礦用本安直流電源自動測試系統

李曼　王啟亮　段雍　杜雪峰

摘? 要： 針對礦用本安電源性能檢測手段效率低、數據處理和復雜功能實現能力有限等問題，采用虛擬儀器技術，開發礦用本安直流電源自動測試系統。研究確定了本安電源的輸入輸出性能、限壓過壓和限流過流保護、備用電源特性等性能參數的測量方法，構建了由程控交流電源、PXI主機、數字示波器、電子負載等組成的電源測試系統硬件平臺。以LabVIEW為開發平臺，開發了電源測試系統的控制和測量軟件。由LabVIEW中的VISA功能與儀器標準命令（SCPI）聯合實現數字示波器和電子負載等分離儀器的控制。系統功能測試實驗與測量精度分析表明，所提系統實現了程控交流供電、測試信號讀取、加載等功能;電壓測量的最大絕對誤差為0.41 V，最大相對誤差為2.6%。

關鍵詞： 本安電源; 自動測試系統; 系統設計; 參數測量; 平臺構建; 功能測試

中圖分類號： TN86?34; TD67? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）20?0135?06

Mining intrinsically safe DC power supply automatic test system

LI Man， WANG Qiliang， DUAN Yong， DU Xuefeng

（College of Mechanical Engineering， Xian University of Science and Technology， Xian 710054， China）

Abstract： In allusion to the low efficiency of the performance detection method and the limited ability of data processing and complex function realization of the mining intrinsically safe power supply， a mining intrinsically safe DC power supply automatic test system is developed by means of the virtual instrument technology. The performance parameter measuring methods of the input and output performance， voltage?limiting over?voltage and current?limiting over current protection and backup power feature of the intrinsically safe power supply are determined. In the power testing system， the hardware platform composed of program?controlled AC power supply， PXI host， digital oscilloscope and electronic load is constructed. The control and measurement software of power supply test system is developed by taking LabVIEW as development platform. The control of separation instruments such as digital oscilloscope and electronic load is realized by combining VISA function in LabVIEW with standard command for programmable instrument （SCPI）. The system function test experiment and measurement precision analysis show that the proposed system can realize program control AC power supply， test signal reading， loading and other functions. The maximum absolute error of voltage measurement is 0.41V and the maximum relative error is 2.6%.

Keywords： intrinsically safe power supply; automatic test system; system design; parameter measurement; platform construction; functional test

0? 引? 言

礦用本質安全型直流電源（本安電源）是井下電子設備最為廣泛采用的電力供應裝置，主要用于各種儀表、傳感器、控制器、安全監控、人員定位等裝置的供電[1]。作為電子設備的動力源，本安電源的性能直接影響用電設備的穩定性、可靠性與準確性，也關系到整個礦井的生產安全[2?3]。

隨著煤礦生產自動化、智能化水平的提高，井下電子設備與日俱增，在本安電源需求量增加的同時，對其性能也提出了更高的要求[4]。我國的電源生產企業中，尤其中小企業，出于生產成本的考慮，一般仍采用傳統的人工檢測方法，這種測量方法不僅效率低、精度差，且人為因素易造成對產品的誤判[5]。國外研制的電源自動測試系統，如美國Agilent公司的PMT2000系列電源模塊測試系統、美國Autotest公司的UTS系列電源自動化測試系統等[6]，但價格比較昂貴。國內針對本安電源性能測試系統的研究較少，文獻[7?8]討論了本安直流電源老化測試系統的設計，但對電源的其他電性能沒有做進一步研究; 文獻[9]討論了直流電源的性能測試及優化，但測試過程采用了大量的手動控制，自動化程度不高;文獻[10?12]利用虛擬儀器技術設計了電源自動測試系統，但主要是針對通用直流電源和航空直流電源的性能檢測。

基于以上原因，本文以文獻[13?15]對礦用本安直流電源測量要求為依據，采用虛擬儀器技術，研究開發了電源性能自動測試系統。該系統實現了本安電源性能的集成自動測試，與傳統手動檢測相比具有數據處理能力強、自動化程度高、使用方便等優點。

1? 系統測試參數和方法

1.1? 電源輸入/輸出性能

輸入/輸出性能是指電源輸入在允許的波動范圍內波動對電源輸出產生的影響。目前使用較多礦用本安直流電源主要為輸入36 V，220 V，380 V，1 140 V等[16]，輸出為15 V，18 V，24 V等[8]。直流電源在煤礦中使用的場所不同、電源等級不同，電源適應波動范圍要求也不同。井底車場、主運輸巷要求為額定輸入電壓的80%～110%;其他井下場所為75%～110%;地面為90%～110%，85%～110%，80%～110%。電源輸入輸出性能由輸出電壓偏離值R描述。測試時選取電源輸入的最小值、額定值、最大值分別給被測電源供電，在負載不變的情況下（取空載和滿載兩種情況），測量輸出電壓[Uo1]，并由式（1）計算輸出電壓偏離值。按照文獻[14?15]的有關規定，要求偏離值不超過額定值的5%。

[R=|Uo1-U0|U0] （1）

式中：[U0]為電源輸出額定值;[Uo1]為輸出電壓測量值。

1.2? 瞬態響應測試

直流電源的瞬態響應可分為源瞬態響應和負載瞬態響應。一般用恢復時間TR和最大輸出電壓偏差Vm作為其優劣判斷的技術指標。瞬態恢復時間是指交流電源或負載電流發生階躍變化時，輸出電壓[U]最終回到允許誤差帶（[U±ΔU]）以內的時間。允許誤差帶是指電源允許輸出電壓的上下限值，由產品標準具體規定。源瞬態響應測試激勵和響應變化過程如圖1所示。負載電流為額定值，交流源電壓從規定的最小值Umin→額定值Ue→最大值Umax→額定值Ue→最小值Umin進行階躍變化（階躍時間為Tr），分別測出最大輸出電壓偏差Vm和瞬態恢復時間TR。負載瞬態響應測試激勵和響應變化過程如圖2所示，交流電源以額定輸入電壓向被測直流電源供電，負載電流從空載→滿載→空載變化時（階躍時間為Tr），文獻[13]要求最大輸出電壓偏差Vm不超過額定電壓的2%，以及電壓瞬態恢復時間TR≤1 ms，Tr≤[110]TR。

1.3? 源效應和負載效應

源效應是指僅有輸入量的變化引起輸出穩定量的變化，反應電源對輸入電壓變化的適應能力。源效應測試激勵和響應變化如圖3所示，分別在空載和滿載情況下，源電壓從規定的最小值Umin→額定值Ue→最大值Umax→額定值Ue→最小值Umin進行階躍變化，在5TR～ 5TR+10 s中測量穩定輸出電壓[Uo2]，TR為電壓瞬態恢復時間，由式（2）計算得源效應[ΔU1]。負載效應是指僅有負載變化而引起輸出穩定量的變化，反應電源對負載變化的適應能力。負載效應測試激勵和響應變化如圖4所示，分別在輸入電壓為規定的最小值Umin、額定值Ue和最大值Umax情況下，電子負載由空載至滿載進行階躍變化，在5TR～5TR+10 s中測量穩定輸出電壓[Uo3]，由式（3）計算得負載效應[ΔU2]。按照文獻[14?15]有關規定，源效應、負載效應根據電源產品等級不同要求也不同。

[ΔU1=Uo2-U0U0]? ? ? ? ? （2）

[ΔU2=Uo3-U0U0] （3）

式中，U0為電源輸出額定值。

1.4? 限壓過壓和限流過流保護測試

井下屬易燃易爆的特殊環境，對本安電源的輸出電壓和電流都有一定限制，以避免在過電壓或過電流的情況下產生的火花點燃井下的可燃性氣體[17]。按照文獻[18]的有關規定，本安電源必須采用雙重保護，即雙重過壓保護和雙重過流保護。測量限壓保護、過壓保護時，將直流電源的輸出端開路，源電壓由最小值逐漸增大至最大值，記錄電源輸出最大電壓值，且超過最大極限電壓時檢查過壓保護能否工作;測量限流和短路保護時，將源電壓設置為最大值，調節負載，使負載電流由小變大到超過額定值，記錄最大電流值，當電源的輸出端發生短路時，此時電流i即為短路電流值，撤銷過流和短路故障后，檢查直流電源能否按預定方式復位。

1.5? 穩定性測試

直流穩壓電源一般是由交流電源經整流穩壓等環節而形成的，直流穩定量中就不可避免帶有一些交流成分，這些交流成分就是紋波。紋波幅度用來反映電源的穩定性，紋波會降低電源的效率，較強的紋波會造成浪涌電壓或電流，從而導致燒毀用電設備。紋波幅度測量時，電源輸入電壓為額定值，負載為空載或滿載，測量輸出電壓交流分量的峰峰值。按照文獻[14?15]的有關規定，要求被測電源的紋波小于等于250 mV。

1.6? 備用電源性能測試

備用電源的可靠性直接關系著礦工的安危。測量時，交流電源以額定輸入電壓向被測直流電源供電，調節電子負載使負載電流為額定值。斷開交流電源，測量輸出電壓的波形是否有間斷，其間斷時間即為轉換時間T1。同時主機從備用電源投入起開始計時，直至直流電源的輸出電壓小于最小輸出電壓，停止計時。如圖5所示，上述時間的80%即為工作時間T2。按照文獻[19]的有關規定其備用電源的轉換時間T1≤1 s，工作時間T2應不小于4 h。

2? 系統硬件設計原理及組成

系統硬件主要包括程控交流供電模塊、測試模塊、加載模塊、接口適配器等。程控交流供電模塊由交流調壓器和控制電路組成，為被測直流電源提供不同電壓的激勵電源;測試模塊由PXI主機、PXI?6221多功能采集卡、電流傳感器、數字示波器等組成，完成信號采集，數據處理和數據存儲等功能;加載模塊主要由電子負載組成，在電源測試中提供不同負載。測試模塊中的PXI?6221采集卡的A/D通道和I/O通道通過接口適配器分別與電流傳感器和開關控制器連接，實現電流信號的采集和對開關控制器的控制。硬件組成如圖6所示。

程控交流供電模塊根據待測電源對輸入電源的要求產生輸入額定75%～110%的交流電壓。本模塊采用自耦變壓器通過級聯的方式產生測試需要的交流電源電壓值。程控交流供電模塊如圖7所示。

輸入交流電源經過變壓器T1，T2，T3調壓后，可產生不同大小的試驗用電源電壓，通過控制繼電器KA1，KA2和KA3通斷的不同組合來提供試驗所需要的四種交流電源。繼電器控制邏輯如表1所示。

表1? 繼電器控制邏輯

[KA1 KA2 KA3 被測電源輸出電壓 1 0 0 U1額定值的75% 0 1 0 U2額定值 0 0 1 U3額定值的110% 0 0 0 U4交流電源斷開 ? ?注：1為閉合;0為斷開 ]

KA1，KA2，KA3的通斷由開關控制器實現。開關控制器由控制繼電器和光電隔離器組成。開關控制器通過PXI?6221的I/O口由程序控制，以KA1為例，其電路原理如圖8所示。

3? 測試系統軟件設計

3.1? 軟件結構與設計方法

本系統采用LabVIEW為主要開發平臺。軟件采用三層結構，第一層為“主程序層”，用作用戶界面以及任務的選擇與執行;第二層為“測試層”，主要包括測試儀器管理模塊和測試任務模塊;第三層為“驅動層”，負責與系統硬件及其他應用程序之間的通信。軟件結構如圖9所示。

3.2? 程序控制方法與實現

軟件開始運行后即進入用戶登錄界面，用戶成功登錄后進入任務界面，選擇需要進行的項目或測試儀器的管理。任務完成后可以返回主頁繼續進入其他界面進行新任務。圖10為軟件主流程圖。

3.3? 分離儀器控制

本測試系統控制的分離儀器主要有示波器和電子負載，由測試軟件實現對其操作控制、參數配置、測量數據的讀取等。程序采用可編程儀器標準命令（SCPI）和LabVIEW提供的VISA功能混合編程[20]。VISA的I/O控制功能可對LAN，USB，GPIB等總線儀器進行控制，并根據使用儀器的類型調用相應的驅動程序。下面以示波器數據讀取為例說明分離儀器的控制程序的實現方法。

系統所用ZDS2024 Puls型示波器驅動支持LAN口通信。示波器主要參數如通道選擇、時基、幅度等參數設置，通過Instrument I/O→VISA/VISA Write.VI將由SCPI編寫的指令字符串寫入示波器來實現。示波器從通道1讀取當前電壓波形和數值子VI程序如圖11所示。由VISA Write.VI將SCPI指令字符串“：FACT：WAVE？ CHANnel”（通道1波形讀取命令）“：CHAN：SCAL？;”（通道1水平時基檔位設置命令）“：CHAN：OFFS？;”（通道1水平時基偏移設置命令）寫入示波器，由VISA Read.VI讀取通道1當前電壓波形相關數據。

4? 系統測試實驗

本文以“電源輸入輸出性能測試”功能驗證實驗為例。對測試系統程控交流供電、測試信號讀取、加載等功能及測量精度進行驗證。測試方法如第1.1節所述。實驗所用設備及主要技術指標，如表2所示。

RIGOL ?DP832直流電源作為待測電源，測試時，由主機程序控制PXI?6221板卡I/O端口D1置1，其他通道置0，將開關控制器的繼電器KA2打開，程控交流電源輸出220 V額定值給被測電源供電，通過USB總線控制電子負載使其處于拉載狀態，用LAN口控制示波器讀取實時波形和輸出電壓[U01]，并由式（1）計算偏離值R。將被測電源輸出電壓分別設置為24 V，18 V，15 V，用本系統和高精度萬用表同時對被測電源輸出進行測試。被測電源輸出為24 V時，本系統測試界面如圖12所示。

以高精度萬用表所測得的值為真值，本系統值為測量值。絕對誤差和相對誤差分別由式（4）～式（5）計算，實驗測量輸出電壓與計算誤差如表3所示。

[δi=xi-μi] （4）

式中：[δi]為絕對誤差;[xi]為測量值;[μi]為真值。

[Yi=δiμi×100%]? ? ? ? ? （5）

式中，[Yi]為相對誤差。

從表3計算結果可得，本測試系統電壓測量的最大絕對誤差為0.41 V，最大相對誤差為2.6%。本實驗所用直流電源在輸入約為220 V額定值，輸出為額定負載條件下，在不同輸出電壓時，其偏離值分別為額定值的1.709%，2.165%，2.6%，滿足文獻[15?16]的偏離值不超過額定值5%的要求。