板载继电器寿命测试系统设计与实现

王 鑫，赵兴海，姚 旺

（沈阳铁路信号有限责任公司，沈阳 110025）

1 概述

继电器作为一种具有隔离功能的自动开关元件，因为其出色的控制功能被广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中。其中，板载继电器作为面向铁路信号系统印制板应用的低高度小型继电器，是铁路列车控制系统和计算机联锁设备中的重要组成部件，在铁路运行安全系统中发挥了重要作用。因此，板载继电器的使用寿命直接关系到铁路信号设备的维护周期以及整个铁路系统的运行安全。

板载继电器作为电磁继电器的一种，通过输入额定电压使磁路系统中铁芯励磁，靠磁力将衔铁吸引，衔铁带动拉杆使接点系统动作，完成继电器通断功能。在继电器使用过程中，影响继电器寿命试验的因素有很多，例如结构误差、材料磨损等原因造成继电器无法正常工作。通过对失效继电器分析可知，零部件的磨损是影响继电器使用寿命最重要的原因，按照磨损位置大致可以分为以下3 类。

1）塑料件磨损：拉杆是继电器的关键零部件之一，它是磁路系统与接点系统连接的桥梁，如果拉杆磨损严重，会导致继电器动作时衔铁带动拉杆的行程发生变化，从而影响接点压力，磨损严重时可能无法使接点正常闭合。

2）金属件磨损：在继电器使用期间，衔铁要经历百万次以上的动作，磨损会导致衔铁转动角度变大，使磁路主气隙变大，降低磁路系统的工作效率，影响继电器产品性能。

3）触头磨损：继电器动作时要求触头表面光滑无破损，但随着动作次数的增加，触头表面会发生变化，在接触点位置会形成接触凹坑，有表面处理的触头镀层可能会破损，使接点压力降低，接触电阻变大，影响继电器的产品性能。

为了实际测量板载继电器是否能够达到使用寿命要求，将继电器的元器件缺陷和生产过程中存在的隐患提前暴露，保证继电器产品能够经得住时间的考验，提高板载继电器的稳定性和可靠性，需要对继电器进行寿命实验。板载继电器的寿命测试周期较长，测试过程需记录测试数据以备后期分析，且需要对机械寿命和电气寿命两种测试指标进行测试，工作量较大且测试过程比较繁琐。采用人工测试或单一功能的测试台都会造成人力、物力的浪费。

为了解决上述问题，设计基于嵌入式的板载继电器寿命测试系统。该系统分为上位机和下位机两部分，由硬件系统和软件系统组成。通过硬件系统和软件系统的配合克服了以往检测系统检测范围及检测内容相对单一的缺点，可以对不同型号板载继电器的机械寿命和电气寿命在不同运行条件下的运行状态进行检测。上位机通过与下位机的信息交互，完成对测试过程中测试参数的设置，并对待测继电器的故障信息进行分析、显示及存储。

2 硬件系统

板载继电器寿命测试系统能否正常工作、实现其既定功能与硬件系统息息相关。在硬件系统设计过程中，除了要考虑系统所要求的采样准确性、通信实时性和数据传输稳定性等技术指标外，还要考虑软硬件的可维护性和扩展性，以便对系统进一步集成开发与后期系统维护与升级。其硬件系统单工位结构示意如图1 所示。

图1 单工位硬件系统结构Fig.1 Single-station hardware system structure

该系统设置2 个测试区域共8 个测试工位，每个区域内的4 个测试工位可同时对同种型号的继电器进行机械寿命或电气寿命的测试，且两个测试区域之间相互独立，拥有各自的辅助测试设备。通过8 个主控板对相应数量的板载继电器的接点状态进行实时采集，在进行电气寿命测试时，通过霍尔传感器的返回值检测接点的工作情况。主控板接收到霍尔传感器的信号后，通过RS-232 通信串口与上位机进行信息的传输。上位机与下位机的信息交互过程中各个测试模块间相互独立、互不干扰，保证信息采集的准确性。

2.1 主控模块

主控模块采用PIC18F45K80 增强型闪存单片机作为主控芯片，每个测试模块控制板内部通过单片机接收到上位机的指令，驱动相应的电路来控制小型继电器进行测试所需要的各种逻辑关系及电路连接，以此来完成相应接点状态信息的采集。若待测继电器存在故障，通过单片机内部程序对故障信息进行编码，进而完成采集信息的传输。主控模块实物如图2 所示。

图2 主控模块实物Fig.2 Physical drawing of main control module

2.2 电源模块

电源装置的可靠性决定了系统中各个元件的有效性以及复杂系统能否实现无故障运行。在本文设计的板载继电器寿命测试系统中，电源模块分为驱动电源和负载电源两部分。驱动电源采用的UNO POWER 电源，其具有效率高、空载损耗低、输出稳定等优点，保证在机械寿命时为待测继电器及逻辑电路的切换提供稳定的电源输出，保证测试系统对故障信息诊断的准确性；负载电源采用魏德米勒Pro MAX 电源，通过给待测继电器接点增加负载电源模拟继电器的实际工作环境，测试待测继电器在使用过程中的电气寿命，而负载电源输出的稳定性和可靠性保证了测试条件的一致性。

2.3 传感器模块

在本文设计的系统采用JK-D800A 系列霍尔电流传感器检测继电器动作过程中检测点是否有电流流过，达到分析继电器接点通断的目的。当检测点有电流流过时，霍尔传感器内部会因为磁感应强度的变化使霍尔电压值发生改变，将霍尔传感器的输出端与主控芯片的检测端相连，通过输出电压值的变化确定在进行电气寿命实验时待测继电器接点的通断状态，达到实时监测继电器接点的目的。

3 软件系统

为了使板载继电器寿命测试系统能够满足要求，不仅需要设计硬件系统，还需要相应软件程序与硬件电路进行配合，才能发挥系统真正的测试作用。本文设计的板载继电器寿命测试系统软件分为下位机软件和上位机软件两个部分。下位机软件程序负责待测继电器接点状态的采集、数据编码及传输，上位机软件负责录入待测继电器的相关信息、设置测试过程中的相关参数，并对采集到的数据进行处理，将结果进行显示。

3.1 下位机软件

下位机是以嵌入式系统为基础进行设计开发，嵌入式系统最大的优点是可以对软件系统进行模块化编程。作为待测继电器接点状态采集的首要环节，其采集信号的质量严重影响信号传输、诊断等一系列功能的正常实现。

通过对本文设计的系统既定功能的进行详细分析后，可以得到下位机软件系统主程序流程及数据编码程序流程，如图3、4 所示。

图3 下位机主程序流程Fig.3 Main program flowchart of the lower computer

图4 数据编码程序流程Fig.4 Data coding program flowchart

3.2 上位机软件

上位机软件采用C#程序开发语言进行人机界面和控制程序的开发设计，通过上位机显示界面可以输入待测继电器的编码和型号、选择待测继电器进行机械寿命测试还是电气寿命测试，同时还可以对测试过程中的最大动作次数、最大失效次数、动作频率、占空比等参数进行设置。待测继电器在测试过程中出现的相关故障信息也在上位机界面中进行统计并显示，并将测试数据进行自动存储，以便进行后期分析。

4 系统测试

将整个测试系统组装完成并检查电路连接无误后，启动电源进行上电操作。系统自检完成后，可通过上位机显示界面上的设备状态指示灯得知系统工作状态是否正常。在上位机界面内将测试过程中的相关参数设置完成后即可开始测试。上位机初始界面如图5 所示。

为检测本文设计的系统是否可以识别出待测继电器存在的故障，通过改变继电器结构模拟故障情况进行测试。由图6 中显示可知，测试过程中，若待测继电器有故障发生，上位机通过接收下位机发送的故障代码，通过解码程序解析出待测继电器的故障位置并在失效信息显示框内显示故障继电器的信息、故障发生的时间、故障时动作次数以及故障发生时的线圈状态，并将数据自动保存，达到对待测继电器进行分析改进的目的。

图6 测试信息显示界面Fig.6 Test information display interface

5 结论

本文设计的板载继电器多工位寿命测试系统可以同时对板载继电器的机械寿命和电气寿命进行自动测试并记录每次故障产生的原因及位置，提高故障定位的精确度，有利于故障排除及后期分析，在故障数超过允许值或动作次数达到设定值后自动停止，在丰富测试项的同时提高测试条件的一致性；同时，为满足不同使用条件下，继电器的动作频率不同的情况，该测试台可以提供多种动作频率进行测试，提高测试效率，保证测试环境与使用环境的一致性，为板载继电器的使用寿命评估提供强有力的数据支撑。