基于CEETIS的电气柜自动测试系统的设计与实现*

余 博, 扈海军

(1 中国铁道科学研究院集团有限公司 机车车辆研究所， 北京 100081;2 北京纵横机电科技有限公司， 北京 100094)

电气控制系统是动车组辅助系统的关键子系统，它主要通过电气元件执行列车各控制系统发送的指令，与列车上各控制系统相互配合，共同完成对车辆各系统功能的配电及控制。电气柜作为动车组电气控制系统的主要载体，它安装在车厢内部，是具有车辆电源分配、电气控制等功能的执行机构。导通测试环节是动车组电气柜系列产品质量检验的主要环节，手动或半自动测试效率低且易出错。文中介绍的电气柜自动测试系统，是手动测试方式的一种加强和改进。

1 系统有效性

动车组电气柜例行试验中的电气性能试验的测试项点包括：(1)绝缘和介电强度测试；(2)导通测试；(3)功能性电气元件测试。功能性电气元件主要指的是在工作与非工作状态下可发生物理状态改变的电气元件。对于动车组电气柜而言，功能性电气元件主要有空开，继电器和接触器。当列车各系统工作状态发生变化的同时，电气柜工作电路的内部电气连接关系随之发生变化。目前常用的测试方法主要采用手工导通测试验证电气柜内线路接线正确，自动测试系统可通过激励电源，模拟列车各系统工作状态发生改变的同时，对电气柜内部线路连接的正确性进行验证。

电气柜内部接线方式主要有螺钉连接和弹片压接，测试系统不能在破坏产品完整性的条件下进行测试，因此仅能选取螺钉连接以外的元件作为测试系统的直接测试点位，这些元器件均位于电气柜外部接口之上。为了证明自动测试系统的测试过程及结果有效，需先证明如下推理。

推理：对于一个无向连通图，通过所有度为1的边的路径的集合包含图中所有的边。

证明：对于仅有一条边，两个顶点的连通图，显然成立。

对于一个具有n条边的无向连通图，假设定理成立。

对于n+1条边的无向连通图，有两种情况：

(1)若新增边连接到度为1的边，则被连接的边的度数为2，此时，假设推理不成立，则此图存在一个子图，且此子图必然包含接入的边，与假设矛盾，因此推理成立；

(2)若新增边连接到度不为1的边，同上显然可证。

综上可知，推理成立。

在实际测试过程中，存在如下两种特殊情况：①错接或多接了导线，但错误的接线并未改变电路的连通性；②对于特殊的电路设计，如双线冗余电路，测试结果并不能代表接线无误。因此在测试前期，需要对特殊情况进行识别，并在测试环节通过手动测试的方式进行验证。

2 系统硬件设计

动车组电气柜内接线复杂，柜内元器件种类和数量繁多，其工作状态的改变均由车体引出线或由安装于电气柜上的系统设备进行控制。考虑到电气柜上的每一个连接器都有可能参与电气柜的控制，且每一个型号的电气柜，其接线关系都有较大区别，在梳理测试设备与被测设备连接关系时，难以将测试点与电源激励点分别进行定义，因此测试系统需要满足测试点与电源激励点能够相互切换。最终，我们选择WEETECH W454线束分析仪作为主要测试设备，它的测试性能满足需求，且支持多种测点模块，基于W454我们搭建了整套测试系统。

2.1 系统原理

根据第1节中系统有效性的推论，我们在测试时需要对电气柜内部导通关系进行验证。对于一条电流路径，存在3种导通状态：

(1)有条件导通；

(2)常导通；

(3)常开路。

对于常导通和常开图的导通关系，我们采用直接测量的方式进行验证其正确性。对于有条件导通的接线关系而言，首先需要测量其绝缘特性，然后在对其上非常导通的电气元件进行激活，最后通过测量其两端电阻值验证其导通性。由此可见，搭建的自动测试系统需要满足绝缘、耐压、导通、功能测试的需求，为保证系统安全性，所有操作均需要经过安全模块的判断来进行保护。基于上述需求，我们对测试系统进行细化选配。

2.2 系统组成与结构

自动测试系统主要由系统主机，低、高压电源发生器，测量单元，安全模块，外部供电单元，测点模块，工控机及测试工装构成。各个模块间通过背板总线进行通讯，各个控制单元之间由以太网进行通讯，系统主机对单元和模块进行统一控制。测量单元设计了电源接口，低、高压电源发生器、外部供电模块及测点模块之间通过电源接口进行连接。系统组成和结构如图1所示。

图1 测试系统组成与结构图

其中低压直流发生器提供最高500 V的测试电压，高压交直流发生器最高可提供2 250 V直流或1 500 V交流测试电压。测点模块选用了具有32个可用于供电或测量的Combi modules，外部供电单元选用了安捷伦Keysight N5750A程控电源。测点模块通过连接器与工装相连，工装引出线路连接至被测件。

3 系统软件设计

WEETECH公司的CEETIS开发平台包括了开发环境，设备配置环境，部件库等模块，支持外部辅助设备功能调用及编程。对于简单的被测件，可基于输入的数据，使用高级测量应用模块自动生成开发代码。动车组电气柜内部电路关系较为复杂，无法使用自动生成及图形化操作的方式进行实现，故使用手动编程的方法进行程序设计。

3.1 系统软件开发

对于CEETIS平台而言，系统软件的实现主要依靠详尽的数据支撑。首先，我们将测试通路填入开发环境，并进行配置，使得测量单元能够读入通路数据。然后，对测点模块进行定义，使得测试点与测试通路具有一一对应的关系，并定义使用外部供电单元的测点。最后，我们编制测试程序，使得CEETIS测试平台能够按照测试程序进行执行，并输出规范的测试报告。测试程序编制流程如图2所示。

图2 测试程序编制流程

在电路数据收集阶段，我们通过定义的数据字段对电路及测试信息进行收集，并存入数据库，主要字段包含线号，元器件编号，点位，接入位置，接入点位，中间元器件编号，线路从端设备号及点位，线路到端设备号及点位。主要数据模型如表1所示。

表1 自动测试系统数据模型

在电路数据处理环节，首先对收集好的数据进行建模，然后通过数据分析模块将数据关联关系进行分析，对于每一条通路，收集到所有可用的相关数据。对于电气柜电路而言，经过任意元器件上一对触点的路径可能不唯一，所以我们需要通过人工的方式对数据进行筛选，选择合适的路径，从而得到最终的测试数据。基于该数据，我们应用集成开发环境定义的语法编写测试程序。

3.2 测试程序主要模块及功能

最终系统执行的测试程序主要在CEETIS IDE上进行开发。我们将测试程序分成多个模块分别进行编写，方便进行修改及扩充，并支持移植和使用。具体的测试模块及程序执行顺序如图3所示。

图3 测试程序模块及程序执行顺序

在系统参数配置模块中，我们主要配置各种系统硬件参数，如测试电压、测试电流、上升沿，下降沿等。在测试准备模块，我们收集并输入产品编号，被测件型号，测试产品名称等被测件产品信息。在初始化模块中，我们对各种电气产品进行复位操作。在继电器激活验证模块，我们主要验证继电器线圈的接线准确性。

配置及初始化工作完成之后，测试开始。首先执行导通测试，随后验证在空开闭合状态下的导通测试，然后验证在继电器、接触器工作条件下的接线正确性，最后开始验证绝缘及耐压性能。测试结果在测试结束模块被汇总，并通过测试报告生成模块生成测试报告。

4 试验及验证

测试系统被应用于中国高速动车组电气柜的例行试验，顺利完成了电气柜导通及绝缘耐压测试。实际应用标明，此系统可以适用绝大多数应用场景，满足测试性能要求，当测试性能要求发生改变时，可通过改配系统子模块来满足性能要求参数，对于接地线等无法方便使用工装进行测量的电路，我们在试验前进行分析及统计，并在自动测试完成后使用手动方式进行测量。以电气控制柜为例，测试过程中显示的程序界面如图4所示。

图4 测试程序界面图

生成的测试报告如图5所示。人工测试与自动测试优劣对比如表2所示。特别地，对于冗余备份电路，含特殊元器件的电路，工装不易连接的电路等，自动测试系统无法进行验证，因此自动测试系统还需要人工辅助测试方式进行补充。

图5 测试报告图

表2 自动测试数据对比

5 结束语

相比较于人工测试，电气柜自动测试系统可在不对电气柜机械结构进行拆解的条件下进行测试，测试性能满足试验大纲要求，测试结果准确，降低了测试工程师劳动强度，并节省80%以上的测试时间。经过该测试系统验证过的电气柜系列产品已成功在复兴号动车组上完成装车，目前运行情况良好。