鐵路安全繼電器測(cè)試臺(tái)架的研制與應(yīng)用

李亞男

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)鐵路運(yùn)營(yíng)管理山西有限公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037003）

作為鐵路信號(hào)控制系統(tǒng)中最關(guān)鍵的電子器件之一，鐵路安全繼電器需要在出廠和使用過(guò)程中對(duì)其各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)試[1]。鐵路安全繼電器（AX型）必須定期對(duì)其電氣特性參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。其主要電氣特性參數(shù)包括：充磁值、釋放值、工作值、反向工作值等。常規(guī)鐵路安全繼電器的測(cè)試方法是通過(guò)人工手動(dòng)旋轉(zhuǎn)自耦變壓器給繼電器充放電，然后讀取模擬表頭指針?biāo)傅膮?shù)值并記錄[2]。這種測(cè)試方式必然會(huì)帶來(lái)誤差和不準(zhǔn)確性，所以需要一種自動(dòng)化、高精度繼電器測(cè)試系統(tǒng)，能夠自動(dòng)測(cè)量繼電器的電氣參數(shù)。

1 繼電器測(cè)試臺(tái)架組成

鐵路安全繼電器測(cè)試臺(tái)架主要由主控模塊、觸摸屏、驅(qū)動(dòng)電路、測(cè)量電路、繼電器測(cè)試臺(tái)等組成。主控模塊負(fù)責(zé)觸摸屏、測(cè)量電路中的信息采集以及通過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)待測(cè)繼電器。觸摸屏實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。驅(qū)動(dòng)電路和測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)繼電器供電、電氣參數(shù)測(cè)量。測(cè)試臺(tái)為工作臺(tái)，測(cè)試臺(tái)上布置有各類繼電器測(cè)試接口。

1.1 硬件系統(tǒng)

鐵路安全繼電器測(cè)試臺(tái)架使用型號(hào)為CPM2A 的PLC 作為主控模塊、人機(jī)交互使用ET500 系列觸摸屏完成，設(shè)計(jì)測(cè)試項(xiàng)目有：繼電器接觸器測(cè)試、電磁電子式時(shí)間繼電器測(cè)試、過(guò)流空轉(zhuǎn)繼電器測(cè)試、接地繼電器測(cè)試等測(cè)試項(xiàng)目。其硬件結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1所示。

圖1 硬件電路設(shè)計(jì)

PLC 通過(guò)輸入輸出端口采集繼電器的動(dòng)作，使用擴(kuò)展模擬輸入輸出模塊采集被測(cè)繼電器動(dòng)作時(shí)的電流和電壓值。此外，PLC 將采集到的繼電器的動(dòng)作以及狀態(tài)信息輸出給觸摸屏，并且對(duì)測(cè)試過(guò)程中的異常情況做出故障報(bào)警。

測(cè)試臺(tái)架的軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)由2個(gè)部分組成：1觸摸屏組態(tài)軟件和PLC控制軟件。觸摸屏通過(guò)RS232接口可以實(shí)現(xiàn)與PLC的通信功能，在點(diǎn)擊觸摸屏?xí)r，觸摸屏向PLC 發(fā)送對(duì)應(yīng)信號(hào)，PLC 接到指令后執(zhí)行數(shù)據(jù)計(jì)算以及測(cè)試流程控制。

1.2 軟件系統(tǒng)

PLC 是整個(gè)測(cè)試系統(tǒng)的大腦，它的基本工作原理是：通過(guò)接收模擬信號(hào)輸入和數(shù)字信號(hào)輸入，在程序運(yùn)算后輸出模擬信號(hào)或數(shù)字信號(hào)來(lái)控制執(zhí)行器的動(dòng)作[3]。主控制程序主體分為以下幾個(gè)部分：初始化模塊、狀態(tài)檢測(cè)模塊、控制模塊、通信模塊和故障處理模塊，程序邏輯見(jiàn)圖2所示。

圖2 PLC控制程序結(jié)構(gòu)

初始化模塊的作用是初始化測(cè)試系統(tǒng)的時(shí)間、電壓電流和被測(cè)安全繼電器的類型、型號(hào)；狀態(tài)檢測(cè)模塊的功能是對(duì)系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架各部分狀態(tài)做顯示，并在發(fā)生故障時(shí)發(fā)送信號(hào)給故障處理模塊；通信模塊作用為接收觸摸屏的參數(shù)信息，完成和觸摸屏的通信；控制模塊的功能是對(duì)測(cè)試臺(tái)架中電流、電壓進(jìn)行升降控制。

狀態(tài)檢測(cè)模塊的功能是對(duì)安全繼電器的動(dòng)作狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。因?yàn)槔^電器的物理特性，觸點(diǎn)在閉合的時(shí)候通常會(huì)先閉合，會(huì)有很小的距離彈開(kāi)后再次閉合[4]。所以，需要在軟件設(shè)計(jì)中考慮防抖功能。

在測(cè)試過(guò)程中，在對(duì)線圈兩端升高或降低電流、電壓時(shí)，為了避免電流或電壓升高太快而引入比較大的測(cè)量誤差，從PLC的輸出端口發(fā)出200 ms的脈沖。在發(fā)出脈沖的同時(shí)對(duì)電壓調(diào)節(jié)，步進(jìn)100 mV。在輸出需要快速增加的時(shí)候，測(cè)試員可以使用手動(dòng)調(diào)節(jié)，長(zhǎng)按觸摸屏上輸出增加按鍵2 s以上。此時(shí)，通過(guò)改變輸出的變化量△V 的大小來(lái)完成，如圖3 為快速輸出增量圖。從圖中可知，第一個(gè)△t 時(shí)間內(nèi)輸出的增加量是△Vn-1，第二個(gè)△t時(shí)間內(nèi)輸出的增加量為△Vn，由PLC程序控制使△Vn=△Vn-1+1，使相同時(shí)間長(zhǎng)度△t內(nèi)的增加量逐漸遞增，就能達(dá)到輸出值快速增加的目的?？焖贉p少時(shí)的原理相同。

圖3 快速輸出增量圖

在安全繼電器臺(tái)架測(cè)試過(guò)程中發(fā)生異常情況的時(shí)候，測(cè)試系統(tǒng)會(huì)依據(jù)異常情況做出對(duì)應(yīng)操作。比如，在對(duì)安全繼電器閉合電壓進(jìn)行測(cè)試時(shí)，如果繼電器線圈發(fā)生斷路，此時(shí)不管系統(tǒng)如何升高電壓，繼電器都不會(huì)閉合。所以，在輸出電壓升高到一定量后如果繼電器仍然沒(méi)有吸合，系統(tǒng)就判斷繼電器損壞，測(cè)量結(jié)束，記錄下錯(cuò)誤報(bào)告。

PLC 和觸摸屏之間通過(guò)RS232 電纜進(jìn)行通信[5]。觸摸屏使用組態(tài)軟件實(shí)現(xiàn)，根據(jù)安全繼電器測(cè)試臺(tái)架的需求，設(shè)計(jì)了共8 個(gè)人機(jī)交互界面：初始化頁(yè)、測(cè)試主控頁(yè)、電磁式電子式時(shí)間繼電器測(cè)試頁(yè)、接地繼電器測(cè)試頁(yè)、電流電壓測(cè)試頁(yè)以及手動(dòng)輸出界面。

圖4 所示為主測(cè)試頁(yè)，測(cè)試員觸控上方輸入?yún)^(qū)域時(shí)，界面下方會(huì)彈出字母數(shù)字鍵盤，在這一頁(yè)面可以輸入安全繼電器產(chǎn)品編號(hào)、規(guī)格型號(hào)、操作員編號(hào)等參數(shù)，然后測(cè)試員根據(jù)測(cè)試項(xiàng)目，在下方選擇對(duì)應(yīng)的按鈕進(jìn)入安全繼電器測(cè)試界面。

圖4 主測(cè)試界面

2 繼電器測(cè)試臺(tái)架的工作原理

測(cè)試第一步進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，依據(jù)被測(cè)繼電器的種類和型號(hào)進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，測(cè)試開(kāi)始時(shí)可選擇自動(dòng)或者人工方式增加、減少電流或者電壓值[6]，在繼電器釋放或者閉合后，PLC記錄動(dòng)作時(shí)的電流、電壓參數(shù)值寫入存儲(chǔ)區(qū)，在測(cè)試結(jié)束后測(cè)試員可以通過(guò)觸摸屏查看或打印測(cè)試報(bào)告。

因?yàn)楸粶y(cè)安全繼電器可以分為直流繼電器或交流繼電器、電子式繼電器或電磁式繼電器等。在電子式繼電器中又分為共陽(yáng)型和共陰型[7]。為了滿足各種類型、各種型號(hào)繼電器的測(cè)試需求，測(cè)試系統(tǒng)通過(guò)擴(kuò)展單元的模擬信號(hào)改變輸出電源為直流或交流。工作原理見(jiàn)圖5所示。

圖5 測(cè)試原理圖

在對(duì)時(shí)間繼電器測(cè)試時(shí)，需要測(cè)試的參數(shù)是額定電壓下繼電器的釋放延時(shí)時(shí)間以及吸合延時(shí)時(shí)間?？紤]到時(shí)間繼電器中線圈的電壓增加需要一定時(shí)間，這會(huì)引入測(cè)量誤差。所以測(cè)試臺(tái)架在電源輸出端設(shè)置1個(gè)SSR（固態(tài)繼電器）。在測(cè)試開(kāi)始時(shí)，繼電器測(cè)試系統(tǒng)將輸出電壓調(diào)整為被測(cè)繼電器的工作電壓，隨后固態(tài)繼電器斷開(kāi)輸出，在線圈兩端電壓降為0以后，再通過(guò)SSR 使之導(dǎo)通，這時(shí)時(shí)間繼電器線圈的輸入為額定電壓，測(cè)試開(kāi)始計(jì)時(shí)。

當(dāng)被測(cè)繼電器為電磁或電子式時(shí)，測(cè)試員在觸摸屏上選擇對(duì)應(yīng)型號(hào)，測(cè)試臺(tái)架自動(dòng)切換J10 繼電器的觸點(diǎn)位置。在圖5 中J10 觸點(diǎn)向下時(shí)為電磁式測(cè)量電路，向上時(shí)為電子式繼電器測(cè)量電路。J11 是電子式繼電器的負(fù)載繼電器。在被測(cè)繼電器是電子式的時(shí)候，還需要選擇繼電器是共陽(yáng)極還是共陰極，臺(tái)架中使用J12 輔助繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)兩種測(cè)試模式的切換，觸點(diǎn)向左為共陽(yáng)極測(cè)試電路，反之為共陰極測(cè)試電路。

3 繼電器測(cè)試臺(tái)架的應(yīng)用

截至文章撰寫前，設(shè)計(jì)的鐵路安全繼電器測(cè)試臺(tái)架已投入使用3個(gè)月，測(cè)試結(jié)果表明，安全繼電器測(cè)試臺(tái)架在10 mV、1 mA 的測(cè)試精度下測(cè)試臺(tái)的誤差小于2%，測(cè)量誤差由人工測(cè)試時(shí)的5%降低到了2%。同一型號(hào)安全繼電器電氣參數(shù)測(cè)試時(shí)間僅為手動(dòng)測(cè)試時(shí)的60%，不僅工作效率較手動(dòng)測(cè)試有很大提升，很大程度節(jié)省了人力成本，而且系統(tǒng)工作狀態(tài)穩(wěn)定，有效避免傳統(tǒng)人工測(cè)試可靠性差、精度低、效率低的缺點(diǎn)；降低對(duì)測(cè)試人員專業(yè)知識(shí)要求門檻；對(duì)安全繼電器的測(cè)試精度優(yōu)于手動(dòng)測(cè)試的方式，而且更加安全；系統(tǒng)接口程序簡(jiǎn)單，可以很便捷地對(duì)系統(tǒng)做二次開(kāi)發(fā)，滿足測(cè)試需求，確保整體安全繼電器測(cè)試系統(tǒng)的靈活性。

4 結(jié)論

研制了一種高精度的鐵路安全繼電器電氣參數(shù)自動(dòng)測(cè)試臺(tái)架，用精簡(jiǎn)的硬件方案實(shí)現(xiàn)了國(guó)標(biāo)中安全型繼電器的測(cè)試需求，測(cè)量誤差由人工測(cè)試時(shí)的5%減低到了2%，有效解決了手動(dòng)操作、人工觀測(cè)引入的測(cè)量精度低和不確定性的風(fēng)險(xiǎn)，不僅降低了生產(chǎn)成本，還提高了管理效率，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益和推廣價(jià)值。