李亞男

（晉能控股煤業(yè)集團鐵路運營管理山西有限公司礦山鐵路分公司，山西 大同 037003）

作為鐵路信號控制系統(tǒng)中最關鍵的電子器件之一，鐵路安全繼電器需要在出廠和使用過程中對其各項參數(shù)進行測試[1]。鐵路安全繼電器（AX型）必須定期對其電氣特性參數(shù)進行測試。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試方法是通過人工手動旋轉(zhuǎn)自耦變壓器給繼電器充放電，然后讀取模擬表頭指針所指的參數(shù)值并記錄[2]。這種測試方式必然會帶來誤差和不準確性，所以需要一種自動化、高精度繼電器測試系統(tǒng)，能夠自動測量繼電器的電氣參數(shù)。

1 繼電器測試臺架組成

鐵路安全繼電器測試臺架主要由主控模塊、觸摸屏、驅(qū)動電路、測量電路、繼電器測試臺等組成。主控模塊負責觸摸屏、測量電路中的信息采集以及通過驅(qū)動電路驅(qū)動待測繼電器。觸摸屏實現(xiàn)人機交互功能。驅(qū)動電路和測量電路實現(xiàn)對待測繼電器供電、電氣參數(shù)測量。測試臺為工作臺，測試臺上布置有各類繼電器測試接口。

1.1 硬件系統(tǒng)

鐵路安全繼電器測試臺架使用型號為CPM2A 的PLC 作為主控模塊、人機交互使用ET500 系列觸摸屏完成，設計測試項目有：繼電器接觸器測試、電磁電子式時間繼電器測試、過流空轉(zhuǎn)繼電器測試、接地繼電器測試等測試項目。其硬件結(jié)構見圖1所示。

圖1 硬件電路設計

PLC 通過輸入輸出端口采集繼電器的動作，使用擴展模擬輸入輸出模塊采集被測繼電器動作時的電流和電壓值。此外，PLC 將采集到的繼電器的動作以及狀態(tài)信息輸出給觸摸屏，并且對測試過程中的異常情況做出故障報警。

測試臺架的軟件系統(tǒng)設計由2個部分組成：1觸摸屏組態(tài)軟件和PLC控制軟件。觸摸屏通過RS232接口可以實現(xiàn)與PLC的通信功能，在點擊觸摸屏時，觸摸屏向PLC 發(fā)送對應信號，PLC 接到指令后執(zhí)行數(shù)據(jù)計算以及測試流程控制。

1.2 軟件系統(tǒng)

PLC 是整個測試系統(tǒng)的大腦，它的基本工作原理是：通過接收模擬信號輸入和數(shù)字信號輸入，在程序運算后輸出模擬信號或數(shù)字信號來控制執(zhí)行器的動作[3]。主控制程序主體分為以下幾個部分：初始化模塊、狀態(tài)檢測模塊、控制模塊、通信模塊和故障處理模塊，程序邏輯見圖2所示。

圖2 PLC控制程序結(jié)構

初始化模塊的作用是初始化測試系統(tǒng)的時間、電壓電流和被測安全繼電器的類型、型號；狀態(tài)檢測模塊的功能是對系統(tǒng)測試臺架各部分狀態(tài)做顯示，并在發(fā)生故障時發(fā)送信號給故障處理模塊；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測試臺架中電流、電壓進行升降控制。

狀態(tài)檢測模塊的功能是對安全繼電器的動作狀態(tài)進行檢測。因為繼電器的物理特性，觸點在閉合的時候通常會先閉合，會有很小的距離彈開后再次閉合[4]。所以，需要在軟件設計中考慮防抖功能。

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

圖3 快速輸出增量圖

在安全繼電器臺架測試過程中發(fā)生異常情況的時候，測試系統(tǒng)會依據(jù)異常情況做出對應操作。比如，在對安全繼電器閉合電壓進行測試時，如果繼電器線圈發(fā)生斷路，此時不管系統(tǒng)如何升高電壓，繼電器都不會閉合。所以，在輸出電壓升高到一定量后如果繼電器仍然沒有吸合，系統(tǒng)就判斷繼電器損壞，測量結(jié)束，記錄下錯誤報告。

PLC 和觸摸屏之間通過RS232 電纜進行通信[5]。觸摸屏使用組態(tài)軟件實現(xiàn)，根據(jù)安全繼電器測試臺架的需求，設計了共8 個人機交互界面：初始化頁、測試主控頁、電磁式電子式時間繼電器測試頁、接地繼電器測試頁、電流電壓測試頁以及手動輸出界面。

圖4 所示為主測試頁，測試員觸控上方輸入?yún)^(qū)域時，界面下方會彈出字母數(shù)字鍵盤，在這一頁面可以輸入安全繼電器產(chǎn)品編號、規(guī)格型號、操作員編號等參數(shù)，然后測試員根據(jù)測試項目，在下方選擇對應的按鈕進入安全繼電器測試界面。

圖4 主測試界面

2 繼電器測試臺架的工作原理

測試第一步進行參數(shù)設置，依據(jù)被測繼電器的種類和型號進行參數(shù)設置，測試開始時可選擇自動或者人工方式增加、減少電流或者電壓值[6]，在繼電器釋放或者閉合后，PLC記錄動作時的電流、電壓參數(shù)值寫入存儲區(qū)，在測試結(jié)束后測試員可以通過觸摸屏查看或打印測試報告。

因為被測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型和共陰型[7]。為了滿足各種類型、各種型號繼電器的測試需求，測試系統(tǒng)通過擴展單元的模擬信號改變輸出電源為直流或交流。工作原理見圖5所示。

圖5 測試原理圖

在對時間繼電器測試時，需要測試的參數(shù)是額定電壓下繼電器的釋放延時時間以及吸合延時時間?？紤]到時間繼電器中線圈的電壓增加需要一定時間，這會引入測量誤差。所以測試臺架在電源輸出端設置1個SSR（固態(tài)繼電器）。在測試開始時，繼電器測試系統(tǒng)將輸出電壓調(diào)整為被測繼電器的工作電壓，隨后固態(tài)繼電器斷開輸出，在線圈兩端電壓降為0以后，再通過SSR 使之導通，這時時間繼電器線圈的輸入為額定電壓，測試開始計時。

當被測繼電器為電磁或電子式時，測試員在觸摸屏上選擇對應型號，測試臺架自動切換J10 繼電器的觸點位置。在圖5 中J10 觸點向下時為電磁式測量電路，向上時為電子式繼電器測量電路。J11 是電子式繼電器的負載繼電器。在被測繼電器是電子式的時候，還需要選擇繼電器是共陽極還是共陰極，臺架中使用J12 輔助繼電器來實現(xiàn)兩種測試模式的切換，觸點向左為共陽極測試電路，反之為共陰極測試電路。

3 繼電器測試臺架的應用

截至文章撰寫前，設計的鐵路安全繼電器測試臺架已投入使用3個月，測試結(jié)果表明，安全繼電器測試臺架在10 mV、1 mA 的測試精度下測試臺的誤差小于2%，測量誤差由人工測試時的5%降低到了2%。同一型號安全繼電器電氣參數(shù)測試時間僅為手動測試時的60%，不僅工作效率較手動測試有很大提升，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)人工測試可靠性差、精度低、效率低的缺點；降低對測試人員專業(yè)知識要求門檻；對安全繼電器的測試精度優(yōu)于手動測試的方式，而且更加安全；系統(tǒng)接口程序簡單，可以很便捷地對系統(tǒng)做二次開發(fā)，滿足測試需求，確保整體安全繼電器測試系統(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)自動測試臺架，用精簡的硬件方案實現(xiàn)了國標中安全型繼電器的測試需求，測量誤差由人工測試時的5%減低到了2%，有效解決了手動操作、人工觀測引入的測量精度低和不確定性的風險，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)濟效益和推廣價值。