基于虛擬儀器技術的礦用電源自動檢測系統設計

薛 琴，謝文強

（中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，西安710077）

礦用電源是實現電能變換和功率傳遞的主要設備，是各種礦用設備必不可缺的組成部分，其性能的優劣直接關系到礦用設備能否滿足技術指標要求，能否安全可靠地工作[1]。隨著煤礦智能化的發展，自動測試系統的出現極大的提高了產品的測試速度和精度[2]。虛擬儀器技術主要應用于儀器設備的控制、測量分析和數據采集、顯示分析，利用其進行原理研究、設計、測試并實現儀器系統，可大大提高工作效率[3]。硬件平臺包括計算機和儀器硬件以及外圍電路組成，主要功能是獲取真實的被測信號[4]。礦用電源檢測多采用分散式手工測試方法，檢測時，先將電源的輸出引線接到測試夾具上，通過調節測試夾具上的可變電阻來模擬被試電源的各種不同負載工礦，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備離散、測試時間長、效率低的問題，提出了基于虛擬儀器技術的礦用直流電源自動檢測系統。

1 系統總體設計

根據 《MT/T 408-1995 煤礦用直流穩壓電源》中針對礦用電源的測試要求，系統設計的核心思想是充分發揮虛擬儀器技術，所有測試功能均在軟件中實現，提高系統的穩定性和可靠性。測試系統采用PCI 總線工控機作為控制核心，配置可編程交流電源、可編程多路電子負載、數字記憶示波器和電壓/電流測試儀表等多個儀器設備，并以Ethernet，USB，RS-485 和RS-232 等通訊方式組建測控網絡系統，完成對煤礦用直流穩壓電源的各項性能試驗。整個系統設備安裝在控制機柜中，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同時進行測試，以提高測試效率，同時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的測試結果更加準確可靠。系統總體設計結構如圖1所示。

圖1 系統總體設計結構圖Fig.1 Structure diagram of overall system design

2 系統硬件設計

系統硬件部分主要包括程控交流電源模塊、可編程電子負載、數字示波器、串口通訊卡、繼電器板以及控制機柜。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絡系統。

2.1 程控交流電源模塊選型設計

程控交流電源模塊是在測試過程中，根據行業檢測標準，給被測電源提供標準輸入電源。其性能參數需滿足：穩定度≤1%；波形失真≤5%；頻率變化為（50±1）Hz。根據以上指標要求，以及交流電源的輸出電壓電流大小范圍，并預留一定的系統擴展能力，交流穩壓電源選用臺灣艾德克斯公司的可編程交流電源I7324H。

2.2 可編程電子負載選型設計

可編程電子負載，是利用電子技術設計可吸收被測電源所釋放的能量的裝置，可模擬真實的阻抗效應，是電源測試重要的試驗設備。系統設計考慮到需要模擬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。因此硬件系統采用臺灣艾德克斯公司的IT8731 系列電子負載作為被測電源的模擬負載，可同時檢測被測電源的電壓、電流以及功率等參數，并通過串口通訊方式反饋至計算機。

2.3 數字示波器選型設計

數字示波器是為了進行電源的周期與隨機偏移測試而設計的。為了準確的測量出電源的周期與隨機偏移值，不僅需要準確的方法，同時還需要較高精度的示波器完成。針對開關電源而言，高頻紋波，須使用20 MHz 以上的采樣頻率進行采樣，系統設計為不大于4 路電源輸出。根據上述要求，系統采用泰克公司的數字示波器DPO2024B，通過以太網連接，將數據傳輸至計算機。

2.4 串口通訊卡選型設計

根據測試系統要求，系統配置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，專為多點和PC-based 數據采集應用而設計，是為工業自動化系統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RS-232/422/485 串行通信端口，波特率最高達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 系統軟件設計

為了使測試系統達到快捷、高效的測試效果，除了合理設計和選擇硬件電路外，還必須有高質量的軟件來對各硬件設備進行有效地實時控制和管理。測試軟件設計的好壞，將直接決定自動測試系統的測試質量和效率。測試系統應用軟件及測試用例采用NI公司的LabVIEW 2017 和Teststand 2017 聯合進行開發設計，軟件運行環境為Windows 7 操作系統。

3.1 系統軟件結構

電源測試系統采用模塊化設計思路實現。根據礦用電源檢測標準要求，針對礦用電源每一項試驗設立了相應的控制程序模塊，檢驗可根據實際要求任意選擇和組合測試項目。系統軟件設計了友好的人機交互界面，方便用戶操作使用。系統對參數設置進行分類，不同的參數設定不同級別的設置權限，防止設置參數被隨意更改。系統軟件結構設計主要包括4 大測試模塊：設備管理模塊、設備控制模塊、測試項目模塊以及數據管理模塊，系統軟件功能如圖2所示。

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

3.2 系統測試流程設計

系統測試設計了2 種測試模式：自動測試和手動測試。檢驗員可根據情況選定測試項目并設置相應參數后開始測試，測試軟件按照設定流程進行，從產品上電開始順序執行相關測試步驟，完成被試產品的性能測試。測試過程中軟件記錄存儲測試數據，并自動生成測試報告。系統測試流程如圖3所示。

圖3 系統測試流程圖Fig.3 System test flow chart

測試軟件啟動時，設備通過RS-232 總線、RS-485總線、以太網總線和PCI 總線自動調用標準儀器設備和工控機內板卡的內置自檢功能，啟動儀器板卡和標準儀器自動測試功能，并根據自動測試結束后返回的數據判斷自檢是否正常。如果自檢正常，則測試軟件給出提示信息，并自動運行下一步軟件功能。如果自檢異常，則測試軟件給出報警信息，由用戶選擇是否繼續下一步軟件操作。被試產品上電時，測試軟件會根據設定的電源參數，判斷電源輸出電壓、電流參數是否正常，如果電源輸出正常，則繼續進行產品測試；如果電源輸出異常，則中斷電源輸出，并給出電源故障報警。

4 結語

本文詳細介紹了基于虛擬儀器的礦用直流穩壓電源檢測系統的硬件組成和軟件開發過程。系統硬件采用統一打包封裝，并進行電氣化改造的方式，簡化了系統組成，擴展了系統性能，滿足多種型號電源的現場檢定需求。系統軟件采用虛擬儀器技術進行模塊化和層次化設計，提高了系統開發效率及軟件的可移植性與可維護性。電源檢測系統的設計實現了檢驗數據的電子化和檢驗程序的自動化，從根本上解決了目前礦用直流穩壓電源檢測時間長、效率低、誤差影響因素多的問題。