电磁式继电器测试平台搭建

昆明地铁运营有限公司 李淑红 程晋然 寇婷婷

轨道交通系统庞杂，各系统中电磁式继电器使用数量巨大，随着地铁运营年限的增加，包括电磁继电器在内的各类元器件的故障数量呈逐年上升趋势。为确保地铁安全运营、有效提升运营服务质量、推进轨道交通高质量发展，结合公司多年运营管理经验与现场设施设备实际运行情况，通过近两年的测试、开发，成功完成了电磁式继电器测试平台的搭建。该测试平台及测试方法建立在嵌入式系统对多次重复、大量高精度样本数据的采集与记录，通过现代统计学理论与相关算法对采集数据进行有效处理，实现设施设备运行状态的检测与评估，掌握设施设备老化、故障类型与全寿命周期特点，充分提高轨道交通各系统可靠性与安全性，有效降低成本，实现设施设备维保管理水平的有效提升。

1 背景分析

轨道交通各系统中采用了大量的继电器以完成相应的控制功能，继电器作为轨道交通各系统设施设备中的主要电控制器件，随着地铁运营年限的增加不可避免地会产生故障，电磁式继电器的稳定性决定了其所在系统的可靠性，从而影响地铁运营安全。为确保电磁式继电器高效稳定运行，除了在设计选型阶段对继电器元器件材质进行有效把控，投入运营后在实际使用过程中对电磁式继电器的运行工况状态进行测试、分析和预研判也尤为重要。

传统的继电器测试装置和测试方法一般只具备对继电器的机械和电气功能优劣进行初步测量及定性分析，而对于继电器电气及机械性能不稳定或工艺缺陷导致的偶发性故障，难以开展定量测试和分析[1]。近年来国内外涌现出很多便携式或在线电磁继电器自动化测试装置，经市场调研这些测试装置大多数都存在检测场景要求严格、检测成本高、检测设备不便捷，对多种型号继电器适应能力较低、无法检测电磁式继电器动作延时特性的一致性，无法准确查找故障点，在电磁继电器故障排查中存在很大的局限性。

为了研究电磁式继电器故障原因的方式方法，实现电磁式继电器基本功能的测试，项目团队着手开发操作简便、检测灵活且适用于轨道交通行业的电磁式继电器测试平台。该电磁式继电器测试平台依托继电器运行与监测同步开展的电气参数特性，为轨道交通各系统设施设备现场维保提供了定量数据支撑，为故障原因的精准确定提供理论基础和技术支持，为设施设备维保管理水平的提升奠定了坚实的基础。

2 搭建方案

2.1 技术路线

电磁式继电器测试平台建设项目以基础理论研究及数据分析为依托，通过对继电器底层原理及动作特性的分析研究，借助现代统计学理论与方法，形成系统设计、算法分析、硬件及软件开发、测试平台搭建，在实验室开展初步模拟测试，确保平台运行稳定性且功能达到预期目标，通过反复多次对历年来部分故障电磁继电器的模拟测试和数据分析，验证了此电磁继电器测试平台运行稳定且功能达到预期目标。

2.2 技术理论

电磁式继电器测试平台主要用于对继电器动作的时间特性与触点的电气特性进行数据采集、检测分析。

电磁继电器测试依据：电磁式继电器是一种电磁开关，它由线圈、铁芯、触点、弹簧等部分组成，具有接通电路和隔离电路的功能。在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点吸合[2]；反之衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点断开。这样吸合和断开，从而实现电路的导通和切断的目的。继电器正常吸合及断开时间均与其型号与外部电气参数相关联，由于各种机械或电气故障原因会导致继电器动作规律发生改变。

测试分析的理论应用：经评估本次搭建的测试平台的测试分析采用了统计学（概率）的拟合概率分布相关理论方法。拟合概率分布是指通过对样本数据进行统计分析，找到一种最合适的概率分布模型来描述数据的分布特征。在拟合概率分布时，选择一个误差函数来衡量模型的拟合程度，并通过最小化误差函数来确定最佳拟合参数。除了一些经典的概率分布模型（如高斯分布、伽马分布等），还采用了一些非参数拟合方法（如核密度估计、局部多项式回归等）用于拟合任意分布的数据。

2.3 建设方案

电磁式继电器测试平台由驱动采集控制、触点状态采集、矩阵式布线、数据采集、人机界面、电源模块、温度传感器、负载模块等部分组成，如图1所示。图中1负载模块、2测试样品、3电源模块、4驱动采集控制、5数据采集与人机界面、6连接线缆、7端子排、8电源线、9空开、10导轨。

图1 电磁式继电器测试平台平面布置图

电磁式继电器测试平台驱动采集控制部分由微控制单元（MCU）为核心的嵌入式系统组成，能够为不同的应用场合做不同组合控制，包括但不限于输出驱动、信号采集、数据回传等功能。测试平台接线组由具备短路或过流保护作用的空开、可开断端子排、继电器安装支架、固定布线、可移动布线组成，矩阵式布线操作灵活、系统扩展性更强、布线更方便，最大限度提高了接线效率和准确率，大大减少了施工过程中混线或错线的发生几率，也方便接入测试所需的各种电源和切换测试所需的不同负荷[3]。

电磁式继电器的数据采集与人机界面的硬件部分功能由工业计算机实现控制、测量和监控，软件功能为项目团队自主开发，以统计学理论为指导进行分布拟合检验，概率分布采用高斯分布，具备测试平台数据库操作（采集数据的存储）、测试参数自主设置、测试参数拟合分布、规律模拟可视化展示等功能，能够实时显示测试样品电磁继电器每个触点吸合延时、断开延时的最大值、最小值和平均值，触点动作次数和吸合延时概率高斯分布图、断开延时概率高斯分布图。数据采集与人机界面模块和驱动采集控制模块通过通信线连接，信号传输稳定，抗干扰能力较强，实现了采集数据的实时双向传输。

项目团队对采集数据的处理提出了很多的建议和方法，最终采用了特定的数学工具，经过此特定数学工具处理后生成了高度可视化的电磁式继电器动作特性概率高斯分布图。通过对电磁式继电器动作特性分布规律的深入分析研究，项目团队间接获得了电磁式继电器的当前实时运行状态，对现场设施设备维修具有很强的指导意义工作，同时也能够对重要继电器的更换维修提供定量分析。

通过项目团队自主研发的算法，能够实现对采集到的电磁式继电器触点吸合断开延时、卡滞数据进行定量分析，通过精确计算得出电磁式继电器触点吸合断开延时的高斯型kernel 分布图，从高斯型kernel 分布图分布规律可判断出电磁式继电器是否发生故障及故障类型[4]；同时也可以判断出电磁式继电器铁芯线圈温度升高对电磁式继电器触点吸合断开延时的影响。项目团队利用电磁式继电器测试平台监测到的参数数据，并结合自主研发的算法得到电磁式继电器动作的分布规律及分布特性，从而准确判断电磁式继电器故障发生与否、故障类型及触点吸合断开动作延时。该电磁式继电器测试平台采用的统计学、算法理论严谨且直观生动，具有较强的适用性。

项目团队自主开发的软件安装在工业计算机上，用于实现人机交互界面及数据采集功能。软件的测试状态显示区域实时显示测试状态，包括继电器动作次数、吸合释放时间、温度等参数。测试参数配置区域用于测试开始前配置测试参数：根据需要分别设置继电器吸合及释放时间；设置继电器动作上限次数或者不设置动作次数上限；设置上下位机通讯串口号。

测试启停按钮用于控制测试启停。图像控制区域用于选择显示所需触点的吸合或释放延时概率分布图像。测试数据显示区域用于实时显示各触点的吸合、释放延时的单次值、平均值、最大值、最小值，其中单次值由驱动采集部分实时回传的数据，平均值、最大值、最小值是软件根据储存的数据计算得出。图像显示区域会根据所选择实时显示触点的吸合延时概率分布图像或延时概率分布图像。图像缩放按钮可以对图像进行横向、纵向、全局放大以及还原缩放。软件还具备数据储存的功能，接受到由驱动采集部分实时回传的数据后，实时在数据库内进行数据储存，所储存的数据后续可以直接调出，方便使用数学工具处理分析。

3 应用分析

电磁式继电器测试平台不受电磁式继电器的规格、型号的限制，可以对多触点电磁式继电器、电磁式继电器组开展动作特性测试，且可开展多个电磁式继电器同时测试，大大提高了检测效率；另外该电磁式继电器测试平台既能开展空负荷测试又能开展带负荷测试，工作场景通用性极强。

电磁式继电器测试平台具备短路自动保护功能，可便捷测量测试线路的各电气参数，同时该电磁式继电器平台将矩阵原理引入现场线缆布设，方便于各类电磁式继电器快捷接入测试回路，也方便各类示波器、万用表等测量工具与电磁式继电器连接进行各参数测量。

电磁式继电器测试平台能够在预设定参数环境下对电磁式继电器进行测试，对电磁式继电器重要参数进行实时采集传输，同时存储每次吸合释放动作时的各项参数；另外采集电磁式继电器的触点电压、电流波形图及电磁式继电器其他特征参数[5]。通过自主设定动作阈值、动作延迟时间、规定动作次数、记录失效时间等，实现对采集到的电磁式继电器触点吸合断开延时、触点异常卡滞数据进行统计分析，同时实现重要参数在反复吸起、落下循环动作情况下的概率分布可视化[6]。电磁式继电器测试平台有效解决了既有检测设备不灵活，多种型号的继电器适应性不强、延时特性及多次重复延时特性一致性的问题，其技术特性具备行业先进性。

通过对送检继电器吸合释放延时的概率分布曲线研判，以正常样本继电器的分布曲线进行辅助对比，判断继电器的故障情况，明确故障原因，建立同类问题数据检索数据库、案例参考，利于设备管理部门根据故障源头类型与风险分析，制定纠正措施；通过对样品继电器进行带载极限寿命试验，分析样品继电器的可靠性及使用寿命，对不同品牌不同型号的继电器进行技术评价，为采购部门、使用部门提供技术支持，利于采购部门结合商务条件确定最优采购方案。

建立了内部继电器测试标准及方法，完善测试流程与制度，使继电器测试标准化、规范化，有效缩短测试周期，提高检测效率；根据继电器状态检测确定继电器的状态，给出不同型号不同用途继电器的维保维修策略的技术意见，从而延长轨道交通各系统设施设备维保周期，大大降低维保成本。