王 鑫，趙興海，姚 旺

（沈陽鐵路信號有限責任公司，沈陽 110025）

1 概述

繼電器作為一種具有隔離功能的自動開關元件，因為其出色的控制功能被廣泛應用于遙控、遙測、通訊、自動控制、機電一體化及電力電子設備中。其中，板載繼電器作為面向鐵路信號系統(tǒng)印制板應用的低高度小型繼電器，是鐵路列車控制系統(tǒng)和計算機聯(lián)鎖設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系到鐵路信號設備的維護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，例如結構誤差、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，如果拉桿磨損嚴重，會導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，磨損會導致銜鐵轉動角度變大，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，影響繼電器的產品性能。

為了實際測量板載繼電器是否能夠達到使用壽命要求，將繼電器的元器件缺陷和生產過程中存在的隱患提前暴露，保證繼電器產品能夠經(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，且需要對機械壽命和電氣壽命兩種測試指標進行測試，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)分為上位機和下位機兩部分，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)檢測范圍及檢測內容相對單一的缺點，可以對不同型號板載繼電器的機械壽命和電氣壽命在不同運行條件下的運行狀態(tài)進行檢測。上位機通過與下位機的信息交互，完成對測試過程中測試參數(shù)的設置，并對待測繼電器的故障信息進行分析、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。在硬件系統(tǒng)設計過程中，除了要考慮系統(tǒng)所要求的采樣準確性、通信實時性和數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定性等技術指標外，還要考慮軟硬件的可維護性和擴展性，以便對系統(tǒng)進一步集成開發(fā)與后期系統(tǒng)維護與升級。其硬件系統(tǒng)單工位結構示意如圖1 所示。

圖1 單工位硬件系統(tǒng)結構Fig.1 Single-station hardware system structure

該系統(tǒng)設置2 個測試區(qū)域共8 個測試工位，每個區(qū)域內的4 個測試工位可同時對同種型號的繼電器進行機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備。通過8 個主控板對相應數(shù)量的板載繼電器的接點狀態(tài)進行實時采集，在進行電氣壽命測試時，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 通信串口與上位機進行信息的傳輸。上位機與下位機的信息交互過程中各個測試模塊間相互獨立、互不干擾，保證信息采集的準確性。

2.1 主控模塊

主控模塊采用PIC18F45K80 增強型閃存單片機作為主控芯片，每個測試模塊控制板內部通過單片機接收到上位機的指令，驅動相應的電路來控制小型繼電器進行測試所需要的各種邏輯關系及電路連接，以此來完成相應接點狀態(tài)信息的采集。若待測繼電器存在故障，通過單片機內部程序對故障信息進行編碼，進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雜系統(tǒng)能否實現(xiàn)無故障運行。在本文設計的板載繼電器壽命測試系統(tǒng)中，電源模塊分為驅動電源和負載電源兩部分。驅動電源采用的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確性；負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，達到分析繼電器接點通斷的目的。當檢測點有電流流過時，霍爾傳感器內部會因為磁感應強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行電氣壽命實驗時待測繼電器接點的通斷狀態(tài)，達到實時監(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，不僅需要設計硬件系統(tǒng)，還需要相應軟件程序與硬件電路進行配合，才能發(fā)揮系統(tǒng)真正的測試作用。本文設計的板載繼電器壽命測試系統(tǒng)軟件分為下位機軟件和上位機軟件兩個部分。下位機軟件程序負責待測繼電器接點狀態(tài)的采集、數(shù)據(jù)編碼及傳輸，上位機軟件負責錄入待測繼電器的相關信息、設置測試過程中的相關參數(shù)，并對采集到的數(shù)據(jù)進行處理，將結果進行顯示。

3.1 下位機軟件

下位機是以嵌入式系統(tǒng)為基礎進行設計開發(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)，其采集信號的質量嚴重影響信號傳輸、診斷等一系列功能的正常實現(xiàn)。

通過對本文設計的系統(tǒng)既定功能的進行詳細分析后，可以得到下位機軟件系統(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 上位機軟件

上位機軟件采用C#程序開發(fā)語言進行人機界面和控制程序的開發(fā)設計，通過上位機顯示界面可以輸入待測繼電器的編碼和型號、選擇待測繼電器進行機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)進行設置。待測繼電器在測試過程中出現(xiàn)的相關故障信息也在上位機界面中進行統(tǒng)計并顯示，并將測試數(shù)據(jù)進行自動存儲，以便進行后期分析。

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，啟動電源進行上電操作。系統(tǒng)自檢完成后，可通過上位機顯示界面上的設備狀態(tài)指示燈得知系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常。在上位機界面內將測試過程中的相關參數(shù)設置完成后即可開始測試。上位機初始界面如圖5 所示。

為檢測本文設計的系統(tǒng)是否可以識別出待測繼電器存在的故障，通過改變繼電器結構模擬故障情況進行測試。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，上位機通過接收下位機發(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，達到對待測繼電器進行分析改進的目的。

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

5 結論

本文設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械壽命和電氣壽命進行自動測試并記錄每次故障產生的原因及位置，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)達到設定值后自動停止，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有力的數(shù)據(jù)支撐。