張轉(zhuǎn)輝

（甘肅交通職業(yè)技術(shù)學院 汽車與筑機工程系，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

交流耐壓機是控制臺、無局放試驗變壓器分體的耐壓設(shè)備，具有操作靈活、零位啟動、電流保護、自動降壓并分閘、讀數(shù)準確直觀等特點。本文設(shè)計的基于單片機的80kV耐壓機控制系統(tǒng)主要是為了滿足一些需要高、低電壓耐壓試驗的企業(yè)檢驗產(chǎn)品，從而保證作業(yè)的安全、準確和可靠。

1 控制系統(tǒng)需求和功能分析

隨著工業(yè)管理及自動化的深入應(yīng)用，要求控制設(shè)備功能自治、管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散及管控一體化。80kV耐壓機設(shè)備包括控制臺、無局放試驗變壓器等［1］，它們由單片機控制器控制，這些控制器構(gòu)成設(shè)備的控制層。設(shè)計要求每臺設(shè)備可以在“手動控制試驗”與“自動控制試驗（觸摸屏）”方式下運行。在手動方式下，通過單片機的P0口輸出開關(guān)量和脈沖信號來控制步進電機帶動柱式調(diào)壓器上升或者下降，為了降低干擾及保證高低壓之間的直接連接，通過隔離變壓器進行隔離處理。在手動測試時由數(shù)字電壓表顯示電壓值及泄漏電流值，以便操作者實時觀察電壓值。當電壓表顯示到設(shè)定值時，電壓表內(nèi)部繼電器輸出觸點閉合，使計時器線圈得電并開始按設(shè)定的計時時間計時。待計時結(jié)束后，計時器發(fā)出開關(guān)量信號傳給單片機，從而控制電機自動反轉(zhuǎn)到下限位并斷開主接觸器。在自動方式時，耐壓試驗機觸摸屏控制部分增強了人機溝通功能，以便操作者對耐壓試驗機的各種參數(shù)進行設(shè)置，對測量結(jié)果進行數(shù)據(jù)存儲和查詢，直觀地記錄并顯示耐壓測試過程中電壓的上升值和泄漏電流值，并在測試完畢后自動降壓。

80kV耐壓機控制系統(tǒng)包括自動保護功能模塊、試驗參數(shù)可調(diào)節(jié)功能模塊、安全提示功能模塊、零位保護功能模塊、自動分閘功能模塊和自動調(diào)壓功能模塊。

（1）自動保護功能模塊。在試驗過程中當泄漏電流值超過預設(shè)規(guī)定值時，耐壓機自動切斷電源，有效地保護被試品，預防嚴重損壞，同時發(fā)出聲光報警，并且調(diào)壓器自動回零位。

（2）試驗參數(shù)可調(diào)節(jié)功能模塊。該耐壓設(shè)備能在AC 0kV～80kV連續(xù)可調(diào)試驗電壓值，泄漏電流值在0mA～300mA連續(xù)可調(diào)。耐壓時間可以設(shè)定試驗所需時間，在設(shè)定時間到后自動回零并分閘。

（3）安全提示功能模塊。在試驗過程中一直伴隨著聲光警燈提示，非操作人員切勿接近，避免發(fā)生事故。試品如果發(fā)生擊穿、閃絡(luò)現(xiàn)象時，耐壓機自動切斷輸出電源并聲光報警，調(diào)壓器回零位。二次啟動時必須按一下報警解除按鈕，使其復位，方可再次試驗。在試驗過程中如遇突發(fā)事件，可按急停按鈕，使其快速切斷所有電源，此時，急停指示電源指示燈亮。

（4）零位保護功能模塊。在調(diào)壓器沒有歸零，直接按分閘、急停按鈕或突然停電的情況下，再次送電時，調(diào)壓器自動回零位，方可再次啟動。

（5）自動分閘功能模塊。當試驗時間達到電壓自動下降時，下降到一定安全電壓下自動分閘切斷電流。

（6）自動調(diào)壓模塊。調(diào)壓速度分1，2，3，4四檔可供選擇。調(diào)壓速度是耐壓機測試系統(tǒng)中升、降壓速度的選擇。

80kV耐壓試驗機控制系統(tǒng)功能模塊如圖1 所示。

2 控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 控制要求

80kV交流耐壓試驗機能在0kV～80kV內(nèi)連續(xù)可調(diào)試驗電壓值，并且同時可以在電壓上升和保持的過程中測試到被測試設(shè)備的泄漏電流值（0mA～350 mA的范圍）。基于單片機控制的80kV耐壓機有兩種操作模式：手動和自動。手動時可以通過人工操作面板上的“上升”和“下降”按鈕調(diào)節(jié)電壓；自動時可以通過觸摸式一體機的耐壓機操作控制程序，將控制信號通過RS232串口與單片機控制板進行通訊而達到對被測設(shè)備進行耐壓試驗。80kV耐壓試驗機總體結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。

圖1 80kV耐壓實驗機控制系統(tǒng)功能模塊圖

圖2 80kV耐壓試驗機總體結(jié)構(gòu)框圖

2.2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件主要包括監(jiān)控上位計算機、LCD觸摸屏LJD-eWin7000-L42、數(shù)字時間繼電器 DH48S、電壓表DSBA、電流表DSBA、無局放低通濾波器6L-LD-5、調(diào)壓器 TELGZ、變壓器 YD0W-J、步進電機驅(qū)動器SH2024B2、步進電機57BYGH、單片機 LJD-51-XB＋等［2］。上位機采用工業(yè)控制計算機，采用控制信號通過串口RS232與單片機控制板進行通訊。主要通訊過程為單片機的P0口輸出開關(guān)量和脈沖信號來控制調(diào)壓器上升，通過隔離變壓器調(diào)解輸出電壓。因此單片機可以通過串口RS232接口簡單而方便地與監(jiān)控上位機進行通訊，從而完成系統(tǒng)的硬件連接與通訊。

在以單片機STC89C52［3］為主體的控制系統(tǒng)中主要包括輸入和輸出兩部分。

（1）輸入部分：主要有開關(guān)量輸入信號和模擬量輸入信號。系統(tǒng)的開關(guān)量輸入信號包括上升、下降、調(diào)壓器上限位、調(diào)壓器下限位、電壓控制、電流報警、時間繼電器計時結(jié)束，接收來自傳感器輸出的模擬信號以及經(jīng)過光耦隔離的開關(guān)量信號。模擬量輸入信號包括電壓采集通道信號及漏電電流采集通道信號。

（2）輸出部分：步進電動機的轉(zhuǎn)動通過輸出光耦隔離的開關(guān)量信號來控制，從而達到帶動調(diào)壓器實現(xiàn)升、降壓的功能，主回路的通斷控制通過輸出光耦隔離開關(guān)量信號控制繼電器的通斷來實現(xiàn)。系統(tǒng)的開關(guān)量輸出信號主要包括驅(qū)動步進電機方向和脈沖的2個信號，驅(qū)動繼電器工作的上升指示、下降指示、報警指示及主接觸器分閘指示的信號。

2.3 軟件設(shè)計

80kV耐壓機的軟件設(shè)計包括上位機人機界面的軟件設(shè)計和下位機執(zhí)行程序的軟件設(shè)計。

2.3.1 上位機軟件設(shè)計

監(jiān)控上位計算機系統(tǒng)所采用的開發(fā)工具是C＃，C＃是一種面向?qū)ο蟮木幊陶Z言，主要用于開發(fā)在.NET平臺上運行的應(yīng)用程序。C＃是從C和C＋＋派生出來的一種簡單、現(xiàn)代、面向?qū)ο蠛皖愋桶踩木幊陶Z言，其語言體系都構(gòu)建在.NET框架上，并且能夠與.NET框架完美結(jié)合。C＃具有如下突出的特點：①語法簡潔；②徹底地面向?qū)ο笤O(shè)計；③強大的安全機制；④兼容性強；⑤靈活的版本處理技術(shù)；⑥完善的錯誤、異常處理機制。

2.3.2 下位機軟件設(shè)計

下位機主要由單片機來控制，其軟件程序的編寫采用了目前較流行的編程高級語言——C語言。在設(shè)計中采用了Keil C51為編程軟件平臺，其集編輯、編譯、仿真于一體，支持匯編、PLM語言和C語言的程序設(shè)計，界面友好，功能強大，其指令系統(tǒng)與8051的指令系統(tǒng)完全兼容，而且允許的晶振頻率范圍也大有提高。其高速的特點使其完成同樣的操作所需要的時間更短，因而在相同晶振頻率下可以完成更多的工作，完全能滿足系統(tǒng)的需求。

通過軟件的運行和硬件的操作都可以對單片機的整個控制系統(tǒng)進行初始化設(shè)計，對80kV耐壓機的整個系統(tǒng)及被測試設(shè)備進行自動保護與復位。在測試過程中按照下位機單片機軟件所設(shè)計的中斷優(yōu)先級來執(zhí)行相應(yīng)的中斷程序，在執(zhí)行中斷程序的過程中，每個不同程序段就會發(fā)出開關(guān)量信號來控制繼電器的吸合與斷開，從而控制指示燈或者主斷路器的通斷。

3 應(yīng)用效果

2008年5月GNYZ80II-24型80kV耐壓試驗機投入現(xiàn)場使用?，F(xiàn)場使用證明該系統(tǒng)安全可靠、測試效率高。由于監(jiān)控上位計算機與單片機通訊協(xié)議的保證，系統(tǒng)具有故障后再啟動自動恢復執(zhí)行功能，可避免繁瑣的維護操作，深受用戶好評。

［1］林梅芬，許晶.變頻串聯(lián)諧振在變壓器交流耐壓試驗中的應(yīng)用［J］.水電能源科學，2010（2）：155-157.

［2］鄭寶瑞，陸仲達.基于單片機的步進電機控制系統(tǒng)的研制［J］.齊齊哈爾大學學報，2010（4）：46-49.

［3］張勁.利用AT89S52單片機控制步進電機［J］.常州工程職業(yè)技術(shù)學院學報，2008（2）：73-75.