地鐵屏蔽門繼電器在線監(jiān)測與離線檢測研究

周 洋，李中華

(沈陽鐵信通鐵路器材有限公司，沈陽 110142)

利用新技術(shù)和新方法對信號設(shè)備進行故障診斷一直是國內(nèi)外的研究熱點[1]。本文詳細論述了地鐵屏蔽門繼電器在線監(jiān)測和離線檢測的方法和區(qū)別。在線監(jiān)測注重于繼電器工作狀態(tài)和劣化趨勢的判斷，而離線檢測更注重于判斷繼電器所有電氣參數(shù)是否處在正常的范圍之內(nèi)。

1 在線監(jiān)測

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

地鐵屏蔽門繼電器在線監(jiān)測系統(tǒng)下位機硬件結(jié)構(gòu)包括：監(jiān)測屏蔽門繼電器狀態(tài)信號的傳感器采集單元；傳感器輸出信號經(jīng)過信號整理電路后送入A/D 轉(zhuǎn)換模塊單元；傳感器輸出信號經(jīng)過電壓比較器電路后送入處理器I/O 口的量化單元。下位機最終將繼電器實時狀態(tài)數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)模塊傳輸至上位機。上位機軟件結(jié)構(gòu)包括對地鐵屏蔽門狀態(tài)信號進行分析的數(shù)據(jù)處理模塊、對處理完成的各項數(shù)據(jù)進行存儲的數(shù)據(jù)庫模塊、可以隨時從數(shù)據(jù)庫模塊中調(diào)取繼電器動作情況的數(shù)據(jù)查詢模塊以及和正常工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行實時對比的故障判斷與報警模塊。

1.2 設(shè)計實現(xiàn)

1.2.1 傳感器布置

信號采集模塊中的電流傳感器和電壓傳感器通過電源線纜和信號線纜與地鐵屏蔽門系統(tǒng)相連，分別用于采集繼電器線圈所在回路和接點所在回路中關(guān)鍵點的電流和電壓信息。使用感應式電流傳感器與現(xiàn)場的測試回路處于完全隔離狀態(tài)，當信號系統(tǒng)出現(xiàn)故障時不會影響電流傳感器的采集，而當電流傳感器出現(xiàn)故障時也不會影響信號系統(tǒng)的正常工作。高阻耦合隔離電壓傳感器則并接在繼電器的線圈和接點所在回路中。閉環(huán)式電流傳感器穿線布置如圖1 所示。

地鐵屏蔽門繼電器通常是第一級線圈勵磁后控制本身繼電器的接點，而第二級繼電器的線圈串接在第一級繼電器的接點回路中，以此類推。

下位機系統(tǒng)可以通過傳感器單元對每個繼電器的線圈進行采樣，這樣既可以采集到當前繼電器的線圈電流，又可以通過下一個繼電器的線圈電流值得知前級繼電器接點的狀態(tài)，實現(xiàn)了對繼電器線圈和接點工作狀態(tài)的全監(jiān)測[2]。

1.2.2 繼電器狀態(tài)信號量化

地鐵屏蔽門繼電器的動作先后都是遵循嚴格的時序邏輯，繼電器的釋放值和工作值可以作為下位機信號調(diào)理電路中電壓比較器的閾值。下位機將采集到的繼電器開關(guān)狀態(tài)量化成0 或1，發(fā)送給上位機進行邏輯判斷。上位機可以根據(jù)這些繼電器的先后動作狀態(tài)有效分析出是否是一個完整的列車進站、出站過程。如果出現(xiàn)信號缺失，就會判定哪個繼電器或線路中的關(guān)鍵點出現(xiàn)問題。

1.2.3 數(shù)據(jù)傳輸與數(shù)據(jù)處理

地鐵屏蔽門繼電器在線監(jiān)測數(shù)據(jù)分為兩類，一類監(jiān)測繼電器線圈內(nèi)電流和電壓的實時數(shù)據(jù)。下位機采用STM32 系列Cotex-M4 微處理器，上位機以200 ms 時間間隔對下位機進行以太網(wǎng)數(shù)據(jù)請求，上下位機采用TCP 傳輸層協(xié)議，上位機做TCP 客戶端，下位機做TCP 服務(wù)器。下位機基于Raw/Callback API 接口來實現(xiàn)LwIP 網(wǎng)絡(luò)編程，Raw/Callback 可以方便地構(gòu)造出一個服務(wù)器對多個客戶端的TCP 并發(fā)連接[3]。在屏蔽門監(jiān)測現(xiàn)場，可以實現(xiàn)多臺上位機對單臺下位機的同時訪問。北京地鐵10 號線車道溝車站屏蔽門監(jiān)測系統(tǒng)上位機實時數(shù)據(jù)采集界面如圖2 所示。

圖2 上位機實時數(shù)據(jù)采集界面Fig.2 Interface of real-time data acquisition of upper computer

另一類監(jiān)測當屏蔽門繼電器動作時的動作數(shù)據(jù)和曲線，簡稱歷史數(shù)據(jù)。當?shù)罔F屏蔽門出現(xiàn)故障時，根據(jù)日期和時段可以從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取歷史數(shù)據(jù)。如圖3所示，可以方便查清故障原因和發(fā)生時間。系統(tǒng)具備關(guān)鍵數(shù)據(jù)異地多份存儲功能[4]，從而保障數(shù)據(jù)安全。

圖3 上位機歷史數(shù)據(jù)查詢界面 Fig.3 Interface of query of historical data of upper computer

如圖4 所示，列車從進站到停車再到出站過程中開門繼電器和關(guān)門繼電器動作的電流和電壓曲線以及關(guān)閉且鎖緊信號繼電器和互鎖解除信號繼電器的電流曲線。當列車進站時開門繼電器線圈勵磁接點吸合，關(guān)門繼電器線圈失電接點釋放，緊接著關(guān)閉且鎖緊繼電器線圈失電接點釋放，列車正常開門上下客，停留后，關(guān)門繼電器線圈勵磁接點吸合，開門繼電器線圈失電接點釋放，關(guān)閉且鎖緊繼電器線圈勵磁接點吸合，列車正常關(guān)門駛離站臺，完成了一次從進站到出站的過程。開門繼電器電流和電壓信號與關(guān)門繼電器電流和電壓信號嚴格遵循互鎖時序關(guān)系。關(guān)閉且鎖緊繼電器的動作與開門和關(guān)門繼電器的動作存在一定范圍的時間差，這個時間一般小于300 ms。當關(guān)閉且鎖緊繼電器突發(fā)故障時，工作人員就要在站臺端頭控制臺上手動強制控制互鎖解除繼電器，保證乘客正常上下車。

圖4 繼電器動作時線圈內(nèi)電壓和電流變化曲線 Fig.4 Curves of voltage and current changes in relay coils during relay operation

上位機故障預警模塊通過對一年內(nèi)屏蔽門繼電器各個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)曲線分析，可以預判出線路中的繼電器是否有劣化傾向。如圖5 所示，曲線走勢表征繼電器線圈中的電流值出現(xiàn)異常。

圖5 繼電器線圈電流參數(shù)劣化曲線Fig.5 Curve of deterioration in parameters of currents in relay coils

2 離線檢測

2.1 線圈電阻和接點電阻的測量

安全型繼電器的接點通常分為前接點、中間點和后接點。測量時，繼電器線圈未勵磁時，后接點和中間點吸合，此時需要測量后接點電阻；繼電器線圈勵磁后，前接點和中間點吸合，此時需要測量前接點電阻。離線檢測系統(tǒng)采用四線制方式測量繼電器線圈電阻和接點電阻，如圖6 所示，其中連接點A 和連接點B 是繼電器的線圈或者繼電器的一組常開或常閉接點。為了提高測量精度，選用24 位高精度差分A/D 芯片AD7710,在待測繼電器線圈或一組接點的每一端各引出兩根導線，即一共引出四根導線，其中從待測線圈或一組接點的兩端引出的一對引線為待測電阻提供恒定電流，另一對引線把電阻上的電壓引至A/D 轉(zhuǎn)換模塊的輸入通道，即把電阻轉(zhuǎn)換成電壓的方式測量，這種四線制電阻測量方式可以完全消除導線對待測電阻的影響，實現(xiàn)線圈和接點電阻的高精度測量。恒流源向被測繼電器線圈提供0.1 mA、1 mA、10 mA、100 mA、500 mA 檔位的恒定電流，以精確測量10 kΩ、2 kΩ、200 Ω、20 Ω、2 Ω 檔位的電阻。恒流源向被測繼電器接點提供500 mA 恒定電流，以精確測量50 mΩ 級別的接點電阻。

圖6 繼電器線圈電阻和接點電阻測量原理Fig.6 Principle for measuring relay coil resistance and contact resistance

2.2 釋放值和工作值的測量

離線檢測系統(tǒng)的電氣參數(shù)測量原理如圖7 所示，上位機用于顯示測量結(jié)果，上位機與下位機通過RS-485 光電隔離模塊通信，加在繼電器線圈上的電壓或電流按照程控電源可編程的步長遞增或遞減。電源轉(zhuǎn)換電路可以實現(xiàn)直流電壓的正負變換，用來測量繼電器的反向工作值。驅(qū)動定位電路可以根據(jù)繼電器線圈位置，將合適的電壓、電流等驅(qū)動條件通過繼電器插座加到繼電器線圈上。繼電器線圈上的電壓或電流由光電型傳感器采集后通過電量變換和信號調(diào)整后經(jīng)過A/D 轉(zhuǎn)換模塊送給CPU 控制板處理，繼電器接點的吸合或斷開等開關(guān)量信息也是通過光耦繼電器電路傳遞給CPU 控制板處理。當繼電器接點吸合或釋放時，CPU 可以及時準確地讀出A/D 采集出來的繼電器線圈中的電壓或電流，從而及時獲取到繼電器的釋放值、工作值等電氣參數(shù)。為了保證繼電器所有接點動作一致，還需要進行接點齊度測量；為了讓繼電器接點能抵抗外界的震動與沖擊，防止接點瞬間離開而造成不安全[5]，還需要對繼電器進行接點壓力測試。

圖7 繼電器電氣參數(shù)測量原理Fig.7 Principle for measuring electrical parameters of relays

3 在線監(jiān)測和離線檢測效果對比

由于測量線圈電阻和接點電阻需要增加很多引線，勢必會對地鐵原有屏蔽門繼電器的運行帶來隱患，所以在線監(jiān)測幾乎無法做到對繼電器線圈電阻和接點電阻的全部測量。

以地鐵屏蔽門繼電器JWXC-1700 測量為例，它的釋放值不小于3.4 V[6]，在線監(jiān)測時，如果關(guān)門繼電器的實際釋放值已經(jīng)達到3 V，雖然關(guān)門繼電器可以正常釋放，但此時已經(jīng)和開門繼電器動作存在一定的時間差，當繼電器電氣參數(shù)持續(xù)劣化，這個時間差會逐漸增大，當超過一定的范圍時，開門繼電器和關(guān)門繼電器就無法遵循嚴格的互鎖關(guān)系，最終導致屏蔽門開關(guān)門出現(xiàn)異常。由此可見，只要繼電器動作趨勢正常，在線監(jiān)測通常需要很長時間才能發(fā)現(xiàn)繼電器電氣參數(shù)的劣化，而離線檢測可以快速準確測量出繼電器電氣參數(shù)是否超出正常范圍。

4 結(jié)論

地鐵屏蔽門繼電器在線監(jiān)測側(cè)重于實時數(shù)據(jù)采集和故障報警。當繼電器出現(xiàn)故障時，及時根據(jù)故障提示更換新的繼電器，避免延誤地鐵正常運營，事后可以通過調(diào)取歷史數(shù)據(jù)查明線路故障原因。離線檢測彌補在線監(jiān)測的測量局限，側(cè)重對現(xiàn)場更換下來的故障繼電器電氣參數(shù)的全面測試。兩者的有效結(jié)合，避免采用傳統(tǒng)上的故障修和定期維修模式[7]，可以根據(jù)屏蔽門繼電器特性變化狀態(tài)進行有針對性地維修，減少維保不到位，也不過度維修，即實現(xiàn)對繼電器的狀態(tài)修[8]。