板載繼電器壽命測試系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王 鑫，趙興海，姚 旺

（沈陽鐵路信號有限責(zé)任公司，沈陽 110025）

1 概述

繼電器作為一種具有隔離功能的自動開關(guān)元件，因為其出色的控制功能被廣泛應(yīng)用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機(jī)電一體化及電力電子設(shè)備中。其中，板載繼電器作為面向鐵路信號系統(tǒng)印制板應(yīng)用的低高度小型繼電器，是鐵路列車控制系統(tǒng)和計算機(jī)聯(lián)鎖設(shè)備中的重要組成部件，在鐵路運行安全系統(tǒng)中發(fā)揮了重要作用。因此，板載繼電器的使用壽命直接關(guān)系到鐵路信號設(shè)備的維護(hù)周期以及整個鐵路系統(tǒng)的運行安全。

板載繼電器作為電磁繼電器的一種，通過輸入額定電壓使磁路系統(tǒng)中鐵芯勵磁，靠磁力將銜鐵吸引，銜鐵帶動拉桿使接點系統(tǒng)動作，完成繼電器通斷功能。在繼電器使用過程中，影響繼電器壽命試驗的因素有很多，例如結(jié)構(gòu)誤差、材料磨損等原因造成繼電器無法正常工作。通過對失效繼電器分析可知，零部件的磨損是影響繼電器使用壽命最重要的原因，按照磨損位置大致可以分為以下3 類。

1）塑料件磨損：拉桿是繼電器的關(guān)鍵零部件之一，它是磁路系統(tǒng)與接點系統(tǒng)連接的橋梁，如果拉桿磨損嚴(yán)重，會導(dǎo)致繼電器動作時銜鐵帶動拉桿的行程發(fā)生變化，從而影響接點壓力，磨損嚴(yán)重時可能無法使接點正常閉合。

2）金屬件磨損：在繼電器使用期間，銜鐵要經(jīng)歷百萬次以上的動作，磨損會導(dǎo)致銜鐵轉(zhuǎn)動角度變大，使磁路主氣隙變大，降低磁路系統(tǒng)的工作效率，影響繼電器產(chǎn)品性能。

3）觸頭磨損：繼電器動作時要求觸頭表面光滑無破損，但隨著動作次數(shù)的增加，觸頭表面會發(fā)生變化，在接觸點位置會形成接觸凹坑，有表面處理的觸頭鍍層可能會破損，使接點壓力降低，接觸電阻變大，影響繼電器的產(chǎn)品性能。

為了實際測量板載繼電器是否能夠達(dá)到使用壽命要求，將繼電器的元器件缺陷和生產(chǎn)過程中存在的隱患提前暴露，保證繼電器產(chǎn)品能夠經(jīng)得住時間的考驗，提高板載繼電器的穩(wěn)定性和可靠性，需要對繼電器進(jìn)行壽命實驗。板載繼電器的壽命測試周期較長，測試過程需記錄測試數(shù)據(jù)以備后期分析，且需要對機(jī)械壽命和電氣壽命兩種測試指標(biāo)進(jìn)行測試，工作量較大且測試過程比較繁瑣。采用人工測試或單一功能的測試臺都會造成人力、物力的浪費。

為了解決上述問題，設(shè)計基于嵌入式的板載繼電器壽命測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)兩部分，由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)組成。通過硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)的配合克服了以往檢測系統(tǒng)檢測范圍及檢測內(nèi)容相對單一的缺點，可以對不同型號板載繼電器的機(jī)械壽命和電氣壽命在不同運行條件下的運行狀態(tài)進(jìn)行檢測。上位機(jī)通過與下位機(jī)的信息交互，完成對測試過程中測試參數(shù)的設(shè)置，并對待測繼電器的故障信息進(jìn)行分析、顯示及存儲。

2 硬件系統(tǒng)

板載繼電器壽命測試系統(tǒng)能否正常工作、實現(xiàn)其既定功能與硬件系統(tǒng)息息相關(guān)。在硬件系統(tǒng)設(shè)計過程中，除了要考慮系統(tǒng)所要求的采樣準(zhǔn)確性、通信實時性和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性等技術(shù)指標(biāo)外，還要考慮軟硬件的可維護(hù)性和擴(kuò)展性，以便對系統(tǒng)進(jìn)一步集成開發(fā)與后期系統(tǒng)維護(hù)與升級。其硬件系統(tǒng)單工位結(jié)構(gòu)示意如圖1 所示。

圖1 單工位硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Single-station hardware system structure

該系統(tǒng)設(shè)置2 個測試區(qū)域共8 個測試工位，每個區(qū)域內(nèi)的4 個測試工位可同時對同種型號的繼電器進(jìn)行機(jī)械壽命或電氣壽命的測試，且兩個測試區(qū)域之間相互獨立，擁有各自的輔助測試設(shè)備。通過8 個主控板對相應(yīng)數(shù)量的板載繼電器的接點狀態(tài)進(jìn)行實時采集，在進(jìn)行電氣壽命測試時，通過霍爾傳感器的返回值檢測接點的工作情況。主控板接收到霍爾傳感器的信號后，通過RS-232 通信串口與上位機(jī)進(jìn)行信息的傳輸。上位機(jī)與下位機(jī)的信息交互過程中各個測試模塊間相互獨立、互不干擾，保證信息采集的準(zhǔn)確性。

2.1 主控模塊

主控模塊采用PIC18F45K80 增強(qiáng)型閃存單片機(jī)作為主控芯片，每個測試模塊控制板內(nèi)部通過單片機(jī)接收到上位機(jī)的指令，驅(qū)動相應(yīng)的電路來控制小型繼電器進(jìn)行測試所需要的各種邏輯關(guān)系及電路連接，以此來完成相應(yīng)接點狀態(tài)信息的采集。若待測繼電器存在故障，通過單片機(jī)內(nèi)部程序?qū)收闲畔⑦M(jìn)行編碼，進(jìn)而完成采集信息的傳輸。主控模塊實物如圖2 所示。

圖2 主控模塊實物Fig.2 Physical drawing of main control module

2.2 電源模塊

電源裝置的可靠性決定了系統(tǒng)中各個元件的有效性以及復(fù)雜系統(tǒng)能否實現(xiàn)無故障運行。在本文設(shè)計的板載繼電器壽命測試系統(tǒng)中，電源模塊分為驅(qū)動電源和負(fù)載電源兩部分。驅(qū)動電源采用的UNO POWER 電源，其具有效率高、空載損耗低、輸出穩(wěn)定等優(yōu)點，保證在機(jī)械壽命時為待測繼電器及邏輯電路的切換提供穩(wěn)定的電源輸出，保證測試系統(tǒng)對故障信息診斷的準(zhǔn)確性；負(fù)載電源采用魏德米勒Pro MAX 電源，通過給待測繼電器接點增加負(fù)載電源模擬繼電器的實際工作環(huán)境，測試待測繼電器在使用過程中的電氣壽命，而負(fù)載電源輸出的穩(wěn)定性和可靠性保證了測試條件的一致性。

2.3 傳感器模塊

在本文設(shè)計的系統(tǒng)采用JK-D800A 系列霍爾電流傳感器檢測繼電器動作過程中檢測點是否有電流流過，達(dá)到分析繼電器接點通斷的目的。當(dāng)檢測點有電流流過時，霍爾傳感器內(nèi)部會因為磁感應(yīng)強(qiáng)度的變化使霍爾電壓值發(fā)生改變，將霍爾傳感器的輸出端與主控芯片的檢測端相連，通過輸出電壓值的變化確定在進(jìn)行電氣壽命實驗時待測繼電器接點的通斷狀態(tài)，達(dá)到實時監(jiān)測繼電器接點的目的。

3 軟件系統(tǒng)

為了使板載繼電器壽命測試系統(tǒng)能夠滿足要求，不僅需要設(shè)計硬件系統(tǒng)，還需要相應(yīng)軟件程序與硬件電路進(jìn)行配合，才能發(fā)揮系統(tǒng)真正的測試作用。本文設(shè)計的板載繼電器壽命測試系統(tǒng)軟件分為下位機(jī)軟件和上位機(jī)軟件兩個部分。下位機(jī)軟件程序負(fù)責(zé)待測繼電器接點狀態(tài)的采集、數(shù)據(jù)編碼及傳輸，上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)錄入待測繼電器的相關(guān)信息、設(shè)置測試過程中的相關(guān)參數(shù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將結(jié)果進(jìn)行顯示。

3.1 下位機(jī)軟件

下位機(jī)是以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計開發(fā)，嵌入式系統(tǒng)最大的優(yōu)點是可以對軟件系統(tǒng)進(jìn)行模塊化編程。作為待測繼電器接點狀態(tài)采集的首要環(huán)節(jié)，其采集信號的質(zhì)量嚴(yán)重影響信號傳輸、診斷等一系列功能的正常實現(xiàn)。

通過對本文設(shè)計的系統(tǒng)既定功能的進(jìn)行詳細(xì)分析后，可以得到下位機(jī)軟件系統(tǒng)主程序流程及數(shù)據(jù)編碼程序流程，如圖3、4 所示。

圖3 下位機(jī)主程序流程Fig.3 Main program flowchart of the lower computer

圖4 數(shù)據(jù)編碼程序流程Fig.4 Data coding program flowchart

3.2 上位機(jī)軟件

上位機(jī)軟件采用C#程序開發(fā)語言進(jìn)行人機(jī)界面和控制程序的開發(fā)設(shè)計，通過上位機(jī)顯示界面可以輸入待測繼電器的編碼和型號、選擇待測繼電器進(jìn)行機(jī)械壽命測試還是電氣壽命測試，同時還可以對測試過程中的最大動作次數(shù)、最大失效次數(shù)、動作頻率、占空比等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。待測繼電器在測試過程中出現(xiàn)的相關(guān)故障信息也在上位機(jī)界面中進(jìn)行統(tǒng)計并顯示，并將測試數(shù)據(jù)進(jìn)行自動存儲，以便進(jìn)行后期分析。

4 系統(tǒng)測試

將整個測試系統(tǒng)組裝完成并檢查電路連接無誤后，啟動電源進(jìn)行上電操作。系統(tǒng)自檢完成后，可通過上位機(jī)顯示界面上的設(shè)備狀態(tài)指示燈得知系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常。在上位機(jī)界面內(nèi)將測試過程中的相關(guān)參數(shù)設(shè)置完成后即可開始測試。上位機(jī)初始界面如圖5 所示。

為檢測本文設(shè)計的系統(tǒng)是否可以識別出待測繼電器存在的故障，通過改變繼電器結(jié)構(gòu)模擬故障情況進(jìn)行測試。由圖6 中顯示可知，測試過程中，若待測繼電器有故障發(fā)生，上位機(jī)通過接收下位機(jī)發(fā)送的故障代碼，通過解碼程序解析出待測繼電器的故障位置并在失效信息顯示框內(nèi)顯示故障繼電器的信息、故障發(fā)生的時間、故障時動作次數(shù)以及故障發(fā)生時的線圈狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)自動保存，達(dá)到對待測繼電器進(jìn)行分析改進(jìn)的目的。

圖6 測試信息顯示界面Fig.6 Test information display interface

5 結(jié)論

本文設(shè)計的板載繼電器多工位壽命測試系統(tǒng)可以同時對板載繼電器的機(jī)械壽命和電氣壽命進(jìn)行自動測試并記錄每次故障產(chǎn)生的原因及位置，提高故障定位的精確度，有利于故障排除及后期分析，在故障數(shù)超過允許值或動作次數(shù)達(dá)到設(shè)定值后自動停止，在豐富測試項的同時提高測試條件的一致性；同時，為滿足不同使用條件下，繼電器的動作頻率不同的情況，該測試臺可以提供多種動作頻率進(jìn)行測試，提高測試效率，保證測試環(huán)境與使用環(huán)境的一致性，為板載繼電器的使用壽命評估提供強(qiáng)有力的數(shù)據(jù)支撐。