基于PIC單片機的鐵路繼電器壽命試驗系統(tǒng)

王 鑫，趙興海，姚 旺，孫海東

繼電器是鐵路信號系統(tǒng)中關鍵的控制設備，對鐵路信號系統(tǒng)的安全性與可靠性有至關重要的影響［1］。隨著中國高鐵的飛速發(fā)展，鐵路信號繼電器的應用范圍也不斷拓展，高強度的運量對繼電器的可靠性和安全性提出了更高的要求。作為判斷繼電器能否長時間可靠運行的關鍵技術指標，其使用壽命越來越受到關注。目前的壽命試驗方法是對比試驗前/后工作值、釋放值、接觸電阻等關鍵指標，判斷壽命是否達到要求，而未對試驗過程中的接點狀態(tài)進行監(jiān)測，無法判斷在試驗過程中是否出現(xiàn)接點失效［2］。為此，本文提出一種基于單片機的繼電器壽命試驗新技術，能夠在試驗過程中監(jiān)測繼電器接點的工作狀態(tài)，識別出接點接觸不良、接點熔焊、接點橋接等故障，與既有方法相結(jié)合，可以更全面地評估繼電器的使用壽命，為繼電器的研發(fā)、生產(chǎn)制造及全生命周期管理提供必要的技術依據(jù)。

1 系統(tǒng)設計

以單片機為核心，利用其高速穩(wěn)定的運算、控制和采集的性能特點，設計可以進行繼電器壽命試驗，并在試驗過程中實現(xiàn)繼電器接點工作狀態(tài)監(jiān)測的新型壽命試驗系統(tǒng)。

1.1 機械壽命試驗設計

繼電器的機械壽命通常是指在不帶負載的條件下，基于機械結(jié)構完整的繼電器所能夠完成的操作次數(shù)［3］。試驗時先將接點接入接點狀態(tài)采集電路，有效地檢測繼電器每一次的動作狀態(tài)，滿足測試繼電器失效次數(shù)、狀態(tài)等需求；在評估繼電器機械磨損對接點可靠性造成影響的同時，通過在接點狀態(tài)采集電路中串入微小負載電阻，可以模擬繼電器接點在10 mA以下微小負載應用場景的可靠性。

1.2 電氣壽命試驗設計

繼電器的電氣壽命是能夠正常開閉規(guī)定接點負載的次數(shù)［4］。將所有的接點分別接入單獨的接點負載回路中，通過霍爾傳感器和單片機的A/D轉(zhuǎn)換，可以實現(xiàn)電流監(jiān)測。通過對比監(jiān)測的電流值與標準值，反映電氣壽命試驗過程中接點的狀態(tài)。系統(tǒng)可以自動計算實際監(jiān)測電流值與標準值的偏差，并根據(jù)預設參數(shù)，判斷并形成狀態(tài)碼發(fā)送給上位機。

2 技術實現(xiàn)

2.1 硬件選型

采用基于nanoWatt XLP技術、帶ECAN的40引腳增強型閃存PIC18F45K80單片機，工作電壓為1.8～5.5 V，工作頻率最高可達64 MHz，具有35個獨立可編程的復用通用輸入/輸出引腳、最大64 KB的片上閃存程序存儲器，及1024字節(jié)的數(shù)據(jù)EEPROM。有最多3種可選的工作模式，5個CCP/ECCP模塊，5個8/16位定時器/計數(shù)器模塊，最多4個外部中斷，2個增強型可尋址USART模塊，選用PIC18F45K80作為系統(tǒng)的 CPU，可以工作于-40 ℃～125 ℃的溫度范圍內(nèi)［5-6］。該單片機的主要優(yōu)點為：指令單字節(jié)化，精簡指令集技術，尋址方式簡單，代碼壓縮率高，運行速度高，功耗低，驅(qū)動能力強，外接電路簡單，支持C語言編程，開發(fā)方便，完全滿足測試臺設計需求。

2.2 系統(tǒng)架構

整個系統(tǒng)主要由上位機（人機界面）、下位機（單片機）、RS-232通信電路、接點狀態(tài)采集電路、邏輯切換驅(qū)動電路、負載電流采集電路，以及繼電器接口電路等硬件構成。系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 系統(tǒng)架構

1）上位機（人機界面）：計算機和顯示器構成的人機界面顯示操作單元，與下位機通過RS-232通信電路進行數(shù)據(jù)的交互與傳輸，負責提供操控界面并顯示測試數(shù)據(jù)。

2）下位機：主要由PIC18F45K80單片機及其外圍電路構成，按程序指令采集I/O口和A/D口的數(shù)字量和模擬量數(shù)據(jù)信息。接收上位機指令，通過驅(qū)動電路驅(qū)動待測繼電器，實現(xiàn)繼電器壽命試驗的基礎動作功能；通過輸入口繼電器壽命試驗過程中接點的電壓變化，實現(xiàn)接點狀態(tài)的監(jiān)控；通過采集的接點狀態(tài)進行數(shù)據(jù)格式化轉(zhuǎn)換，將二進制格式轉(zhuǎn)換成十六進制，并通過通信協(xié)議傳送給上位機［7］。

3）RS-232通信電路：將單片機的TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232電平，使單片機和計算機之間實現(xiàn)全雙工通信。

4）接點狀態(tài)采集電路：將待測繼電器的接點連接到單片機的I/O口，監(jiān)測輸入狀態(tài)；通過I/O口電平的變化，達到監(jiān)測接點狀態(tài)，判斷接點通斷的目的。

5）負載電流采集電路：采集繼電器接點負載回路中的電流，通過霍爾傳感器把電流轉(zhuǎn)換為0～5 V模擬信號，輸入到單片機的A/D端口，單片機通過A/D轉(zhuǎn)換后，分析接點負載回路的通電狀態(tài)，判斷接點是否通斷［8］。

6）邏輯切換驅(qū)動電路：通過單片機的I/O口和達林頓管組成驅(qū)動電路，驅(qū)動邏輯切換繼電器。根據(jù)程序的控制，可將待測繼電器的接點接入到機械壽命或者電氣壽命的測試回路中，以滿足不同的測試需求。

2.3 軟件狀態(tài)碼設計

新型壽命試驗系統(tǒng)主要涉及4NO-2NC、3NO-3NC和5NO-1NC型號繼電器，分別對應的是4常開2常閉、3常開3常閉、5常開1常閉繼電器，3種繼電器都是由6組接點組成。

機械壽命測試時，6組接點分別對應單片機的6個I/O輸入口，在試驗過程中反復在0和1之間變化，反映接點的通斷狀態(tài)；電氣壽命測試時，6組接點分別對應單片機的6個A/D采集口，把電流采集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成接點的通斷狀態(tài)，同樣反復在0和1之間變化，反映接點的通斷狀態(tài)。把線圈通電和接點通斷的狀態(tài)以0和1的形式對應到一個8位二進制數(shù)據(jù)的每一位，并轉(zhuǎn)換成十六進制數(shù)據(jù)，通過串口傳送給上位機進行解析顯示。在設計狀態(tài)碼時考慮到通用性，機械壽命和電氣壽命采用同樣的設計規(guī)則，詳見表1。其中Bit0到Bit5對應的是繼電器6個接點狀態(tài)，1為斷開，0為閉合；Bit6對應線圈通電狀態(tài)，即單片機輸出線圈通電控制驅(qū)動信號的狀態(tài)，1為通電，0為斷電；Bit7為空位置0。根據(jù)繼電器通/斷電時各個接點的正常狀態(tài)算出對應的十六進制狀態(tài)碼。單片機通過實時采集的接點狀態(tài)，將計算出的狀態(tài)碼跟正常的狀態(tài)碼進行對比，如果不一致，就生成故障碼，通過串口通信發(fā)送給上位機進行解析，分析具體的故障點位，并進行實時顯示。通過這種方式，可以在試驗過程中更直接地顯示繼電器故障狀態(tài)［9］。

表1 繼電器狀態(tài)碼

2.4 軟件測試流程

整個系統(tǒng)程序需對6路I/0輸入及6路A/D進行采集，對1路I/O進行輸出。其中6路I/0輸入對應的是機械壽命測試，6路A/D采集對應的是電氣壽命的測試，1路I/O輸出是對被測樣品進行的動作控制。在控制繼電器動作的同時，監(jiān)測繼電器的動作次數(shù)、失效次數(shù)及失效故障等信息。上位機和下位機通過RS-232實現(xiàn)全雙工通信，共同配合完成各種試驗數(shù)據(jù)的人機界面顯示。實現(xiàn)上述功能需要一個合理的邏輯安排和控制流程。主要流程包含參數(shù)設置、主程序啟動、狀態(tài)碼信息采集判斷、故障碼發(fā)送等。整個軟件采用模塊化設計［10］，主要包括主程序、機械壽命子程序和電氣壽命子程序，見圖2。

圖2 軟件流程

3 系統(tǒng)特點

1）結(jié)構簡單。整個系統(tǒng)流程主要依靠PIC18F45K80單片機自身的特性和功能，利用簡單的外圍電路，實現(xiàn)了驅(qū)動、控制、采集和通信的功能，不需要專用的采集卡就可以完成多點位的數(shù)字量和模擬量的采集、轉(zhuǎn)換、判斷和數(shù)據(jù)上傳，提供了便捷的解決方案。

2）測試流程清晰。整個測試流程沒有采用復雜的邏輯判斷，程序步驟模塊化便于調(diào)試和維護，為后期的程序升級、優(yōu)化、移植提供了便利的條件。

3）穩(wěn)定性高。繼電器壽命試驗通常需要幾個月時間連續(xù)開機，因此系統(tǒng)穩(wěn)定性是保證試驗效果重要因素。系統(tǒng)采用的PIC18F45K80單片機及經(jīng)典外圍電路都經(jīng)過長期的實踐檢驗，能夠保證整個系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

4 功能驗證

采用真實的試驗過程及案例，對整個系統(tǒng)的性能進行了驗證。以3NO-3NC型繼電器試驗為例，模擬指定點位的故障，與上位機顯示的失效信息進行對比，驗證系統(tǒng)的判斷結(jié)果。

4.1 接點接通故障

接點接通故障多為接觸不良導致。首先進行單點故障的模擬，第6組是常開接點，當繼電器吸起時，系統(tǒng)所采集接點的正常狀態(tài)應為閉合，當拔掉第6組接點的連接端子后，系統(tǒng)所采集的接點狀態(tài)為斷開，這時會向上位機發(fā)送十六進制狀態(tài)碼“79”，上位機通過解析識別出失效信息是“接點6失效”。除了以上信息外，上位機還會顯示每次失效對應的動作次數(shù)和第幾次失效，以及對應的測試工位。

用同樣的方法模擬多點故障。先拔掉第4組、第6組對應的端子，這時系統(tǒng)會向上位機發(fā)送十六進制狀態(tài)碼“7D”，上位機通過解析識別出失效信息是“接點4失效”“接點6失效”。繼續(xù)再把第5組對應的端子拔掉，這時系統(tǒng)會向上位機發(fā)送16進制狀態(tài)碼“7F”，上位機通過解析識別出失效信息是“接點4失效”“接點5失效”“接點6失效”。

4.2 接點斷開故障

接點斷開故障多為接點熔焊導致，一般是因為負載電流超過觸頭容量。模擬測試時先把第5組接點的連接端子拔掉，然后用導線短接。第5組是常開接點，這樣當繼電器落下時，系統(tǒng)所采集的接點正常狀態(tài)應為斷開，由于端子被短接，系統(tǒng)采集的接點狀態(tài)為閉合，這時系統(tǒng)會向上位機發(fā)送狀態(tài)碼“05”，上位機通過解析識別出失效信息是“接點5失效”，結(jié)合繼電器的工作狀態(tài)為落下，一般可以分析出該點可能存在接點熔焊的問題。

4.3 接點橋接故障

接點橋接故障是指常開接點和常閉接點同時接通，一般是機械特性指標不合格導致。模擬測試時，先把第2組接點的連接端子拔掉，然后用導線短接。第2組是常閉接點，當繼電器吸起時系統(tǒng)所采集的接點正常狀態(tài)應為斷開，由于端子被短接，系統(tǒng)采集的接點狀態(tài)為閉合，它會和常開接點同時處于接通狀態(tài)，形成橋接，這時系統(tǒng)會向上位機發(fā)送狀態(tài)碼“68”，上位機通過解析識別出失效信息是“接點2失效”，結(jié)合繼電器的工作狀態(tài)為吸起，一般可以分析出該點可能存在接點橋接故障。

4.4 試驗總結(jié)

通過上述試驗，系統(tǒng)可以準確地判斷出繼電器在壽命試驗過程中所發(fā)生的故障，并通過狀態(tài)碼發(fā)送給上位機進行解析顯示，用最直觀的方式在壽命實驗過程中了解繼電器的故障信息，可以更好地對繼電器的設計進行改進和優(yōu)化，給設計研發(fā)過程提供了重要數(shù)據(jù)依據(jù)。

5 結(jié)論

基于單片機的新型繼電器壽命試驗系統(tǒng)，經(jīng)過試驗的方式對其功能進行驗證后，在沈陽鐵路信號有限責任公司新產(chǎn)品研制過程中進行了應用，并已連續(xù)開展超過1億次繼電器動作的機械壽命試驗，1 000萬次繼電器動作的電氣壽命試驗。結(jié)果表明：該系統(tǒng)能夠在試驗過程中監(jiān)測繼電器接點的工作狀態(tài)，快速識別并記錄接點在試驗過程中發(fā)生的各種故障，可以進一步提高繼電器的使用可靠性，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的安全風險，為產(chǎn)品的優(yōu)化及質(zhì)量控制提供技術依據(jù)。