基于集散控制技术的某型电源控制器的设计与实现
2014-04-26高运征尤海鹏
高运征，尤海鹏
(中国人民解放军91286部队79分队，山东青岛266041)
0 引言
当前，军用自动测试系统 (Automatic Test System，ATS)逐步普及，日益发挥着重要作用。由于系统中配置的测试资源较多，控制关系复杂且操作使用困难，因此测试过程中部分测试资源会过度上电，减少了仪器设备的有效使用寿命。为给测试资源提供稳定灵活的供电电源，有效提高ATS的平均无故障时间 (Mean Time Between Failure，MTBF)，我们首次将工业过程控制中的“集散控制”思想引入到电源控制器的设计上，研制出了基于“集中管理、分散控制”理念的电源控制器。该电源控制器控制方式灵活、方便使用人员操作，并增加保护和稳压措施，提高了ATS的可靠性。
集散式电源控制器主要由总电源控制器、分电源控制器和分线盒三部分组成，按照“集中管理、分散控制”的设计思想，采用总和分结合的结构形式进行设计，灵活地控制电源分时上电。同时，为了贯彻模块化、通用化、标准化的要求，做到分控制器具有互换性;为了增强控制器对电力系统的适应性，控制器应当具有多种保护功能和稳压的功能。按照国军标的要求进行设计研制，实现电源控制器具有较高的可靠性、维修性、实用性和可扩展性［1］。
1 电源控制器设计
1.1 设计思想
按照集散控制技术，设计出集散控制器的控制结构形式;按照模块化的设计思想，将电源控制器分解成总电源控制器和分电源控制器;按照功能模块化的思路，将电路分解成稳压电路、保护电路、控制电路以及分时通道控制电路等几个功能电路。
1.2 总体设计
电源控制器的总体布局图如图1所示。总电源控制器主要由电源总开关、通道工作指示器、系统计时器、稳压电路、保护电路、延时电路、分通道控制器、温度控制器等组成;分电源控制器主要包括控制开关、保护电路、通道工作指示器、延时电路、分通道控制器、温度控制器等;分线盒主要由电源分配器等组成。
图1 总体布局图
集散式电源控制器的总控制器是主要组成部分，具有稳压、保护以及对分控制器的集中控制功能。为了实现对综合技术保障设备的温度控制，控制器中还设计了温度控制器。分电源控制器是电源控制器的一个组成部分，通过级联分线盒与总电源控制器相连，是供电电源的第二级的控制管理器。分电源控制器主要由分控制器、过流保护器、分通道输出电路、温控电路等组成［2］。
1.3 功能介绍和主要技术指标
控制器供电具有欠压、过压及过流保护功能，大大提高了供电的安全性。采用备份式稳压电路，提高了自动检测设备或综合测试维修系统的机动保障的适应性;采用分时工作的分通道控制方式，减少了对仪器的上电冲击;采用模块化的结构提高了系统的维护性和可靠性。
主要技术指标:
1)输入电压范围及频率:170～300 V，50 Hz±3%;
2)输出电压及频率:(220±3%)VAC，(50±0.5%)Hz;
3)输出电压波形:纯正弦波，波形失真度＜3%;
4)保护功能:过压保护、欠压保护、过流保护。
1.4 稳压电路设计
稳压电路主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等部件组成，如图2所示。
图2 稳压电路原理图
1.5 保护电路设计
保护电路主要是实现欠压、过压和过流保护的功能，主要由电压传感器、电流传感器、PLC等组成，其电路图如图3所示。
图3 保护电路原理图
1.6 控制电路设计
控制电路主要包括交流控制继电器、可调延时电路以及分通道控制继电器等。交流控制继电器是交流功率控制的主控制继电器，由可编程控制器PLC的I/O输出通道控制，在市电供电电压正常时，输出高电平，交流控制继电器工作。工作过程中，如果出现欠压、过压以及过流故障时，可编程控制器PLC根据设定的保护值开始工作，输出低电平，交流控制继电器停止工作［3］。在主电源控制器中，设置了4路分通道输出电路，分通道输出电路由可调延时电路以及分通道控制继电器组成，该电路根据设定的延时时间，依次接通分通道控制继电器，输出4路220 V/50 Hz的交流电。
1.7 谐波的抑制
选择厦门冠欧GOLC型无源滤波器，滤波效果明显，改善冲击负载引起的电流冲击，减少电压波动和抑制电压闪变，有效地抑制了谐波。
2 性能试验
2.1 电压电流测量传感器试验
为了实现电源控制器的欠压、过压及过流的保护功能，需要对输出的电压、电流值进行测量。依据电源控制器的实际工作需要和设计要求，通过比较，选择 维 博 WBV412SO1，WBV412S41， WBV412S91，WBV412S1的霍尔元件的电压、电流传感器。电压传感器和电流传感器的输出传到PLC的模拟量通道，作为电压、电流保护的输入量［4］。
2.2 可编程控制器A/D通道试验
可编程控制器PLC是电源控制器保护电路的核心，课题组选用西门子公司的S7-200系列的新一代产品CPU224XP［5］。电压/电流传感器输出由PLC内部的A/D变换器变换后，送到PLC的CPU模块中，编程实现过压保护、欠压、过流保护功能。为了匹配保护通道的放大系数，搭建了保护电路的试验电路，对过压保护、欠压、过流保护功能进行了试验，并将试验的数据固化到PLC控制程序中。保护控制程序的梯形图如图4所示。
通过多次试验，控制器的技术指标达到了设计要求，运行稳定可靠。
3 结束语
集散式电源控制器目前累计已运行近6000 h，未出现较大的硬件和软件故障。系统工作稳定可靠，系统的功能达到了设计要求，可以扩展到任何大型综合设备上使用，有效地提高了ATS的平均无故障时间，具有较高的推广应用价值。
图4 保护控制程序梯形图
［1］刘正升，万程亮，蒋志忠，等.自动测试系统中新技术的发展及应用 ［J］.中国测试，2009，35(4):58－61.
［2］尤海鹏，高运征，罗超，等.自动测试系统完全计量的研究与实现［J］.测试技术学报，2011，25(5):382－385.
［3］孟汉城，奚全生.美国自动测试联合技术体系结构的发展［J］.计算机测量与控制，2009，17(4):620－624.
［4］王建新，杨世风，隋美丽.Lab Windows/CVI测试技术及工程应用［M］.北京:化学工业出版社，2006.
［5］梁志国，孟晓风.数据采集系统的远程校准问题讨论［J］.测试技术学报，2009，23(6):526－528.
