基于集散控制技術的某型電源控制器的設計與實現

高運征，尤海鵬

(中國人民解放軍91286部隊79分隊，山東青島266041)

0 引言

當前，軍用自動測試系統 (Automatic Test System，ATS)逐步普及，日益發揮著重要作用。由于系統中配置的測試資源較多，控制關系復雜且操作使用困難，因此測試過程中部分測試資源會過度上電，減少了儀器設備的有效使用壽命。為給測試資源提供穩定靈活的供電電源，有效提高ATS的平均無故障時間 (Mean Time Between Failure，MTBF)，我們首次將工業過程控制中的“集散控制”思想引入到電源控制器的設計上，研制出了基于“集中管理、分散控制”理念的電源控制器。該電源控制器控制方式靈活、方便使用人員操作，并增加保護和穩壓措施，提高了ATS的可靠性。

集散式電源控制器主要由總電源控制器、分電源控制器和分線盒三部分組成，按照“集中管理、分散控制”的設計思想，采用總和分結合的結構形式進行設計，靈活地控制電源分時上電。同時，為了貫徹模塊化、通用化、標準化的要求，做到分控制器具有互換性;為了增強控制器對電力系統的適應性，控制器應當具有多種保護功能和穩壓的功能。按照國軍標的要求進行設計研制，實現電源控制器具有較高的可靠性、維修性、實用性和可擴展性［1］。

1 電源控制器設計

1.1 設計思想

按照集散控制技術，設計出集散控制器的控制結構形式;按照模塊化的設計思想，將電源控制器分解成總電源控制器和分電源控制器;按照功能模塊化的思路，將電路分解成穩壓電路、保護電路、控制電路以及分時通道控制電路等幾個功能電路。

1.2 總體設計

電源控制器的總體布局圖如圖1所示。總電源控制器主要由電源總開關、通道工作指示器、系統計時器、穩壓電路、保護電路、延時電路、分通道控制器、溫度控制器等組成;分電源控制器主要包括控制開關、保護電路、通道工作指示器、延時電路、分通道控制器、溫度控制器等;分線盒主要由電源分配器等組成。

圖1 總體布局圖

集散式電源控制器的總控制器是主要組成部分，具有穩壓、保護以及對分控制器的集中控制功能。為了實現對綜合技術保障設備的溫度控制，控制器中還設計了溫度控制器。分電源控制器是電源控制器的一個組成部分，通過級聯分線盒與總電源控制器相連，是供電電源的第二級的控制管理器。分電源控制器主要由分控制器、過流保護器、分通道輸出電路、溫控電路等組成［2］。

1.3 功能介紹和主要技術指標

控制器供電具有欠壓、過壓及過流保護功能，大大提高了供電的安全性。采用備份式穩壓電路，提高了自動檢測設備或綜合測試維修系統的機動保障的適應性;采用分時工作的分通道控制方式，減少了對儀器的上電沖擊;采用模塊化的結構提高了系統的維護性和可靠性。

主要技術指標:

1)輸入電壓范圍及頻率:170～300 V，50 Hz±3%;

2)輸出電壓及頻率:(220±3%)VAC，(50±0.5%)Hz;

3)輸出電壓波形:純正弦波，波形失真度＜3%;

4)保護功能:過壓保護、欠壓保護、過流保護。

1.4 穩壓電路設計

穩壓電路主要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態開關等部件組成，如圖2所示。

圖2 穩壓電路原理圖

1.5 保護電路設計

保護電路主要是實現欠壓、過壓和過流保護的功能，主要由電壓傳感器、電流傳感器、PLC等組成，其電路圖如圖3所示。

圖3 保護電路原理圖

1.6 控制電路設計

控制電路主要包括交流控制繼電器、可調延時電路以及分通道控制繼電器等。交流控制繼電器是交流功率控制的主控制繼電器，由可編程控制器PLC的I/O輸出通道控制，在市電供電電壓正常時，輸出高電平，交流控制繼電器工作。工作過程中，如果出現欠壓、過壓以及過流故障時，可編程控制器PLC根據設定的保護值開始工作，輸出低電平，交流控制繼電器停止工作［3］。在主電源控制器中，設置了4路分通道輸出電路，分通道輸出電路由可調延時電路以及分通道控制繼電器組成，該電路根據設定的延時時間，依次接通分通道控制繼電器，輸出4路220 V/50 Hz的交流電。

1.7 諧波的抑制

選擇廈門冠歐GOLC型無源濾波器，濾波效果明顯，改善沖擊負載引起的電流沖擊，減少電壓波動和抑制電壓閃變，有效地抑制了諧波。

2 性能試驗

2.1 電壓電流測量傳感器試驗

為了實現電源控制器的欠壓、過壓及過流的保護功能，需要對輸出的電壓、電流值進行測量。依據電源控制器的實際工作需要和設計要求，通過比較，選擇 維 博 WBV412SO1，WBV412S41， WBV412S91，WBV412S1的霍爾元件的電壓、電流傳感器。電壓傳感器和電流傳感器的輸出傳到PLC的模擬量通道，作為電壓、電流保護的輸入量［4］。

2.2 可編程控制器A/D通道試驗

可編程控制器PLC是電源控制器保護電路的核心，課題組選用西門子公司的S7-200系列的新一代產品CPU224XP［5］。電壓/電流傳感器輸出由PLC內部的A/D變換器變換后，送到PLC的CPU模塊中，編程實現過壓保護、欠壓、過流保護功能。為了匹配保護通道的放大系數，搭建了保護電路的試驗電路，對過壓保護、欠壓、過流保護功能進行了試驗，并將試驗的數據固化到PLC控制程序中。保護控制程序的梯形圖如圖4所示。

通過多次試驗，控制器的技術指標達到了設計要求，運行穩定可靠。

3 結束語

集散式電源控制器目前累計已運行近6000 h，未出現較大的硬件和軟件故障。系統工作穩定可靠，系統的功能達到了設計要求，可以擴展到任何大型綜合設備上使用，有效地提高了ATS的平均無故障時間，具有較高的推廣應用價值。

圖4 保護控制程序梯形圖

［1］劉正升，萬程亮，蔣志忠，等.自動測試系統中新技術的發展及應用 ［J］.中國測試，2009，35(4):58－61.

［2］尤海鵬，高運征，羅超，等.自動測試系統完全計量的研究與實現［J］.測試技術學報，2011，25(5):382－385.

［3］孟漢城，奚全生.美國自動測試聯合技術體系結構的發展［J］.計算機測量與控制，2009，17(4):620－624.

［4］王建新，楊世風，隋美麗.Lab Windows/CVI測試技術及工程應用［M］.北京:化學工業出版社，2006.

［5］梁志國，孟曉風.數據采集系統的遠程校準問題討論［J］.測試技術學報，2009，23(6):526－528.