鐵路安全繼電器測試臺架的研制與應用

李亞男

（晉能控股煤業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進行測試。其主要電氣特性參數包括：充磁值、釋放值、工作值、反向工作值等。常規鐵路安全繼電器的測試方法是通過人工手動旋轉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，能夠自動測量繼電器的電氣參數。

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動電路驅動待測繼電器。觸摸屏實現人機交互功能。驅動電路和測量電路實現對待測繼電器供電、電氣參數測量。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

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、過流空轉繼電器測試、接地繼電器測試等測試項目。其硬件結構見圖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設計由2個部分組成：1觸摸屏組態軟件和PLC控制軟件。觸摸屏通過RS232接口可以實現與PLC的通信功能，在點擊觸摸屏時，觸摸屏向PLC 發送對應信號，PLC 接到指令后執行數據計算以及測試流程控制。

1.2 軟件系統

PLC 是整個測試系統的大腦，它的基本工作原理是：通過接收模擬信號輸入和數字信號輸入，在程序運算后輸出模擬信號或數字信號來控制執行器的動作[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控制程序結構

初始化模塊的作用是初始化測試系統的時間、電壓電流和被測安全繼電器的類型、型號；狀態檢測模塊的功能是對系統測試臺架各部分狀態做顯示，并在發生故障時發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。

狀態檢測模塊的功能是對安全繼電器的動作狀態進行檢測。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的輸出端口發出200 ms的脈沖。在發出脈沖的同時對電壓調節，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節，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 時間內輸出的增加量是△Vn-1，第二個△t時間內輸出的增加量為△Vn，由PLC程序控制使△Vn=△Vn-1+1，使相同時間長度△t內的增加量逐漸遞增，就能達到輸出值快速增加的目的。快速減少時的原理相同。

圖3 快速輸出增量圖

在安全繼電器臺架測試過程中發生異常情況的時候，測試系統會依據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，如果繼電器線圈發生斷路，此時不管系統如何升高電壓，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，系統就判斷繼電器損壞，測量結束，記錄下錯誤報告。

PLC 和觸摸屏之間通過RS232 電纜進行通信[5]。觸摸屏使用組態軟件實現，根據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區域時，界面下方會彈出字母數字鍵盤，在這一頁面可以輸入安全繼電器產品編號、規格型號、操作員編號等參數，然后測試員根據測試項目，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設置，依據被測繼電器的種類和型號進行參數設置，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、電壓參數值寫入存儲區，在測試結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，需要測試的參數是額定電壓下繼電器的釋放延時時間以及吸合延時時間。考慮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（固態繼電器）。在測試開始時，繼電器測試系統將輸出電壓調整為被測繼電器的工作電壓，隨后固態繼電器斷開輸出，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，很大程度節省了人力成本，而且系統工作狀態穩定，有效避免傳統人工測試可靠性差、精度低、效率低的缺點；降低對測試人員專業知識要求門檻；對安全繼電器的測試精度優于手動測試的方式，而且更加安全；系統接口程序簡單，可以很便捷地對系統做二次開發，滿足測試需求，確保整體安全繼電器測試系統的靈活性。

4 結論

研制了一種高精度的鐵路安全繼電器電氣參數自動測試臺架，用精簡的硬件方案實現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，不僅降低了生產成本，還提高了管理效率，具有很高的經濟效益和推廣價值。