80kV交流耐压试验机控制系统设计与实现

时间：2024-08-31

张转辉

（甘肃交通职业技术学院汽车与筑机工程系，甘肃兰州 730070）

0 引言

交流耐压机是控制台、无局放试验变压器分体的耐压设备，具有操作灵活、零位启动、电流保护、自动降压并分闸、读数准确直观等特点。本文设计的基于单片机的80kV耐压机控制系统主要是为了满足一些需要高、低电压耐压试验的企业检验产品，从而保证作业的安全、准确和可靠。

1 控制系统需求和功能分析

随着工业管理及自动化的深入应用，要求控制设备功能自治、管理系统结构高度分散及管控一体化。80kV耐压机设备包括控制台、无局放试验变压器等［1］，它们由单片机控制器控制，这些控制器构成设备的控制层。设计要求每台设备可以在“手动控制试验”与“自动控制试验（触摸屏）”方式下运行。在手动方式下，通过单片机的P0口输出开关量和脉冲信号来控制步进电机带动柱式调压器上升或者下降，为了降低干扰及保证高低压之间的直接连接，通过隔离变压器进行隔离处理。在手动测试时由数字电压表显示电压值及泄漏电流值，以便操作者实时观察电压值。当电压表显示到设定值时，电压表内部继电器输出触点闭合，使计时器线圈得电并开始按设定的计时时间计时。待计时结束后，计时器发出开关量信号传给单片机，从而控制电机自动反转到下限位并断开主接触器。在自动方式时，耐压试验机触摸屏控制部分增强了人机沟通功能，以便操作者对耐压试验机的各种参数进行设置，对测量结果进行数据存储和查询，直观地记录并显示耐压测试过程中电压的上升值和泄漏电流值，并在测试完毕后自动降压。

80kV耐压机控制系统包括自动保护功能模块、试验参数可调节功能模块、安全提示功能模块、零位保护功能模块、自动分闸功能模块和自动调压功能模块。

（1）自动保护功能模块。在试验过程中当泄漏电流值超过预设规定值时，耐压机自动切断电源，有效地保护被试品，预防严重损坏，同时发出声光报警，并且调压器自动回零位。

（2）试验参数可调节功能模块。该耐压设备能在AC 0kV～80kV连续可调试验电压值，泄漏电流值在0mA～300mA连续可调。耐压时间可以设定试验所需时间，在设定时间到后自动回零并分闸。

（3）安全提示功能模块。在试验过程中一直伴随着声光警灯提示，非操作人员切勿接近，避免发生事故。试品如果发生击穿、闪络现象时，耐压机自动切断输出电源并声光报警，调压器回零位。二次启动时必须按一下报警解除按钮，使其复位，方可再次试验。在试验过程中如遇突发事件，可按急停按钮，使其快速切断所有电源，此时，急停指示电源指示灯亮。

（4）零位保护功能模块。在调压器没有归零，直接按分闸、急停按钮或突然停电的情况下，再次送电时，调压器自动回零位，方可再次启动。

（5）自动分闸功能模块。当试验时间达到电压自动下降时，下降到一定安全电压下自动分闸切断电流。

（6）自动调压模块。调压速度分1，2，3，4四档可供选择。调压速度是耐压机测试系统中升、降压速度的选择。

80kV耐压试验机控制系统功能模块如图1 所示。

2 控制系统设计

2.1 控制要求

80kV交流耐压试验机能在0kV～80kV内连续可调试验电压值，并且同时可以在电压上升和保持的过程中测试到被测试设备的泄漏电流值（0mA～350 mA的范围）。基于单片机控制的80kV耐压机有两种操作模式：手动和自动。手动时可以通过人工操作面板上的“上升”和“下降”按钮调节电压；自动时可以通过触摸式一体机的耐压机操作控制程序，将控制信号通过RS232串口与单片机控制板进行通讯而达到对被测设备进行耐压试验。80kV耐压试验机总体结构框图如图2 所示。

图1 80kV耐压实验机控制系统功能模块图

图2 80kV耐压试验机总体结构框图

2.2 硬件设计

系统硬件主要包括监控上位计算机、LCD触摸屏LJD-eWin7000-L42、数字时间继电器 DH48S、电压表DSBA、电流表DSBA、无局放低通滤波器6L-LD-5、调压器 TELGZ、变压器 YD0W-J、步进电机驱动器SH2024B2、步进电机57BYGH、单片机 LJD-51-XB＋等［2］。上位机采用工业控制计算机，采用控制信号通过串口RS232与单片机控制板进行通讯。主要通讯过程为单片机的P0口输出开关量和脉冲信号来控制调压器上升，通过隔离变压器调解输出电压。因此单片机可以通过串口RS232接口简单而方便地与监控上位机进行通讯，从而完成系统的硬件连接与通讯。

在以单片机STC89C52［3］为主体的控制系统中主要包括输入和输出两部分。

（1）输入部分：主要有开关量输入信号和模拟量输入信号。系统的开关量输入信号包括上升、下降、调压器上限位、调压器下限位、电压控制、电流报警、时间继电器计时结束，接收来自传感器输出的模拟信号以及经过光耦隔离的开关量信号。模拟量输入信号包括电压采集通道信号及漏电电流采集通道信号。

（2）输出部分：步进电动机的转动通过输出光耦隔离的开关量信号来控制，从而达到带动调压器实现升、降压的功能，主回路的通断控制通过输出光耦隔离开关量信号控制继电器的通断来实现。系统的开关量输出信号主要包括驱动步进电机方向和脉冲的2个信号，驱动继电器工作的上升指示、下降指示、报警指示及主接触器分闸指示的信号。

2.3 软件设计

80kV耐压机的软件设计包括上位机人机界面的软件设计和下位机执行程序的软件设计。

2.3.1 上位机软件设计

监控上位计算机系统所采用的开发工具是C＃，C＃是一种面向对象的编程语言，主要用于开发在.NET平台上运行的应用程序。C＃是从C和C＋＋派生出来的一种简单、现代、面向对象和类型安全的编程语言，其语言体系都构建在.NET框架上，并且能够与.NET框架完美结合。C＃具有如下突出的特点：①语法简洁；②彻底地面向对象设计；③强大的安全机制；④兼容性强；⑤灵活的版本处理技术；⑥完善的错误、异常处理机制。

2.3.2 下位机软件设计

下位机主要由单片机来控制，其软件程序的编写采用了目前较流行的编程高级语言——C语言。在设计中采用了Keil C51为编程软件平台，其集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM语言和C语言的程序设计，界面友好，功能强大，其指令系统与8051的指令系统完全兼容，而且允许的晶振频率范围也大有提高。其高速的特点使其完成同样的操作所需要的时间更短，因而在相同晶振频率下可以完成更多的工作，完全能满足系统的需求。

通过软件的运行和硬件的操作都可以对单片机的整个控制系统进行初始化设计，对80kV耐压机的整个系统及被测试设备进行自动保护与复位。在测试过程中按照下位机单片机软件所设计的中断优先级来执行相应的中断程序，在执行中断程序的过程中，每个不同程序段就会发出开关量信号来控制继电器的吸合与断开，从而控制指示灯或者主断路器的通断。