基于虛擬儀器技術的隔爆試驗檢測系統的研制

謝文強

（中國煤炭科工集團西安研究院有限公司，西安 710077）

針對煤礦爆炸危險場所的特殊性，場所內使用的電氣設備在正常工作或故障條件下，均不應產生點燃爆炸性物質的電火花及高溫熱表面等危險因素，以保證在特定的爆炸危險場所，實現安全供電、用電、通訊、檢測和控制等裝置的安全運行[1]。 德國科學家在20 世紀初提出了用法蘭間隙隔離容器內爆炸生成物的防爆原理[2]。 隔爆外殼應有足夠的強度承受住隔爆外殼內部所產生的爆炸壓力，保證在被爆炸沖擊后不發生永久變形或損壞[3]。 隔爆型電氣設備的隔爆性能直接關系著爆炸危險場所的安全[4]。 顯而易見，針對隔爆型電氣設備的隔爆性能的檢測檢驗工作，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的隔爆試驗檢測系統。 該系統硬件設計采用統一打包封裝，并進行電氣化改造。 系統軟件采用虛擬儀器技術進行模塊化設計，提高系統的準確性和穩定性。

隨著煤礦智能化的發展，自動檢測系統的出現極大地提高了產品的測試速度和精度[5]。 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[6]。 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。 因此，文章針對礦用隔爆型設備的隔爆性能的檢測檢驗要求，研制了一套基于虛擬儀器技術的隔爆試驗檢測系統。 實現了對隔爆型電氣設備外殼隔爆性能的自動檢測，檢測數據可靠，結論正確，提高了檢測效率。

1 系統總體設計原則

依據GB3836.2 對隔爆型設備的要求，隔爆試驗所需要的爆炸性混合氣體濃度及成分如表1 所示。

表1 爆炸試驗可燃氣混合物參數Tab.1 Test parameters of explosive combustible mixture

根據GB3836.2 的要求， 從隔爆試驗檢測系統的穩定性和可靠性出發，設計原則主要有以下幾個方面。 一是具有三元配氣功能，并符合氣體濃度和精度要求； 二是提升配氣系統的穩定性和可靠性；三是人機交互的簡便化。

2 系統硬件設計

系統硬件部分主要包括串口通訊卡、數據采集卡、氣體濃度檢測儀、點火裝置、壓力采集器等。 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。系統硬件結構如圖1 所示。

圖1 系統硬件結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of hardware structure

2.1 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。

2.2 數據采集卡選型設計

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

2.3 氣體濃度檢測儀選型設計

為了檢測試驗槽或試驗樣品內可燃氣體濃度值， 在隔爆試驗系統排氣管路中引出一個分支管路。 從試驗槽和試驗樣品內置換出的氣體經該管路進入到氫、氧濃度分析儀，從而得出試驗槽或試驗樣品內可燃氣體濃度值。 試驗系統采用的氣體分析儀可用于檢測惰性氣體、氣態碳氫化合物、氫氣、多種混合氣及酸性氣體中的氧氣含量。 輸出信號為4～20 mA 電流信號。

2.4 點火裝置選型設計

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

2.5 壓力采集器選型設計

選用高靈敏度壓電式壓力傳感器，可用于測量氣體的動態壓力變化（爆炸壓力），測壓范圍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，經電荷放大器信號處理輸出標準0～5 V 電壓信號，電壓信號進入高速數據采集設備，測壓軟件接收并處理壓力數據值，生成爆炸壓力曲線，并能測出最大爆炸壓力值的10%～90%的上升時間。

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

隔爆試驗檢測系統采用模塊化設計思路實現。根據國標檢測標準要求，針對試驗項目設立了相應的控制程序模塊，檢驗可根據實際要求任意組合測試項目。 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，系統軟件功能框圖如圖2 所示。

圖2 系統軟件功能框圖Fig.2 System functional block diagram

3.2 系統軟件測試界面設計

隔爆試驗檢測系統的上位機監控軟件是利用Labview 進行設計的，最終集成了閥門控制、空壓機、冷干機、真空泵啟動與停止、自定義系統配氣流量設置、配氣動作控制、數據采集、數據記錄及人機界面功能等，隔爆試驗檢測系統上位機人機界面如圖3 所示。

圖3 隔爆試驗系統上位機人機界面Fig.3 Man-machine interface of flameproof test system

3.3 系統測試流程設計

隔爆試驗檢測系統執行機構功能均經PLC 控制實現，以最大限度減少人為操作，提高安全保障及工作效率，同時使整個隔爆試驗檢測系統操作起來更加簡單、可靠。 點火控制高壓發生器使火花塞產生電火花，進而引爆試驗樣品內的可燃氣體。 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，從產品上檢驗順序執行相關測試步驟，完成被試產品的隔爆性能測試。 測試過程中軟件記錄存儲測試數據，并自動生成測試報告。 隔爆試驗檢測系統測試流程如圖4 所示。

圖4 隔爆試驗檢測系統測試流程Fig.4 System test flow chart of flameproof test system

隔爆試驗檢測系統啟動時，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。測試軟件會根據設定的濃度值和壓力值，判斷隔爆罐體內的混合氣體濃度以及試驗壓力是否達到檢驗要求，最后經過氣體標校系統再次驗證后，進行點火操作，進行檢驗并記錄相應的檢測原始數據。

4 結語

本文詳細介紹了基于虛擬儀器的隔爆試驗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。 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。 隔爆試驗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，提高了系統的準確性、穩定性及檢驗效率。