提高繼電器小負(fù)載條件下接觸可靠性的方法

涂德慧 戴晨陽 沈立飛

摘 要 探討繼電器小負(fù)載條件下的失效原因和工作特點(diǎn)，并推薦在DCS/PLC/SIS等系統(tǒng)中通過選擇合適的繼電器、完善檢測電路設(shè)計方法予以解決。

關(guān)鍵詞 繼電器 小負(fù)載 接觸 可靠性 控制系統(tǒng)

中圖分類號 TM58? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼 B? ?文章編號 1000?3932（2024）01?0038?04

在控制系統(tǒng)的DI繼電器擴(kuò)展模塊、AC/DC開關(guān)電源繼電器告警輸出、交換機(jī)告警輸出、安全柵DO輸出電路等設(shè)計中，會大量用到繼電器，這類繼電器觸點(diǎn)的閉合狀態(tài)會送給關(guān)聯(lián)的DI檢測電路進(jìn)行狀態(tài)采集。但這類DI檢測電路工作的典型特點(diǎn)是電流小、電壓低，當(dāng)繼電器選型或DI檢測電路設(shè)計不合理時，易出現(xiàn)DI檢測電路信號檢測異常問題，具體表現(xiàn)為繼電器觸點(diǎn)物理上已閉合，但DI檢測電路檢測狀態(tài)仍為開路。

DI用繼電器與DO用繼電器使用情況不同。DI用繼電器觸點(diǎn)主要工作在小電流（毫安級）、低電壓條件下，觸點(diǎn)材料消耗可以忽略，但接觸表面容易積碳，導(dǎo)致觸點(diǎn)接觸不良。而DO用繼電器觸點(diǎn)通常工作在大電流（安培級）條件下，觸點(diǎn)材料會隨著動作次數(shù)的增加不斷消耗（這也是DO用繼電器標(biāo)稱電氣壽命次數(shù)有限的主要原因），并且觸點(diǎn)斷開時產(chǎn)生的電弧能將觸點(diǎn)表面的有機(jī)物燃燒掉，不會出現(xiàn)因積碳導(dǎo)致的接觸不良問題。

1 繼電器小負(fù)載條件下接觸不良案例

中控技術(shù)股份有限公司實(shí)施的某項(xiàng)目中，用DI卡采集某國外品牌安全柵繼電器輸出觸點(diǎn)信號作為信號輸入（24 V配電），兩者配套使用一段時間后，出現(xiàn)DI信號偶爾采集不到的情況，直接影響了現(xiàn)場工藝的正常運(yùn)行。

在實(shí)驗(yàn)室，減小DI采集回路電阻，當(dāng)采集電流約為6 mA時，信號采集恢復(fù)正常。對問題繼電器做進(jìn)一步分析，繼電器線包電阻在標(biāo)稱范圍內(nèi)，繼電器觸點(diǎn)材料未見明顯損耗，但有積碳痕跡，如圖1所示。

經(jīng)查閱資料［1］，繼電器觸點(diǎn)低負(fù)載條件下的影響因素有兩個：

a. 在觸點(diǎn)斷開過程中，觸頭擠壓處的溫度會上升到觸點(diǎn)材料的熔點(diǎn)溫度，接著會達(dá)到觸頭材料的沸點(diǎn)溫度，觸點(diǎn)表面材料發(fā)生剝蝕。

b. 觸點(diǎn)斷開時產(chǎn)生的低能量短弧破壞了環(huán)境中的碳?xì)浠衔铮瑥亩谟|頭上產(chǎn)生積碳，但短弧的能量不足以使碳燃燒掉，觸點(diǎn)積碳導(dǎo)致了觸點(diǎn)接觸不良的問題發(fā)生。

盡管繼電器規(guī)格書中通常會給出觸點(diǎn)最小負(fù)載技術(shù)指標(biāo)（圖2），但這個值只是一個參考值，檢測電路設(shè)計簡單，拿來使用存在風(fēng)險。

最小負(fù)載指標(biāo)曲線

繼電器觸點(diǎn)最小負(fù)載指標(biāo)是繼電器觸點(diǎn)可通斷最小負(fù)載的參考值，該值根據(jù)通斷頻率、環(huán)境條件、期望的接觸電阻及可靠性等的不同而改變，繼電器規(guī)格書中通常會提示實(shí)際使用時要結(jié)合實(shí)際應(yīng)用開展測試確認(rèn)。

2 DI檢測電路的工作特點(diǎn)

導(dǎo)致DI檢測電路工作異常的原因，除與繼電器觸點(diǎn)材料有關(guān)外，也與DI檢測電路的工作特點(diǎn)（小電流、低電壓）有關(guān)。圖3是典型控制系統(tǒng)DI卡采集硬件電路，當(dāng)觸點(diǎn)閉合時，檢測回路中流過一個電流值，從而可以檢測到開關(guān)閉合的狀態(tài)。

為推動各類傳感器與控制系統(tǒng)應(yīng)用兼容，IEC 61131.2—2017、IEC 61131.2—2007和GB/T 15969.2—2008對DI采集電路的標(biāo)準(zhǔn)工作范圍進(jìn)行了約定，圖4摘錄了最常用的24、48 V直流掃描電壓、電流建議值。

按控制系統(tǒng)最新標(biāo)準(zhǔn)IEC 61131.2—2017 ，第2類數(shù)字輸入已不推薦新設(shè)計使用，原因是第2類數(shù)字輸入會導(dǎo)致DI采集電路熱功耗增加，不利于設(shè)計高集成度的DI采集部件。

從以上信息可以看出，DI檢測電路在觸點(diǎn)導(dǎo)通的情況下，工作電流通常在2～15 mA或6～30 mA之間，且最新標(biāo)準(zhǔn)推薦折使用范圍為2～15 mA。

3 提高繼電器小負(fù)載條件下接觸可靠性的方法

3.1 觸點(diǎn)材料優(yōu)化與結(jié)構(gòu)選型優(yōu)化

優(yōu)化繼電器觸點(diǎn)材料、結(jié)構(gòu)選型工作，具備條件時優(yōu)先考慮選用信號繼電器配套。在產(chǎn)品部件設(shè)計時，DI用繼電器觸點(diǎn)材料（表1）、結(jié)構(gòu)要精心選擇。

在小負(fù)載條件下選用繼電器，除觸點(diǎn)材料外，觸點(diǎn)接觸方式不同，可靠性也會不同，如單接點(diǎn)和雙接點(diǎn)比較，雙接點(diǎn)的可靠性更高（圖5）。

目前市場上還有一類信號繼電器的產(chǎn)品，這類繼電器主要處理低電壓、小電流應(yīng)用。控制系統(tǒng)中配套開發(fā)了AC/DC開關(guān)電源繼電器告警輸出、交換機(jī)告警輸出、安全柵DO輸出電路，可優(yōu)先選擇信號繼電器配套。

信號繼電器和功率繼電器的結(jié)構(gòu)非常相似，兩者的區(qū)別在于尺寸、額定電壓、額定電流和觸點(diǎn)材料。功率繼電器的額定電壓為250 V（AC）或30 V（DC），電流一般在2 A以上。而信號繼電器額定電壓一般在5～30 V（DC）；有時會給出交流規(guī)格，但僅限于125 V（AC），額定電流為2 A或更低。信號繼電器目前多采用相對較小的PCB安裝方式，繼電器整體體積較小，設(shè)計比較省空間。

3.2 繼電器觸點(diǎn)冗余設(shè)計

繼電器觸點(diǎn)冗余設(shè)計思路源自上一部分提到的繼電器雙接點(diǎn)結(jié)構(gòu)，當(dāng)DI用繼電器具備雙輸出觸點(diǎn)時，在電路上將兩對觸點(diǎn)直接并接起來作為一個觸點(diǎn)使用，當(dāng)配套DI檢測電路工作時，能顯著提高繼電器小負(fù)載條件下接觸的可靠性。根據(jù)理論計算，假定單接點(diǎn)單次接通的失效率為1×10-7，則雙接點(diǎn)的失效率只有1×10-14，失效率呈指數(shù)下降。

3.3 優(yōu)化DI檢測電路設(shè)計

通過優(yōu)化DI檢測電路電阻，適當(dāng)增大回路的工作電流。一般DI檢測電路建議將實(shí)際工作電流設(shè)計在6～12 mA的水平，SIS等涉及安全應(yīng)用的產(chǎn)品建議將實(shí)際工作電流設(shè)計在20 mA左右的水平。通過DI檢測電路優(yōu)化設(shè)計，可大幅提高檢測電路對DI信號檢測的可靠性。

4 繼電器小負(fù)載條件下接觸可靠性的驗(yàn)證

前文已經(jīng)提到過，目前繼電器規(guī)格書中提供的繼電器最小負(fù)載技術(shù)指標(biāo)只具參考性，落實(shí)到具體產(chǎn)品放行時，還是應(yīng)開展實(shí)際應(yīng)用模擬測試驗(yàn)證，證明繼電器及其檢測電路在小負(fù)載條件下工作時，其動作可靠性是有保障的。

通常選擇10只繼電器，每只繼電器按0.1 s間隔開關(guān)的方式連續(xù)動作100萬次，監(jiān)視動作失效情況，10只繼電器都能通過測試的，認(rèn)為達(dá)到了一般失效率要求（1×10-7）。對僅輸出告警狀態(tài)的設(shè)備，考慮到通用性，測試配套用檢測電路要求將檢測電流調(diào)整為2 mA，這樣驗(yàn)證就能夠保證產(chǎn)品驗(yàn)證結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性了。

5 結(jié)束語

控制系統(tǒng)應(yīng)用中，通過選擇合適的DI用繼電器，優(yōu)化DI檢測電路設(shè)計，可提高繼電器在小負(fù)載條件下的接觸可靠性，從而提高整個控制系統(tǒng)工作的可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］ JOHLER W.小負(fù)載觸頭的可靠開關(guān)轉(zhuǎn)換［C］//第三屆電工產(chǎn)品可靠性與電接觸國際會議.北京：中國電工技術(shù)學(xué)會，2009：44-53.