基于西門子PLC 和合信HMI 電磁繼電器時間參數(shù)檢測系統(tǒng)的設計

黃一清，馮冬雷

（蘇州高等職業(yè)技術學校（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院蘇州分院） 電子工程系，江蘇蘇州， 215009）

0 引言

電磁繼電器為自動控制電器開關，是一種在滿足標準或閾值激勵條件下，能于單個或多個電氣系統(tǒng)輸出電路中發(fā)生預定躍變的器件[1]。其廣泛應用于醫(yī)療設備等領域，可根據(jù)規(guī)定輸入信號動作，實現(xiàn)如影像設備X 射線機、CT 掃描儀等的自動控制、性能保護及遠程操作，是電力系統(tǒng)二次回路中極為重要的控制器件。良好的繼電器在滿足閉合/斷開電路基本功能外，一般要求具備接點動作一致、電氣特性和時間特性穩(wěn)定等特點[2]。而隨著使用時間的增加，電磁繼電器性能也會因觸點磨損退化等原因造成不良或功能失效，直接影響醫(yī)療設備電氣系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性[3]，例如繼電器故障致使控制電磁鎖24V 輸出異常將直接導致CT 機掃描床鎖死，X 線機在斷層攝影和濾線器攝影時高壓準備繼電器不吸合會致使X 射線無產(chǎn)生，控制電機板繼電器觸點黏合不放引發(fā)人工心肺機血泵停轉等[4~5]。因此繼電器性能檢測顯得尤為重要，多數(shù)情況下一般在繼電器失效前選擇更換，然繼電器的使用往往與電路環(huán)境和外界物理環(huán)境因素有關，故繼電器運行壽命很難得到準確預估。傳統(tǒng)檢測方法通常依托電阻測試儀、示波器檢測等人工手段以波形觀測、人工計時等形式進行，檢修效率較低且工序多見繁瑣[6]?；诖吮疚奶岢隽艘环N電磁繼電器性能檢測系統(tǒng)，基于西門子PLC和HMI 以時間參數(shù)來表征繼電器性能，實現(xiàn)對傳統(tǒng)人工手段檢測方法改善。

1 電磁繼電器工作原理分析

電磁繼電器作為自動控制系統(tǒng)常用繼電器，涵蓋電磁和觸點兩大部分，硬件結構上主要由線圈、鐵芯、銜鐵、復位彈簧等構成。基于電磁感應原理，在激勵信號作用下電磁繼電器內部線圈得電產(chǎn)生磁通，經(jīng)由磁路產(chǎn)生的電磁吸力帶動可動銜鐵推動常閉/常開觸點的離斷/閉合，激勵信號消失時在彈簧反力作用下銜鐵恢復帶動繼電器回到初始狀態(tài)[7]。結合電子元器件失效統(tǒng)計結果來看，繼電器失效比例僅次于單片機集成電路，究其失效模式主要分為功能失效和參數(shù)失效兩大類，常見原因包括結構缺陷、觸點粘連、觸點不良、簧片位移等狀況[8]，而這在一定程度上將直接影響繼電器吸合或釋放時間，故而繼電器時間參數(shù)是反映其工作特性的一項重要指標。Ye Xuerong 等人[9]早期進行過電磁繼電器時間參數(shù)的綜合測試，不同性能繼電器的吸合時間、線圈電流等的獲取分析為本方案的設計提供重要依據(jù)。本方案中主要涉及時間參數(shù)吸合時間、釋放時間和回跳時間。

（1）吸合時間

吸合時間根據(jù)IEC1/1845/FDIS 標準，是指給予輸入激勵量瞬間即線圈得電至繼電器輸出動合觸點第一次閉合所經(jīng)歷的時間間隔。而該時間通常受電磁吸合力、觸點行程和復位彈簧力三個指標影響[9]，其中電磁吸合力又與繼電器線圈分壓和內阻有關。因此，不同型號規(guī)格的電磁繼電器吸合時間不盡相同。一般而言，電磁繼電器吸合時間在5~30ms范圍內，多見10ms 左右。

（2）釋放時間

釋放時間主要針對處于動作狀態(tài)的繼電器而言，具體是指輸入激勵量消失瞬間至繼電器輸出動合觸點斷開之間的時間間隔。與前面吸合時間不同的是，釋放時間主要受繼電器復位彈簧力的影響。正常情況下，繼電器釋放時間與吸合時間相當。

（3）回跳時間

回跳時間包含吸合回跳合釋放回跳時間。由于繼電器通常采用彈性機械觸點完成線路通斷，故觸點回跳是繼電器在吸合/斷開過程中銜鐵與鐵心、推桿與簧片、觸點與觸點等相互碰撞所產(chǎn)生的。一般繼電器觸點回跳時間不得超過1.5ms。

2 繼電器時間參數(shù)檢測系統(tǒng)設計

本檢測系統(tǒng)包含檢測控制、數(shù)據(jù)采集通訊部分。系統(tǒng)以西門子PLC 為核心，以CB1241 RS485 板卡作為通訊模塊，主要實現(xiàn)繼電器激磁線圈的通/斷電、繼電器觸點狀態(tài)的判斷、吸合/釋放時間的計算以及與觸摸屏之間的數(shù)據(jù)/控制通訊。檢測系統(tǒng)的啟停、參數(shù)顯示均基于合信TP07I 觸摸屏來實現(xiàn)。

■2.1 主控單元控制與檢測設計

（1）硬件設計

考慮到所選的觸摸屏合信TP07I 擁有以太網(wǎng)口，故本系統(tǒng)選擇同樣具有以太網(wǎng)接口的可編程控制器S7 系列西門子1200 PLC（CPU1215C DC/DC/RLY）。該控制器設計緊湊且具有強大的功能指令集，集合有6 個高速計數(shù)器、14 路數(shù)字量輸入/10數(shù)字量輸出、2路模擬輸入/輸出、板載I/O 狀態(tài)指示等，其中數(shù)字輸入輸出端口已滿足系統(tǒng)要求，故無需增加擴展模塊。以HHC68B-4Z 固態(tài)繼電器為例，該繼電器技術參數(shù)資料顯示吸合電壓、釋放電壓直流分別低于75%、10%的額定電壓，交流分別低于80%、30%的額定電壓，吸合時間不超過15ms，釋放時間不超過10ms。硬件結構上該繼電器總計14 個引腳，其中9 至12 為觸點公共端，1-4 為常閉觸點，5-8 為常開觸點，13、14 腳為線圈引腳。以1、5、9 一組觸點為例，線圈未得電狀態(tài)下1、9 之間導通，反之5、9 之間導通。基于此本系統(tǒng)中S7-1200 PLC Q0.0 口連接繼電器14號引腳，13 號引腳直接接地用以控制磁激線圈的通斷電，I0.0-I0.7口分別接繼電器1-8 號引腳來檢測4 組常閉觸點和4 組常開觸點的狀態(tài)，并注意將繼電器的4 組公共觸點接24V，如圖1 所示。以繼電器常開觸點5 號引腳為例，初始狀態(tài)下繼電器5 號引腳未與9 號引腳接通故該觸點為0V，反饋給I0.4 端口低電平信號。當PLC 判別到來自觸摸屏的檢測信號來時，Q0.0 口直接輸出高電平使繼電器線圈得電，繼電器5 號觸點在經(jīng)過一定動作時間后才會閉合即與9 號引腳接通得到24V，反饋給I0.4端口高電平信號，故可在PLC 相應輸入口檢測到有信號躍變（由0 至1），經(jīng)過一段回跳時間最終達到穩(wěn)定閉合。

圖1 主控單元控制與檢測接線圖

（2）軟件設計

合信觸摸屏通過PROFINET 接口與西門子PLC 連接，點擊觸摸屏界面檢測按鈕，PLC 立即動作響應Q0.0 輸出高電平，按照時間參數(shù)定義，線圈得電后將啟動PLC 保持型接通延時定時器T2n+1、接通延時定時器T2n+2計時，其中n對應到各觸點編號進行相應取值。當檢測到PLC 相應輸入口有上升/下降沿信號時定時器T2n+1暫停，記錄T2n+1定時器計時時間即為繼電器常開觸點的吸合時間或常閉觸點的釋放時間。吸合回跳時間檢測則通過PLCI0.0-I0.7 相應輸入口檢測有上升沿信號時啟動定時器T2n+3計時，當計時值大于3ms 時表明觸點已達到穩(wěn)定吸合狀態(tài)此時T2n+2、T2n+3計時值的差值即為吸合回跳時間同時斷開T2n+2、T2n+3這兩個定時器。5s 后PLC Q0.0 口由程序自動給到低電平輸出，線圈斷電后立即啟動保持型接通延時定時器T2n+4，當檢測到PLC 相應輸入口有下降/上升沿信號時定時器T2n+4暫停，記錄T2n+4定時器計時時間為常開觸點的釋放時間或常閉觸點的吸合時間。程序流程圖如圖2 所示。

圖2 時間參數(shù)檢測流程圖

以繼電器5 號常開觸點為例，使用TIA Portal V15.1 軟件進行PLC 源程序的編寫和調試。程序編寫前先添加設備組態(tài)PLC 和通信板卡，注意PLC 地址設置為192.168.0.1，并與電腦IP 地址處于同一網(wǎng)段。相關時間參數(shù)檢測代碼如圖3 所示。其中M100.0 連接到觸摸屏變量“檢測”，并設置為BOOL 類型。Q0.0 定義為線圈，I0.4 為5 號觸點狀態(tài)同樣均設為BOOL類 型；M W 2 2 4、M W 2 2 6、MW228 分別定義為吸合時間、釋放時間和回跳時間，設置為WORD 類型。觸摸屏界面按下檢測按鍵，M100.0 得電，Q0.0立即輸出高電平使能保持型定時器T9 和普通定時器T10 計時，當I0.4 檢測到上升沿后斷開T9計時并記錄計時時間，同時使能定時器T11 計時當計時時間超過規(guī)定值時記錄與T10 計時值之差即為回跳時間。需要注意的是定時器計時值為TIME 類型需要經(jīng)過T_CONV 功能塊轉換，轉換類型選擇TIME TO INT，完成后方可給到各WORD 型變量存儲器。

圖3 時間參數(shù)核心檢測代碼

■2.2 時間參數(shù)采集顯示設計

使用MagicWorks HMIV3.9.6 軟件繪制電磁繼電器時間參數(shù)檢測界面，為畫面的美觀性將背景色修改為藍色。添加觸摸屏與PLC 通訊連接，如圖4 所示。通訊欄目下選擇連接添加PLC 地址即設置從站網(wǎng)絡IP 地址為192.168.0.1。

圖4 添加觸摸屏與PLC 通訊連接

在觸摸屏軟件通訊欄目下添加觸摸屏變量如圖5 所示，其中檢測和清除變量數(shù)據(jù)類型為BOOL 類型，并關聯(lián)觸摸屏畫面（圖6）檢測和清除按鍵。點擊按鍵選擇事件中的按下，編輯位選擇InvertBit。相關吸合、釋放及回跳時間變量數(shù)據(jù)類型選擇INT 類型，注意所有變量均選擇連接PLC。觸摸屏界面除檢測、清除兩個按鍵外，添加有數(shù)字域用以顯示繼電器各觸點的相關時間參數(shù)，并注意對應關聯(lián)圖5 中所定義好的變量，數(shù)據(jù)長度可統(tǒng)一設置為7 位，小數(shù)位數(shù)修改為2 位。

圖5 繼電器激磁控制和時間參數(shù)

圖6 繼電器時間參數(shù)檢測觸摸屏界面

3 檢測系統(tǒng)測試

完成電磁繼電器檢測系統(tǒng)后，選擇一個新采購的HHC68B-4Z 固態(tài)繼電器和一個從X 射線機所拆下的同型號故障繼電器進行性能檢測對比，同時并聯(lián)數(shù)字示波器進行檢測數(shù)據(jù)比較分析。經(jīng)檢測發(fā)現(xiàn)新采購繼電器時間參數(shù)儀實測各觸點吸合和釋放時間基本在9-10ms，符合該型號固態(tài)繼電器技術文件要求，以5 號常開觸點為例，實測吸合時間為9.0ms，釋放時間9.0ms，回跳時間1.0ms，同比示波器所測得吸合時間9.4ms，釋放時間9.0ms，回跳時間0.8ms。故障繼電器實測各觸點吸合和釋放時間基本在160~190ms 之間，5 號常開觸點吸合時間為183ms，釋放時間為168ms，回跳時間在32ms，檢測結果顯示與數(shù)字示波器數(shù)據(jù)基本一致。與數(shù)字示波器相比，該繼電器時間參數(shù)檢測系統(tǒng)減少了對繼電器吸合或釋放信號波形的手動動作捕捉以及相關時間參數(shù)的計算，在操作上更具有簡便性和直觀性。

4 總結

電磁繼電器是工業(yè)自動控制領域中較為常見的電器開關元件，其性能優(yōu)劣將直接影響醫(yī)療設備領域電氣系統(tǒng)運行的可靠性與穩(wěn)定性，基于此開發(fā)本繼電器性能測試系統(tǒng)。本系統(tǒng)以西門子S7-1200 PLC 作為控制單元，合信觸摸屏TP07I 作為顯示單元，通過檢測繼電器線圈和觸點狀態(tài)開定時器計時方式得到本系統(tǒng)相關時間參數(shù)。本系統(tǒng)可以測試電磁繼電器的吸合時間、釋放時間和吸合回跳時間，以HHC68B-4Z 固態(tài)繼電器作為檢測對象為例，經(jīng)過實際測試分析與驗證，各項功能指標均達到設計預期，所測值與數(shù)字示波器檢測數(shù)據(jù)基本一致，且具備可靠性強、數(shù)據(jù)讀取直觀等優(yōu)點。