基于虚拟仪器技术的矿用电源自动检测系统设计

薛 琴，谢文强

（中国煤炭科工集团西安研究院有限公司，西安710077）

矿用电源是实现电能变换和功率传递的主要设备，是各种矿用设备必不可缺的组成部分，其性能的优劣直接关系到矿用设备能否满足技术指标要求，能否安全可靠地工作[1]。随着煤矿智能化的发展，自动测试系统的出现极大的提高了产品的测试速度和精度[2]。虚拟仪器技术主要应用于仪器设备的控制、测量分析和数据采集、显示分析，利用其进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统，可大大提高工作效率[3]。硬件平台包括计算机和仪器硬件以及外围电路组成，主要功能是获取真实的被测信号[4]。矿用电源检测多采用分散式手工测试方法，检测时，先将电源的输出引线接到测试夹具上，通过调节测试夹具上的可变电阻来模拟被试电源的各种不同负载工矿，然后用仪表测量引线上的电压、电流等输出值[5-7]。这种测试方法不仅测试效率低、精度低且不能溯源测试过程。因此，本文针对矿用电源检测设备离散、测试时间长、效率低的问题，提出了基于虚拟仪器技术的矿用直流电源自动检测系统。

1 系统总体设计

根据 《MT/T 408-1995 煤矿用直流稳压电源》中针对矿用电源的测试要求，系统设计的核心思想是充分发挥虚拟仪器技术，所有测试功能均在软件中实现，提高系统的稳定性和可靠性。测试系统采用PCI 总线工控机作为控制核心，配置可编程交流电源、可编程多路电子负载、数字记忆示波器和电压/电流测试仪表等多个仪器设备，并以Ethernet，USB，RS-485 和RS-232 等通讯方式组建测控网络系统，完成对煤矿用直流稳压电源的各项性能试验。整个系统设备安装在控制机柜中，在专用定制测试软件的控制下，可以对各路电源的性能指标同时进行测试，以提高测试效率，同时保证同一台电源的各路输出测试条件的一致性，从而使被测电源各路输出性能指标的测试结果更加准确可靠。系统总体设计结构如图1所示。

图1 系统总体设计结构图Fig.1 Structure diagram of overall system design

2 系统硬件设计

系统硬件部分主要包括程控交流电源模块、可编程电子负载、数字示波器、串口通讯卡、继电器板以及控制机柜。外围硬件与虚拟仪器平台之间采用Ethernet，USB，RS-485 和RS-232 等通讯方式组建测控网络系统。

2.1 程控交流电源模块选型设计

程控交流电源模块是在测试过程中，根据行业检测标准，给被测电源提供标准输入电源。其性能参数需满足：稳定度≤1%；波形失真≤5%；频率变化为（50±1）Hz。根据以上指标要求，以及交流电源的输出电压电流大小范围，并预留一定的系统扩展能力，交流稳压电源选用台湾艾德克斯公司的可编程交流电源I7324H。

2.2 可编程电子负载选型设计

可编程电子负载，是利用电子技术设计可吸收被测电源所释放的能量的装置，可模拟真实的阻抗效应，是电源测试重要的试验设备。系统设计考虑到需要模拟4 种工作模式，分别是恒流模式、恒压模式、恒阻模式和恒功率模式。因此硬件系统采用台湾艾德克斯公司的IT8731 系列电子负载作为被测电源的模拟负载，可同时检测被测电源的电压、电流以及功率等参数，并通过串口通讯方式反馈至计算机。

2.3 数字示波器选型设计

数字示波器是为了进行电源的周期与随机偏移测试而设计的。为了准确的测量出电源的周期与随机偏移值，不仅需要准确的方法，同时还需要较高精度的示波器完成。针对开关电源而言，高频纹波，须使用20 MHz 以上的采样频率进行采样，系统设计为不大于4 路电源输出。根据上述要求，系统采用泰克公司的数字示波器DPO2024B，通过以太网连接，将数据传输至计算机。

2.4 串口通讯卡选型设计

根据测试系统要求，系统配置MOXA 的PCI 总线串口通讯板卡CP-118U-I，可提供RS-232 和RS-485 通讯接口。CP-118U-I 为聪明型8 串口卡，专为多点和PC-based 数据采集应用而设计，是为工业自动化系统集成商量身定制的一种新型解决方案，CP-118U-I 板载ADDC®，提高通信精度，具有8 个RS-232/422/485 串行通信端口，波特率最高达921.6 Kbps，2 kV 的光电隔离可以有效防止CP-118U-I 由于电位差引起的损坏。

3 系统软件设计

为了使测试系统达到快捷、高效的测试效果，除了合理设计和选择硬件电路外，还必须有高质量的软件来对各硬件设备进行有效地实时控制和管理。测试软件设计的好坏，将直接决定自动测试系统的测试质量和效率。测试系统应用软件及测试用例采用NI公司的LabVIEW 2017 和Teststand 2017 联合进行开发设计，软件运行环境为Windows 7 操作系统。

3.1 系统软件结构

电源测试系统采用模块化设计思路实现。根据矿用电源检测标准要求，针对矿用电源每一项试验设立了相应的控制程序模块，检验可根据实际要求任意选择和组合测试项目。系统软件设计了友好的人机交互界面，方便用户操作使用。系统对参数设置进行分类，不同的参数设定不同级别的设置权限，防止设置参数被随意更改。系统软件结构设计主要包括4 大测试模块：设备管理模块、设备控制模块、测试项目模块以及数据管理模块，系统软件功能如图2所示。

图2 系统软件功能框图Fig.2 Functional block diagram of system software

3.2 系统测试流程设计

系统测试设计了2 种测试模式：自动测试和手动测试。检验员可根据情况选定测试项目并设置相应参数后开始测试，测试软件按照设定流程进行，从产品上电开始顺序执行相关测试步骤，完成被试产品的性能测试。测试过程中软件记录存储测试数据，并自动生成测试报告。系统测试流程如图3所示。

图3 系统测试流程图Fig.3 System test flow chart

测试软件启动时，设备通过RS-232 总线、RS-485总线、以太网总线和PCI 总线自动调用标准仪器设备和工控机内板卡的内置自检功能，启动仪器板卡和标准仪器自动测试功能，并根据自动测试结束后返回的数据判断自检是否正常。如果自检正常，则测试软件给出提示信息，并自动运行下一步软件功能。如果自检异常，则测试软件给出报警信息，由用户选择是否继续下一步软件操作。被试产品上电时，测试软件会根据设定的电源参数，判断电源输出电压、电流参数是否正常，如果电源输出正常，则继续进行产品测试；如果电源输出异常，则中断电源输出，并给出电源故障报警。

4 结语

本文详细介绍了基于虚拟仪器的矿用直流稳压电源检测系统的硬件组成和软件开发过程。系统硬件采用统一打包封装，并进行电气化改造的方式，简化了系统组成，扩展了系统性能，满足多种型号电源的现场检定需求。系统软件采用虚拟仪器技术进行模块化和层次化设计，提高了系统开发效率及软件的可移植性与可维护性。电源检测系统的设计实现了检验数据的电子化和检验程序的自动化，从根本上解决了目前矿用直流稳压电源检测时间长、效率低、误差影响因素多的问题。