電磁式繼電器測試平臺搭建

昆明地鐵運(yùn)營有限公司 李淑紅 程晉然 寇婷婷

軌道交通系統(tǒng)龐雜，各系統(tǒng)中電磁式繼電器使用數(shù)量巨大，隨著地鐵運(yùn)營年限的增加，包括電磁繼電器在內(nèi)的各類元器件的故障數(shù)量呈逐年上升趨勢。為確保地鐵安全運(yùn)營、有效提升運(yùn)營服務(wù)質(zhì)量、推進(jìn)軌道交通高質(zhì)量發(fā)展，結(jié)合公司多年運(yùn)營管理經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，通過近兩年的測試、開發(fā)，成功完成了電磁式繼電器測試平臺的搭建。該測試平臺及測試方法建立在嵌入式系統(tǒng)對多次重復(fù)、大量高精度樣本數(shù)據(jù)的采集與記錄，通過現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)理論與相關(guān)算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測與評估，掌握設(shè)施設(shè)備老化、故障類型與全壽命周期特點(diǎn)，充分提高軌道交通各系統(tǒng)可靠性與安全性，有效降低成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備維保管理水平的有效提升。

1 背景分析

軌道交通各系統(tǒng)中采用了大量的繼電器以完成相應(yīng)的控制功能，繼電器作為軌道交通各系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備中的主要電控制器件，隨著地鐵運(yùn)營年限的增加不可避免地會產(chǎn)生故障，電磁式繼電器的穩(wěn)定性決定了其所在系統(tǒng)的可靠性，從而影響地鐵運(yùn)營安全。為確保電磁式繼電器高效穩(wěn)定運(yùn)行，除了在設(shè)計(jì)選型階段對繼電器元器件材質(zhì)進(jìn)行有效把控，投入運(yùn)營后在實(shí)際使用過程中對電磁式繼電器的運(yùn)行工況狀態(tài)進(jìn)行測試、分析和預(yù)研判也尤為重要。

傳統(tǒng)的繼電器測試裝置和測試方法一般只具備對繼電器的機(jī)械和電氣功能優(yōu)劣進(jìn)行初步測量及定性分析，而對于繼電器電氣及機(jī)械性能不穩(wěn)定或工藝缺陷導(dǎo)致的偶發(fā)性故障，難以開展定量測試和分析[1]。近年來國內(nèi)外涌現(xiàn)出很多便攜式或在線電磁繼電器自動化測試裝置，經(jīng)市場調(diào)研這些測試裝置大多數(shù)都存在檢測場景要求嚴(yán)格、檢測成本高、檢測設(shè)備不便捷，對多種型號繼電器適應(yīng)能力較低、無法檢測電磁式繼電器動作延時特性的一致性，無法準(zhǔn)確查找故障點(diǎn)，在電磁繼電器故障排查中存在很大的局限性。

為了研究電磁式繼電器故障原因的方式方法，實(shí)現(xiàn)電磁式繼電器基本功能的測試，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)著手開發(fā)操作簡便、檢測靈活且適用于軌道交通行業(yè)的電磁式繼電器測試平臺。該電磁式繼電器測試平臺依托繼電器運(yùn)行與監(jiān)測同步開展的電氣參數(shù)特性，為軌道交通各系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備現(xiàn)場維保提供了定量數(shù)據(jù)支撐，為故障原因的精準(zhǔn)確定提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為設(shè)施設(shè)備維保管理水平的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 搭建方案

2.1 技術(shù)路線

電磁式繼電器測試平臺建設(shè)項(xiàng)目以基礎(chǔ)理論研究及數(shù)據(jù)分析為依托，通過對繼電器底層原理及動作特性的分析研究，借助現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)理論與方法，形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法分析、硬件及軟件開發(fā)、測試平臺搭建，在實(shí)驗(yàn)室開展初步模擬測試，確保平臺運(yùn)行穩(wěn)定性且功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，通過反復(fù)多次對歷年來部分故障電磁繼電器的模擬測試和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了此電磁繼電器測試平臺運(yùn)行穩(wěn)定且功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.2 技術(shù)理論

電磁式繼電器測試平臺主要用于對繼電器動作的時間特性與觸點(diǎn)的電氣特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、檢測分析。

電磁繼電器測試依據(jù)：電磁式繼電器是一種電磁開關(guān)，它由線圈、鐵芯、觸點(diǎn)、彈簧等部分組成，具有接通電路和隔離電路的功能。在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會流過一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會在電磁力吸引的作用下克服返回彈簧的拉力吸向鐵芯，從而帶動銜鐵的動觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合[2]；反之銜鐵就會在彈簧的反作用力返回原來的位置，使動觸點(diǎn)與原來的靜觸點(diǎn)斷開。這樣吸合和斷開，從而實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通和切斷的目的。繼電器正常吸合及斷開時間均與其型號與外部電氣參數(shù)相關(guān)聯(lián)，由于各種機(jī)械或電氣故障原因會導(dǎo)致繼電器動作規(guī)律發(fā)生改變。

測試分析的理論應(yīng)用：經(jīng)評估本次搭建的測試平臺的測試分析采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)（概率）的擬合概率分布相關(guān)理論方法。擬合概率分布是指通過對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找到一種最合適的概率分布模型來描述數(shù)據(jù)的分布特征。在擬合概率分布時，選擇一個誤差函數(shù)來衡量模型的擬合程度，并通過最小化誤差函數(shù)來確定最佳擬合參數(shù)。除了一些經(jīng)典的概率分布模型（如高斯分布、伽馬分布等），還采用了一些非參數(shù)擬合方法（如核密度估計(jì)、局部多項(xiàng)式回歸等）用于擬合任意分布的數(shù)據(jù)。

2.3 建設(shè)方案

電磁式繼電器測試平臺由驅(qū)動采集控制、觸點(diǎn)狀態(tài)采集、矩陣式布線、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)界面、電源模塊、溫度傳感器、負(fù)載模塊等部分組成，如圖1所示。圖中1負(fù)載模塊、2測試樣品、3電源模塊、4驅(qū)動采集控制、5數(shù)據(jù)采集與人機(jī)界面、6連接線纜、7端子排、8電源線、9空開、10導(dǎo)軌。

圖1 電磁式繼電器測試平臺平面布置圖

電磁式繼電器測試平臺驅(qū)動采集控制部分由微控制單元（MCU）為核心的嵌入式系統(tǒng)組成，能夠?yàn)椴煌膽?yīng)用場合做不同組合控制，包括但不限于輸出驅(qū)動、信號采集、數(shù)據(jù)回傳等功能。測試平臺接線組由具備短路或過流保護(hù)作用的空開、可開斷端子排、繼電器安裝支架、固定布線、可移動布線組成，矩陣式布線操作靈活、系統(tǒng)擴(kuò)展性更強(qiáng)、布線更方便，最大限度提高了接線效率和準(zhǔn)確率，大大減少了施工過程中混線或錯線的發(fā)生幾率，也方便接入測試所需的各種電源和切換測試所需的不同負(fù)荷[3]。

電磁式繼電器的數(shù)據(jù)采集與人機(jī)界面的硬件部分功能由工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制、測量和監(jiān)控，軟件功能為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)，以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為指導(dǎo)進(jìn)行分布擬合檢驗(yàn)，概率分布采用高斯分布，具備測試平臺數(shù)據(jù)庫操作（采集數(shù)據(jù)的存儲）、測試參數(shù)自主設(shè)置、測試參數(shù)擬合分布、規(guī)律模擬可視化展示等功能，能夠?qū)崟r顯示測試樣品電磁繼電器每個觸點(diǎn)吸合延時、斷開延時的最大值、最小值和平均值，觸點(diǎn)動作次數(shù)和吸合延時概率高斯分布圖、斷開延時概率高斯分布圖。數(shù)據(jù)采集與人機(jī)界面模塊和驅(qū)動采集控制模塊通過通信線連接，信號傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的實(shí)時雙向傳輸。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對采集數(shù)據(jù)的處理提出了很多的建議和方法，最終采用了特定的數(shù)學(xué)工具，經(jīng)過此特定數(shù)學(xué)工具處理后生成了高度可視化的電磁式繼電器動作特性概率高斯分布圖。通過對電磁式繼電器動作特性分布規(guī)律的深入分析研究，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)間接獲得了電磁式繼電器的當(dāng)前實(shí)時運(yùn)行狀態(tài)，對現(xiàn)場設(shè)施設(shè)備維修具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義工作，同時也能夠?qū)χ匾^電器的更換維修提供定量分析。

通過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對采集到的電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開延時、卡滯數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，通過精確計(jì)算得出電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開延時的高斯型kernel 分布圖，從高斯型kernel 分布圖分布規(guī)律可判斷出電磁式繼電器是否發(fā)生故障及故障類型[4]；同時也可以判斷出電磁式繼電器鐵芯線圈溫度升高對電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開延時的影響。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用電磁式繼電器測試平臺監(jiān)測到的參數(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合自主研發(fā)的算法得到電磁式繼電器動作的分布規(guī)律及分布特性，從而準(zhǔn)確判斷電磁式繼電器故障發(fā)生與否、故障類型及觸點(diǎn)吸合斷開動作延時。該電磁式繼電器測試平臺采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)、算法理論嚴(yán)謹(jǐn)且直觀生動，具有較強(qiáng)的適用性。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主開發(fā)的軟件安裝在工業(yè)計(jì)算機(jī)上，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面及數(shù)據(jù)采集功能。軟件的測試狀態(tài)顯示區(qū)域?qū)崟r顯示測試狀態(tài)，包括繼電器動作次數(shù)、吸合釋放時間、溫度等參數(shù)。測試參數(shù)配置區(qū)域用于測試開始前配置測試參數(shù)：根據(jù)需要分別設(shè)置繼電器吸合及釋放時間；設(shè)置繼電器動作上限次數(shù)或者不設(shè)置動作次數(shù)上限；設(shè)置上下位機(jī)通訊串口號。

測試啟停按鈕用于控制測試啟停。圖像控制區(qū)域用于選擇顯示所需觸點(diǎn)的吸合或釋放延時概率分布圖像。測試數(shù)據(jù)顯示區(qū)域用于實(shí)時顯示各觸點(diǎn)的吸合、釋放延時的單次值、平均值、最大值、最小值，其中單次值由驅(qū)動采集部分實(shí)時回傳的數(shù)據(jù)，平均值、最大值、最小值是軟件根據(jù)儲存的數(shù)據(jù)計(jì)算得出。圖像顯示區(qū)域會根據(jù)所選擇實(shí)時顯示觸點(diǎn)的吸合延時概率分布圖像或延時概率分布圖像。圖像縮放按鈕可以對圖像進(jìn)行橫向、縱向、全局放大以及還原縮放。軟件還具備數(shù)據(jù)儲存的功能，接受到由驅(qū)動采集部分實(shí)時回傳的數(shù)據(jù)后，實(shí)時在數(shù)據(jù)庫內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲存，所儲存的數(shù)據(jù)后續(xù)可以直接調(diào)出，方便使用數(shù)學(xué)工具處理分析。

3 應(yīng)用分析

電磁式繼電器測試平臺不受電磁式繼電器的規(guī)格、型號的限制，可以對多觸點(diǎn)電磁式繼電器、電磁式繼電器組開展動作特性測試，且可開展多個電磁式繼電器同時測試，大大提高了檢測效率；另外該電磁式繼電器測試平臺既能開展空負(fù)荷測試又能開展帶負(fù)荷測試，工作場景通用性極強(qiáng)。

電磁式繼電器測試平臺具備短路自動保護(hù)功能，可便捷測量測試線路的各電氣參數(shù)，同時該電磁式繼電器平臺將矩陣原理引入現(xiàn)場線纜布設(shè)，方便于各類電磁式繼電器快捷接入測試回路，也方便各類示波器、萬用表等測量工具與電磁式繼電器連接進(jìn)行各參數(shù)測量。

電磁式繼電器測試平臺能夠在預(yù)設(shè)定參數(shù)環(huán)境下對電磁式繼電器進(jìn)行測試，對電磁式繼電器重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時采集傳輸，同時存儲每次吸合釋放動作時的各項(xiàng)參數(shù)；另外采集電磁式繼電器的觸點(diǎn)電壓、電流波形圖及電磁式繼電器其他特征參數(shù)[5]。通過自主設(shè)定動作閾值、動作延遲時間、規(guī)定動作次數(shù)、記錄失效時間等，實(shí)現(xiàn)對采集到的電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開延時、觸點(diǎn)異?？?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時實(shí)現(xiàn)重要參數(shù)在反復(fù)吸起、落下循環(huán)動作情況下的概率分布可視化[6]。電磁式繼電器測試平臺有效解決了既有檢測設(shè)備不靈活，多種型號的繼電器適應(yīng)性不強(qiáng)、延時特性及多次重復(fù)延時特性一致性的問題，其技術(shù)特性具備行業(yè)先進(jìn)性。

通過對送檢繼電器吸合釋放延時的概率分布曲線研判，以正常樣本繼電器的分布曲線進(jìn)行輔助對比，判斷繼電器的故障情況，明確故障原因，建立同類問題數(shù)據(jù)檢索數(shù)據(jù)庫、案例參考，利于設(shè)備管理部門根據(jù)故障源頭類型與風(fēng)險(xiǎn)分析，制定糾正措施；通過對樣品繼電器進(jìn)行帶載極限壽命試驗(yàn)，分析樣品繼電器的可靠性及使用壽命，對不同品牌不同型號的繼電器進(jìn)行技術(shù)評價，為采購部門、使用部門提供技術(shù)支持，利于采購部門結(jié)合商務(wù)條件確定最優(yōu)采購方案。

建立了內(nèi)部繼電器測試標(biāo)準(zhǔn)及方法，完善測試流程與制度，使繼電器測試標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，有效縮短測試周期，提高檢測效率；根據(jù)繼電器狀態(tài)檢測確定繼電器的狀態(tài)，給出不同型號不同用途繼電器的維保維修策略的技術(shù)意見，從而延長軌道交通各系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備維保周期，大大降低維保成本。