铁路安全继电器测试台架的研制与应用

李亚男

（晋能控股煤业集团铁路运营管理山西有限公司矿山铁路分公司，山西 大同 037003）

作为铁路信号控制系统中最关键的电子器件之一，铁路安全继电器需要在出厂和使用过程中对其各项参数进行测试[1]。铁路安全继电器（AX型）必须定期对其电气特性参数进行测试。其主要电气特性参数包括：充磁值、释放值、工作值、反向工作值等。常规铁路安全继电器的测试方法是通过人工手动旋转自耦变压器给继电器充放电，然后读取模拟表头指针所指的参数值并记录[2]。这种测试方式必然会带来误差和不准确性，所以需要一种自动化、高精度继电器测试系统，能够自动测量继电器的电气参数。

1 继电器测试台架组成

铁路安全继电器测试台架主要由主控模块、触摸屏、驱动电路、测量电路、继电器测试台等组成。主控模块负责触摸屏、测量电路中的信息采集以及通过驱动电路驱动待测继电器。触摸屏实现人机交互功能。驱动电路和测量电路实现对待测继电器供电、电气参数测量。测试台为工作台，测试台上布置有各类继电器测试接口。

1.1 硬件系统

铁路安全继电器测试台架使用型号为CPM2A 的PLC 作为主控模块、人机交互使用ET500 系列触摸屏完成，设计测试项目有：继电器接触器测试、电磁电子式时间继电器测试、过流空转继电器测试、接地继电器测试等测试项目。其硬件结构见图1所示。

图1 硬件电路设计

PLC 通过输入输出端口采集继电器的动作，使用扩展模拟输入输出模块采集被测继电器动作时的电流和电压值。此外，PLC 将采集到的继电器的动作以及状态信息输出给触摸屏，并且对测试过程中的异常情况做出故障报警。

测试台架的软件系统设计由2个部分组成：1触摸屏组态软件和PLC控制软件。触摸屏通过RS232接口可以实现与PLC的通信功能，在点击触摸屏时，触摸屏向PLC 发送对应信号，PLC 接到指令后执行数据计算以及测试流程控制。

1.2 软件系统

PLC 是整个测试系统的大脑，它的基本工作原理是：通过接收模拟信号输入和数字信号输入，在程序运算后输出模拟信号或数字信号来控制执行器的动作[3]。主控制程序主体分为以下几个部分：初始化模块、状态检测模块、控制模块、通信模块和故障处理模块，程序逻辑见图2所示。

图2 PLC控制程序结构

初始化模块的作用是初始化测试系统的时间、电压电流和被测安全继电器的类型、型号；状态检测模块的功能是对系统测试台架各部分状态做显示，并在发生故障时发送信号给故障处理模块；通信模块作用为接收触摸屏的参数信息，完成和触摸屏的通信；控制模块的功能是对测试台架中电流、电压进行升降控制。

状态检测模块的功能是对安全继电器的动作状态进行检测。因为继电器的物理特性，触点在闭合的时候通常会先闭合，会有很小的距离弹开后再次闭合[4]。所以，需要在软件设计中考虑防抖功能。

在测试过程中，在对线圈两端升高或降低电流、电压时，为了避免电流或电压升高太快而引入比较大的测量误差，从PLC的输出端口发出200 ms的脉冲。在发出脉冲的同时对电压调节，步进100 mV。在输出需要快速增加的时候，测试员可以使用手动调节，长按触摸屏上输出增加按键2 s以上。此时，通过改变输出的变化量△V 的大小来完成，如图3 为快速输出增量图。从图中可知，第一个△t 时间内输出的增加量是△Vn-1，第二个△t时间内输出的增加量为△Vn，由PLC程序控制使△Vn=△Vn-1+1，使相同时间长度△t内的增加量逐渐递增，就能达到输出值快速增加的目的。快速减少时的原理相同。

图3 快速输出增量图

在安全继电器台架测试过程中发生异常情况的时候，测试系统会依据异常情况做出对应操作。比如，在对安全继电器闭合电压进行测试时，如果继电器线圈发生断路，此时不管系统如何升高电压，继电器都不会闭合。所以，在输出电压升高到一定量后如果继电器仍然没有吸合，系统就判断继电器损坏，测量结束，记录下错误报告。

PLC 和触摸屏之间通过RS232 电缆进行通信[5]。触摸屏使用组态软件实现，根据安全继电器测试台架的需求，设计了共8 个人机交互界面：初始化页、测试主控页、电磁式电子式时间继电器测试页、接地继电器测试页、电流电压测试页以及手动输出界面。

图4 所示为主测试页，测试员触控上方输入区域时，界面下方会弹出字母数字键盘，在这一页面可以输入安全继电器产品编号、规格型号、操作员编号等参数，然后测试员根据测试项目，在下方选择对应的按钮进入安全继电器测试界面。

图4 主测试界面

2 继电器测试台架的工作原理

测试第一步进行参数设置，依据被测继电器的种类和型号进行参数设置，测试开始时可选择自动或者人工方式增加、减少电流或者电压值[6]，在继电器释放或者闭合后，PLC记录动作时的电流、电压参数值写入存储区，在测试结束后测试员可以通过触摸屏查看或打印测试报告。

因为被测安全继电器可以分为直流继电器或交流继电器、电子式继电器或电磁式继电器等。在电子式继电器中又分为共阳型和共阴型[7]。为了满足各种类型、各种型号继电器的测试需求，测试系统通过扩展单元的模拟信号改变输出电源为直流或交流。工作原理见图5所示。

图5 测试原理图

在对时间继电器测试时，需要测试的参数是额定电压下继电器的释放延时时间以及吸合延时时间。考虑到时间继电器中线圈的电压增加需要一定时间，这会引入测量误差。所以测试台架在电源输出端设置1个SSR（固态继电器）。在测试开始时，继电器测试系统将输出电压调整为被测继电器的工作电压，随后固态继电器断开输出，在线圈两端电压降为0以后，再通过SSR 使之导通，这时时间继电器线圈的输入为额定电压，测试开始计时。

当被测继电器为电磁或电子式时，测试员在触摸屏上选择对应型号，测试台架自动切换J10 继电器的触点位置。在图5 中J10 触点向下时为电磁式测量电路，向上时为电子式继电器测量电路。J11 是电子式继电器的负载继电器。在被测继电器是电子式的时候，还需要选择继电器是共阳极还是共阴极，台架中使用J12 辅助继电器来实现两种测试模式的切换，触点向左为共阳极测试电路，反之为共阴极测试电路。

3 继电器测试台架的应用

截至文章撰写前，设计的铁路安全继电器测试台架已投入使用3个月，测试结果表明，安全继电器测试台架在10 mV、1 mA 的测试精度下测试台的误差小于2%，测量误差由人工测试时的5%降低到了2%。同一型号安全继电器电气参数测试时间仅为手动测试时的60%，不仅工作效率较手动测试有很大提升，很大程度节省了人力成本，而且系统工作状态稳定，有效避免传统人工测试可靠性差、精度低、效率低的缺点；降低对测试人员专业知识要求门槛；对安全继电器的测试精度优于手动测试的方式，而且更加安全；系统接口程序简单，可以很便捷地对系统做二次开发，满足测试需求，确保整体安全继电器测试系统的灵活性。

4 结论

研制了一种高精度的铁路安全继电器电气参数自动测试台架，用精简的硬件方案实现了国标中安全型继电器的测试需求，测量误差由人工测试时的5%减低到了2%，有效解决了手动操作、人工观测引入的测量精度低和不确定性的风险，不仅降低了生产成本，还提高了管理效率，具有很高的经济效益和推广价值。