煤礦井下直流穩(wěn)壓電源自動檢測裝置的設(shè)計(jì)

馮海亮，劉 超，王海南

（1.煤炭科學(xué)技術(shù)研究院有限公司，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100013；3.北京市煤礦安全工程技術(shù)研究中心，北京100013）

進(jìn)入21世紀(jì)以來，國內(nèi)煤礦陸續(xù)采用先進(jìn)的井下監(jiān)控、自動化設(shè)備保障煤礦井下安全。井下各系統(tǒng)需要365天24小時不間斷工作，并且由于井下特殊的環(huán)境及頻繁停電檢修等情況，因此煤礦直流穩(wěn)壓電源的穩(wěn)定性和可靠性決定了各系統(tǒng)能否正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

在目前國內(nèi)的井下直流穩(wěn)壓電源的日常生產(chǎn)中，基本采用萬用表等簡單測量設(shè)備和手工記錄檢測信息的方式，缺乏高效、便攜的自動化檢測手段，容易造成漏項(xiàng)、檢驗(yàn)參數(shù)不準(zhǔn)、檢驗(yàn)效率低下等情況出現(xiàn)。基于上述現(xiàn)狀和需求，煤炭科學(xué)技術(shù)研究院設(shè)計(jì)研發(fā)了“煤礦井下直流穩(wěn)壓電源自動檢測裝置”。同時電子儀表檢測出的電子測量數(shù)據(jù)，通過信息采集與控制單元到上位機(jī)軟件，為數(shù)據(jù)分析提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。10臺被測產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)自動輪流切換檢測。

經(jīng)過充分論證，本設(shè)計(jì)采用RS485總線和模擬量輸入、控制量輸出的二級分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。信息采集與控制系統(tǒng)與上位機(jī)通信采用RS485總線方式，信息采集與控制系統(tǒng)與交流調(diào)壓單元、被測產(chǎn)品選擇控制單元和模擬負(fù)載及電壓電流采集單元通信采用模擬量輸入和控制量輸出的方式。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)均采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，系統(tǒng)通信設(shè)備之間傳輸介質(zhì)均為兩芯雙絞線。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖1 硬件總體設(shè)計(jì)方案圖

1.1 硬件總體方案

系統(tǒng)設(shè)計(jì)共分為交流調(diào)壓單元、信息采集與控制單元、被測產(chǎn)品選擇控制單元、模擬負(fù)載及電壓電流采集單元4個部分，如圖1所示。

設(shè)計(jì)完成后，能夠?qū)崿F(xiàn)10臺被測產(chǎn)品的自動模擬交流電網(wǎng)波動，模擬短路、斷路、全載等多種負(fù)載形式，

1.2 交流調(diào)壓單元

本單元設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交流輸入AC127 V、380 V、660 V在75%～110%范圍內(nèi)波動，同時實(shí)現(xiàn)三組電壓互鎖供電，并將調(diào)壓輸出的電壓、電流信號傳送至上位機(jī)顯示。

本單元采用三組調(diào)壓器，通過繼電器對其AC 220 V輸入端進(jìn)行互鎖通斷控制，實(shí)現(xiàn)三組調(diào)壓器的切換，互鎖功能由上位機(jī)控制軟件實(shí)現(xiàn)。調(diào)壓器選用電子調(diào)壓器，每組通過兩個繼電器控制其正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)調(diào)壓。調(diào)壓結(jié)果通過電壓電流表顯示，并通過模擬量4～20 mA信號經(jīng)“信號采集與控制單元”上傳至上位機(jī)，供檢測操作者對調(diào)壓結(jié)果進(jìn)行確認(rèn)。

圖2 交流調(diào)壓單元設(shè)計(jì)方案圖

1.3 信息采集與控制單元

本單元設(shè)計(jì)采用煤炭科學(xué)技術(shù)研究院煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)分站主板3套，每套主板可實(shí)現(xiàn)16路模擬量輸入、8路控制量輸出，同時可實(shí)現(xiàn)通過RS485總線與上位機(jī)進(jìn)行通信。本系統(tǒng)共使用模擬量輸入信號26路，控制量輸出信號19路，使用3套煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)分站主板可滿足使用需求及日后擴(kuò)展需求。

1.4 被測產(chǎn)品選擇控制單元

本單元設(shè)計(jì)目的是為實(shí)現(xiàn)10臺被測產(chǎn)品的10路直流輸出輪流與“模擬負(fù)載及電壓電流采集顯示單元”接通，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)檢測電壓電流數(shù)據(jù)的顯示和上傳上位機(jī)。設(shè)計(jì)采用“信息采集與控制單元”控制量輸出控制繼電器，繼電器再控制切換模塊，對10臺被測產(chǎn)品的10路直流輸出進(jìn)行切換。上位機(jī)軟件對10組控制量進(jìn)行互鎖，以保證被測10臺產(chǎn)品單位時間內(nèi)1臺在檢，如圖3。

圖3 被測產(chǎn)品選擇控制原理圖

1.5 模擬負(fù)載及電壓電流采集顯示單元

模擬負(fù)載單元采用“電子負(fù)載”模擬短路、斷路、全載等多種負(fù)載形式，采用帶模擬量輸出的電壓、電流表顯示信息，并將測量數(shù)據(jù)以模擬量形式經(jīng)“信號采集與控制單元”上傳至上位機(jī)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件以煤炭科學(xué)技術(shù)研究煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行功能完善，實(shí)現(xiàn)電壓、電流數(shù)據(jù)的采集、顯示，報(bào)表的輸出功能，同時實(shí)現(xiàn)對交流調(diào)壓系統(tǒng)的三路互鎖控制及自動調(diào)壓信號的控制，實(shí)現(xiàn)對10路被測產(chǎn)品的互鎖切換控制。系統(tǒng)軟件同時具有操作員權(quán)限功能，能夠?qū)崿F(xiàn)記錄不同檢驗(yàn)員的操作記錄，進(jìn)而滿足ISO9001體系的要求，實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)記錄電子化。

3 結(jié)束語

煤礦井下直流穩(wěn)壓電源自動檢測裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電壓電流數(shù)據(jù)的采集顯示和上傳，從而實(shí)現(xiàn)了檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的電子化、自動調(diào)壓和自動被測產(chǎn)品切換，提高了裝置的自動化程度。此裝置的設(shè)計(jì)，從根本上解決了煤礦井下直流穩(wěn)壓電源缺乏高效、便攜的自動化檢測手段的現(xiàn)狀，同時提高了檢測效率和準(zhǔn)確性。

［1］ 中華人民共和國煤炭工業(yè)部.MT／T408—1995煤礦用直流穩(wěn)壓電源［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1995.

［2］ 梁 森，歐陽三泰，王侃夫.自動檢測技術(shù)及應(yīng)用［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

［3］ 祝常紅.數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2008.

［4］ 王成安，李福軍.電子測量技術(shù)與儀器［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［5］ 湯 平.單片機(jī)與上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)［M］.重慶：重慶大學(xué)出版社，2013.