图1 多重保护本安电源测试装置硬件总体结构
Fig.1 Hardware overall structure of the testing device for intrinsically safe multi-circuit protection power supply
任高建1,2,3， 鲁远祥2,3， 游青山2,3， 付少华4
(1.煤炭科学研究总院， 北京 100013； 2.中煤科工集团重庆研究院有限公司， 重庆 400039；3.瓦斯灾害监控与应急技术国家重点实验室， 重庆 400037； 4.重庆机械电子技师学院， 重庆 400037)
摘要：针对现有本安电源测试方法存在操作不便、流程复杂、准确率低等问题，设计了一种多重保护本安电源测试装置。该装置由自适应电压模块、自适应电流模块、控制模块等核心部件组成，具有测试12、18、24 V电源等多种本安电源及本安电源模块的功能。测试本安电压时，自适应电压模块向被测本安电源加载额定电压值的输入电源，被测本安电源输出端空载，控制模块控制自适应电压模块的输出电压值，并监控本级本安保护电路的输出电压值是否正常，从而实现本级本安电压的测试；测试本安电流时，自适应电压模块向被测本安电源加载额定电压值的输入电源，自适应电流模块加载于被测本安电源输出端，控制模块控制自适应电流模块的负载电流值，并监控本级保护电路的输出电压值是否正常，从而实现本级本安电流的测试；控制模块可控制多重保护电路测试之间的切换。测试结果表明，该装置能自动识别不同电压等级的本安电源，自动加载不同电源负载，可自动预警及准确分析本安电源的性能状态，实现了本安电源测试的自动化及智能化。
关键词：本安电源； 多重保护电路； 电源测试装置； 自动测试
本质安全型直流电源(以下简称本安电源)广泛应用于煤矿井下。由于煤矿井下的特殊工作环境(具有易爆性气体等危险因素)，对本安电源的性能要求极高，所以，必须对本安电源进行性能测试。
目前，国内本安电源主要包括12、18、24 V等多种电压等级[1-3]，普遍采用Ib、Ia保护等级。Ib保护等级要求本安电源及本安电源模块具有两级保护，需要进行6道相关的测试工序，每道工序都有严格的质量控制范围及测试误差控制要求。而本安电源Ia保护等级则要求本安电源及本安电源模块具有三重保护，需要进行8道相关的测试工序。测试工序流程复杂、操作不便、耗时费力，且测试结果准确率低。
文献[4]介绍了一种本安电源测试装置，通过推杆带动推板上的测试探针与待检测本安电源的接线柱接触而进行测试，但该装置仅适用于测试某种特定的本安电源。文献[5]介绍了一种本安仪表自动测试系统，文献[6]介绍了一种通用电源老化测试系统，但这2种系统均没有涉及到多重保护本安电源的测试。文献[7]介绍了一种电源老化测试系统，没有涉及到本安电源的自动测试。文献[8]通过瞬态能量测试方法检验三重化电子电路设计后输出参数的本安符合性、文献[9]介绍的本安防爆关联设备性能自动测试系统、文献[10]介绍的本安电源过流测试电路、文献[11]介绍的温度类输入本安防爆类仪表性能自动测试系统均没有涉及到多重保护本安电源的自动测试。低电压输出直流电源的测试老化系统[12]、基于矿用广播功放的测试系统[13]及本安电源的自动测试老化系统[14]在很大程度上解决了现有矿用本安电源的自动测试及老化问题，但该系列系统均侧重于本安电源老化过程的自动监控，也没有涉及到多重化本安电源及保护模块的自动测试。
鉴此，本文提出了一种多重保护本安电源测试装置，该装置包括自适应电压模块、自适应电流模块、控制模块等核心部件，具有自动过压保护测试、自动过流保护测试及Ia、Ib、Ic保护等级自动切换等功能，实现了对多重保护本安电源和本安电源模块的自动测试[15]。
多重保护本安电源测试装置可测试12、18、24 V等多种本安电源及本安电源模块，只要一键按下，就可开始自动测试。装置可自动监视并显示被测本安电源的测试过程，同时可将参数通过RS485通信上传至上位机中心站软件进行处理，同时本地判断所有被测本安电源是否正常，若本安电源参数不在所期望的参数范围内，则关闭被测本安电源的测试，同时显示自动定位的故障，并进行报警。上位机中心站软件显示所有被测本安电源的参数信息，若发现故障，会对出现故障的被测本安电源进行报警提示，自动记录相关参数并且保存到数据库中，提示工作人员对出现故障的被测本安电源进行检查维修，直至所有批量生产的被测本安电源及本安电源保护模块合格入库。
多重保护本安电源测试装置的硬件主要包括电源模块、自适应电压模块、自适应电流模块、控制模块、限流限压模块等，如图1所示。
图1 多重保护本安电源测试装置硬件总体结构
Fig.1 Hardware overall structure of the testing device for intrinsically safe multi-circuit protection power supply
电源模块主要用于将市电转换为直流电并输出，经过开关电源电路稳压后，电压由DC24 V降低为5 V，再经过第2级LDO降压芯片稳压为3.3 V之后，给控制器供电。限流限压模块主要用于后级电路自身的限流限压保护。
自适应电压模块主要用于将电源模块输出的直流电压转换为被测本安电源测试所需电压并加载于被测本安电源。自适应电压模块设计核心思想是通过单片机输出PWM波，经过RC网络形成稳定的控制电压，该控制电压叠加在开关电源中反馈电路的采集电压上(或者直接由单片机提供反馈采集电压)，使开关电源稳定地输出某一固定的电压值；若改变单片机输出PWM波的占空比，则能使开关电源的输出电压值得以改变。通过以上调节达到输出电压自动适应测试所需0～30 V的目的。自适应电压模块硬件原理如图2所示。
图2 自适应电压模块硬件原理
Fig.2 Hardware principle of adaptive voltage module
自适应电流模块主要用于将电源模块输出的电流转换为被测本安电源测试所需电流并加载于被测本安电源。自适应电流模块设计核心思想是通过单片机输出PWM波，经过RC网络形成稳定的控制电压，该控制电压叠加在比较器正向基准电压上(或者直接由单片机提供正向基准电压)，与反馈电路的负向输入采集电压相比较，控制NMOSFET管的基极电压，使开关管处于线性放大状态，从而调节输出的负载电流。通过反馈电流采样，然后进行运算放大，获得当前实际的电流值。若改变单片机输出PWM波的占空比，则能使电子负载的输出电流值得以改变。通过以上调节达到输出电流自动适应测试所需0～2 A的目的。自适应电流模块硬件原理如图3所示。
图3 自适应电流模块硬件原理
Fig.3 Hardware principle of adaptive current module
控制模块可根据被测本安电源的输出电压或者输出电流向自适应电压模块或自适应电流模块输出控制信号，以改变自适应电压模块输出的加载电压或者改变自适应电流模块输出的加载电流。
本安电压测试时，自适应电压模块向被测本安电源加载额定电压值的输入电源，被测本安电源输出端空载，通过控制自适应电压模块的输出电压值，并监控本级本安保护电路的输出电压值是否正常，从而实现本级本安电压的测试。
本安电流测试时，自适应电压模块向被测本安电源加载额定电压值的输入电源，自适应电流模块加载于被测本安电源输出端，通过控制自适应电流模块的负载电流值，并监控本级保护电路的输出电压值是否正常，从而实现本级本安电流的测试。
控制模块控制多重保护电路之间的切换，切换之前，自适应电压模块与自适应电流模块均已停止工作。如测试Ib保护等级的本安电源的过程：测试第1重本安电源保护电路时，自适应电压模块加载被测本安电源第1重保护电路输入端，自适应电流模块加载被测本安电源第1重保护电路输出端。同理，测试第2重本安电源保护电路时，自适应电压模块加载被测本安电源第2重保护电路输入端，自适应电流模块加载被测本安电源第2重保护电路输出端。两重保护电路之间通过MOSFET管同时切换。控制模块两重保护电路切换原理如图4所示。
图4 控制模块两重保护电路切换原理
Fig.4 Switch principle of multiple protection circuit of control module
本安电源测试步骤如下：
(1) 获取被测本安电源的相应参数。被测本安电源的参数包括电压等级、保护等级，还应考虑附加因素等的影响，比如本安电源的运行时间、运行环境参数(包括温度和湿度)。如果运行时间较长，且运行的环境温度和湿度均较高，则可以降低电压或者电流的最高加载值；如果运行时间较短且环境温度和湿度均在设定值范围内，则可将电压或者电流的最高加载值保持在最高值(该最高值不得高于出厂设定的最高加载值)，从而能够准确测试本安电源的性能。
(2) 根据被测本安电源的相应参数设定其电流/电压的加载参数。
(3) 对被测本安电源进行电流加载或电压加载，测定被测本安电源的输出电压和电流，在加载过程中，由设定的起始点逐渐增加加载电流或者电压到设定的加载上限阈值。
(4) 根据被测本安电源的输出电压和电流判定被测本安电源的性能状态。
在步骤(4)中，比较被测本安电源的输出电流与设定的电流范围，且不同的电压等级对应不同的电流范围：当输出电流小于电流范围的下限阈值时，判定被测本安电源的过流保护值偏低，记录实际输出电流值，终止测试；当输出电流大于电流范围的上限阈值时，判定被测本安电源的过流保护值偏高，记录实际输出电流值，终止测试；当输出电流位于电流范围内时，判定被测本安电源在本电压等级的过流保护值正常，记录实际输出电流值，并返回步骤(3)。比较被测本安电源的输出电流与上次测试输出电流，可以准确反映出本安电源的输出变化状况，是本安电源性能分析中较为重要的步骤，也是后续过流保护值准确判定的基础。
其中，电压加载的性能判断与根据电流判断本安电源的原理及加载过程完全一致，在此不再赘述。在测试过程中，电流或者电压加载的连续性及动态反馈是保证准确判断的基础，如果在加载过程中不能动态反馈或加载中断，本安电源的自身温度漂移等特性及环境因素的改变，均会导致最终的测试结果不准确。本安电源测试程序流程如图5所示，自适应电压模块和自适应电流模块测试程序流程如图6所示。
(a) 测试主程序流程
(b) 测试子程序流程
图5 本安电源测试程序流程
Fig.5 Flow chart of test program of intrinsically safe power supply
(a) 自适应电压模块
(b) 自适应电流模块
图6 自适应电压模块和自适应电流模块测试程序流程
Fig.6 Flow chart of test program of adaptive voltage module and adaptive current module
实验室条件下，分别测试12、18、24 V等本安电源及本安电源模块的功能，装置自适应识别控制功能测试结果见表1。从表1可看出，测试结果与实际状态一致，说明该装置工作稳定可靠。
表1 装置自适应识别控制功能测试结果
Table 1 Test results of adaptive identification control function of device
对比本测试装置与手动测试之间的差异性。汇总连续6个月本安电源的生产数据，对比实施本装置前后的生产报表，发现本安电源的平均单位测试时间由10 min降低至0.55 min，大大缩短了测试时间。
以12 V本安电源的测试为例，验证本装置测试采集的数据误差是否在允许范围内。验证工具为已校准的FLUKE289万用表。验证过程如下：
(1) 用万用表手动测试每路被测本安电源的保护电压及保护电流值。
(2) 观察LCD显示器及LED灯面板显示的状态。
(3) 比较万用表所测试的数据与本装置所测试的数据，并验证其准确性。验证结果如图7所示。由图7可知，本装置的测试误差小于1%。
(1) 提出并搭建了一种多重保护本安电源测试装置，该装置具有测试12、18、24 V等多种本安电源及本安电源模块的功能,测试精度高。
(a) 保护电压测试对比
(b) 保护电流测试对比
图7 本安电源测试误差
Fig.7 Test error of intrinsically safe power supply
(2) 多重保护本安电源测试装置能自动识别不同电压等级的本安电源，自动加载不同电源负载，可自动预警及分析本安电源的性能状态，实现了本安电源测试的自动化及智能化。
(3) 多重保护本安电源测试装置统一了现有电源等级，为矿用本安电源的稳定性、可靠性提供了技术支撑和保障。但随着技术的发展，电源等级会更多，电源的外观、输入及输出接口、负载要求等也将越来越各异，需要继续深入研究和分析统一的实施方案。
(4) 多重保护本安电源测试装置的设计思路对于其他低电压输出电源的测试具有较好的借鉴作用。
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REN Gaojian1,2,3, LU Yuanxiang2,3, YOU Qingshan2,3, FU Shaohua4
(1.China Coal Research Institute, Beijing 100013,China; 2.CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039,China; 3.State Key Laboratory of Gas Disaster Monitoring and Emergency Technology, Chongqing 400037,China; 4.Chongqing Mechanical and Electronic Technician College, Chongqing 400037,China)
Abstract:In order to solve problems of inconvenient operation, complicated process and low accuracy of existing test methods of intrinsically safe power supply, a testing device for intrinsically safe multi- circuit protection power supply was designed. The device consists of adaptive voltage module and adaptive current module, control module, and has testing functions of intrinsically safe power supply and safety power supply module with 12, 18, 24 V power supply. Adaptive voltage module loads input power with rated voltage value to measured intrinsically safe power supply when tested voltage, output power end of measured intrinsically safe power supply is no-load, control module managements output voltage value of adaptive voltage module, and monitors output voltage of safety protection circuit at the corresponding levels is normal or not, so as to realize voltage testing at the corresponding levels; Adaptive voltage module loads input power with rated voltage value to measured intrinsically safe power supply when tested current, adaptive current module is loaded to output power end of measured intrinsically safe power supply, control module managements load current value of adaptive current module, and monitors output voltage of safety protection circuit at the corresponding levels is normal or not, so as to realize current testing at the corresponding levels; Control module can control switch ammong multiple protection circuit testing. The test results show that the device can automatically identify different voltage grade of intrinsically safe power supply, automatically load different power load, and can automatically warn and accurately analyze performance of the power supply, which implements automation and intellectualization of testing of intrinsically safe multi-circuit protection power supply.
Key words:intrinsically safe power supply; multi-circuit protection; testing device for power supply; automatic testing
文章编号：1671-251X(2018)01-0044-06
DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2018.01.002
中图分类号：TD605
文献标志码：A 网络出版时间：2017-12-20 10:35
网络出版地址：http://kns.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20171220.0916.001.html
收稿日期：2017-09-21；
修回日期：2017-11-23；
责任编辑：张强。
基金项目：国家重点研发计划资助项目(2016YFC0801405)。
作者简介：任高建(1990-)，男，山西长治人，硕士研究生，主要研究方向为安全监控、矿井电源技术，E-mail：842548369@qq.com。通信作者：游青山(1981-)，男，重庆人，副研究员，硕士，现主要从事安全监控、感知矿山等方面的研究、测试及工艺设计工作，E-mail：youqingshan@163.com。
引用格式：任高建，鲁远祥，游青山，等.多重保护本安电源测试装置[J].工矿自动化，2018,44(1)：44-49.
REN Gaojian,LU Yuanxiang,YOU Qingshan,et al.A testing device for intrinsically safe multi-circuit protection power supply[J].Industry and Mine Automation，2018,44(1)：44-49.