輸入電源。其性能參數(shù)需滿足：穩(wěn)定度≤1%；波形失真≤5%；頻率變化為（50±1）Hz。根據(jù)以上指標(biāo)要求，以及交流電源的輸出電壓電流大小范圍，并預(yù)留一定的系統(tǒng)擴(kuò)展能力，交流穩(wěn)壓電源選用臺灣艾德克斯公司的可編程交流電源I7324H。

2.2 可編程電子負(fù)載選型設(shè)計(jì)

可編程電子負(fù)載，是利用電子技術(shù)設(shè)計(jì)可吸收被測電源所釋放的能量的裝置，可模擬真實(shí)的阻抗效應(yīng)，是電源測試重要的試驗(yàn)設(shè)備。系統(tǒng)設(shè)計(jì)考慮到需要模擬4 種工作模式，分別是恒流模式、恒壓模式、恒阻模式和恒功率模式。因此硬件系統(tǒng)采用臺灣艾德克斯公司的IT8731 系列電子負(fù)載作為被測電源的模擬負(fù)載，可同時(shí)檢測被測電源的電壓、電流以及功率等參數(shù)，并通過串口通訊方式反饋至計(jì)算機(jī)。

2.3 數(shù)字示波器選型設(shè)計(jì)

數(shù)字示波器是為了進(jìn)行電源的周期與隨機(jī)偏移測試而設(shè)計(jì)的。為了準(zhǔn)確的測量出電源的周期與隨機(jī)偏移值，不僅需要準(zhǔn)確的方法，同時(shí)還需要較高精度的示波器完成。針對開關(guān)電源而言，高頻紋波，須使用20 MHz 以上的采樣頻率進(jìn)行采樣，系統(tǒng)設(shè)計(jì)為不大于4 路電源輸出。根據(jù)上述要求，系統(tǒng)采用泰克公司的數(shù)字示波器DPO2024B，通過以太網(wǎng)連接，將數(shù)據(jù)傳輸至計(jì)算機(jī)。

2.4 串口通訊卡選型設(shè)計(jì)

根據(jù)測試系統(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)集成商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。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

為了使測試系統(tǒng)達(dá)到快捷、高效的測試效果，除了合理設(shè)計(jì)和選擇硬件電路外，還必須有高質(zhì)量的軟件來對各硬件設(shè)備進(jìn)行有效地實(shí)時(shí)控制和管理。測試軟件設(shè)計(jì)的好壞，將直接決定自動(dòng)測試系統(tǒng)的測試質(zhì)量和效率。測試系統(tǒng)應(yīng)用軟件及測試用例采用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)

電源測試系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)思路實(shí)現(xiàn)。根據(jù)礦用電源檢測標(biāo)準(zhǔn)要求，針對礦用電源每一項(xiàng)試驗(yàn)設(shè)立了相應(yīng)的控制程序模塊，檢驗(yàn)可根據(jù)實(shí)際要求任意選擇和組合測試項(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)對參數(shù)設(shè)置進(jìn)行分類，不同的參數(shù)設(shè)定不同級別的設(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 大測試模塊：設(shè)備管理模塊、設(shè)備控制模塊、測試項(xiàng)目模塊以及數(shù)據(jù)管理模塊，系統(tǒng)軟件功能如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)軟件功能框圖Fig.2 Functional block diagram of system software

3.2 系統(tǒng)測試流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)測試設(shè)計(jì)了2 種測試模式：自動(dòng)測試和手動(dòng)測試。檢驗(yàn)員可根據(jù)情況選定測試項(xiàng)目并設(shè)置相應(yīng)參數(shù)后開始測試，測試軟件按照設(shè)定流程進(jìn)行，從產(chǎn)品上電開始順序執(zhí)行相關(guān)測試步驟，完成被試產(chǎn)品的性能測試。測試過程中軟件記錄存儲測試數(shù)據(jù)，并自動(dòng)生成測試報(bào)告。系統(tǒng)測試流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測試流程圖Fig.3 System test flow chart

測試軟件啟動(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)測試功能，并根據(jù)自動(dòng)測試結(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。被試產(chǎn)品上電時(shí)，測試軟件會(huì)根據(jù)設(shè)定的電源參數(shù)，判斷電源輸出電壓、電流參數(shù)是否正常，如果電源輸出正常，則繼續(xù)進(jìn)行產(chǎn)品測試；如果電源輸出異常，則中斷電源輸出，并給出電源故障報(bào)警。

4 結(jié)語

本文詳細(xì)介紹了基于虛擬儀器的礦用直流穩(wěn)壓電源檢測系統(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，簡化了系統(tǒng)組成，擴(kuò)展了系統(tǒng)性能，滿足多種型號電源的現(xiàn)場檢定需求。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。電源檢測系統(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，從根本上解決了目前礦用直流穩(wěn)壓電源檢測時(shí)間長、效率低、誤差影響因素多的問題。