1 引言

　　鐵路安全繼電器是鐵路系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，必須定期對其電氣特性進行檢查。針對繼電器諸多型號對線圈電源高測量、寬動態(tài)范圍的要求，開發(fā)一種繼電器測試臺。該測試臺主要采用PLC作為主控元件，觸摸屏作為人機界面，能對多種常用繼電器的主要特性進行自動測試。

　　鐵路安全繼電器是鐵路信號控制系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件之一，安全繼電器是由數(shù)個繼電器與電路組合而成，為的是要能互補彼此的異常缺陷，達到正確且低誤動作的繼電器完整功能，使其失誤和失效值愈低，安全因素則愈高，因此需設(shè)計出多種安全繼電器以保護不同等級機械，主要目標在保護暴露於不同等級之危險性的機械操作人員。電磁式繼電器一般由鐵芯、線圈、銜鐵、觸點簧片等組成的。只要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與靜觸點（常開觸點）吸合。必須在出廠時和使用過程中定期對其電氣特性參數(shù)進行測試。PLC可編程邏輯控制器，一種數(shù)字運算操作的電子系統(tǒng)，專為在工業(yè)環(huán)境應(yīng)用而設(shè)計的。它采用一類可編程的存儲器，用于其內(nèi)部存儲程序，執(zhí)行邏輯運算，順序控制，定時，計數(shù)與算術(shù)操作等面向用戶的指令，并通過數(shù)字或模擬式輸入/輸出控制各種類型的機械或生產(chǎn)過程。是工業(yè)控制的部分。 PLC作為一種新型的控制裝置與傳統(tǒng)繼電器控制系統(tǒng)相比，具有時間響應(yīng)快，控制高、可靠性好、控制程序可隨工藝改變、易與計算機相連、維修方便、體積小、重量輕、功耗低及高性能等優(yōu)點。觸摸屏也是一種新型的人機交互設(shè)備，操作者只需用手觸摸計算機顯示屏上的圖標或文字就能對主機進行操作，這樣就擺脫了傳統(tǒng)交互設(shè)備復(fù)雜操作，即使新手也能輕松操作整個設(shè)備。

　　2 硬件電路設(shè)計

　　2.1系統(tǒng)概述

　　該繼電器測試臺采用歐姆龍CPM2A型號PLC作為控制單元、ET500系列觸摸屏實現(xiàn)人機交互，測試普通繼電器、接觸器、過流繼電器、過流繼電器的動作原理是復(fù)合式的，它由感應(yīng)式和電磁式的兩個元件組成，兩個元件公用一個線圈。當線圈通以交流電流時，在感應(yīng)元件的電磁鐵中，由于短路環(huán)的移相作用，產(chǎn)生兩個相位不同的磁通，此磁通與其在鋁盤中感應(yīng)的渦流相互作用，接地繼電器的吸合電壓（電流）、釋放電壓（電流）及電磁（電子）式時間繼電器的延時時間等參數(shù)。圖1給出其硬件結(jié)構(gòu)框圖。

　　PLC通過I/O捕獲繼電器觸點動作，通過擴展模擬I/O模塊記錄待測繼電器動作時的電壓（電流）值。同時，PLC把檢測到的繼電器狀態(tài)和動作信號送人觸摸屏顯示，并對各種故障報警等。

　　2.2測試原理

　　測試前根據(jù)待測繼電器型號及類型通過觸摸屏設(shè)定參數(shù)，觸摸屏技術(shù)是一種新型的人機交互輸入方式，與傳統(tǒng)的鍵盤和鼠標輸入方式相比，觸摸屏輸入更直觀。配合識別軟件，觸摸屏還可以實現(xiàn)手寫輸入。觸摸屏由安裝在顯示器屏幕前面的檢測部件和觸摸屏控制器組成。當手指或其它物體觸摸安裝在顯示器前端的觸摸屏?xí)r，所觸摸的位置由觸摸屏控制器檢測，并通過接口（如RS—232串行口， USB等）送到主機。測試開始后可選擇自動、人工方式通過PLC控制增（減）電壓（電流），待達到待測繼電器吸合電壓（電流）、釋放電壓（電流）后，動合接點（銜鐵）動作，PLC記錄此時的電壓（電流）值或和接點傳喚時間存入內(nèi)部數(shù)據(jù)區(qū)，待測試完畢后通過觸摸屏顯示并打印。

　　由于測試對象包括直流或交流繼電器，電子式或電磁式繼電器。電子式又包括共陰或共陽型。因此，該測試臺在設(shè)計中滿足了各種型號、類型繼電器的測試需求，其原理如圖2所示。系統(tǒng)通過擴展單元的4～20 mA模擬量控制信號選擇直流或交流電源。

　　在測試時間繼電器時，被測的是額定電壓下繼電器的動作延時時間或釋放延時時間。考慮到繼電器線圈電壓從0 V加至額定值需要一定時間，這會帶來測量誤差。所以該測試臺采用在電源輸出端加上一個固體繼電器（SSR），固態(tài)繼電器（Solid State Relay,縮寫SSR），是由微電子電路，分立電子器件，電力電子功率器件組成的無觸點開關(guān)。用隔離器件實現(xiàn)了控制端與負載端的隔離。固態(tài)繼電器的輸入端用微小的控制信號，達到直接驅(qū)動大電流負載圖2所示的是使系統(tǒng)自動識別延時類型。開始測試時，系統(tǒng)自動調(diào)整輸出電壓為設(shè)定的線圈額定電壓，然后通過SSR切斷輸出電壓，等待6 s使線圈兩端電壓降為0 V，然后再觸發(fā)SSR使之導(dǎo)通，并開始計時。

　　當操作人員在測試前選擇電磁或電子式時，測試臺根據(jù)觸摸屏傳來的參數(shù)自動切換輔助繼電器J10的觸點位置，以完成類型的自動識別。圖2中J10觸點向上構(gòu)成電子式測量電路連接，J11為電子式繼電器的負載繼電器；電子式繼電器是半導(dǎo)體元件做成的繼電器。具有適用范圍廣、延時高、調(diào)節(jié)方便、壽命長等一系列的優(yōu)點，被廣泛的應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)中。半導(dǎo)體延時電路大致可分為阻容式（電阻與電容構(gòu)成）和數(shù)字式兩大類。如果延時電路的輸出是有觸點的繼電器則稱為觸點輸出，若輸出是無觸點元件則稱為無觸點輸出。J10觸點向下構(gòu)成電磁式測量電路連接。在選擇電子式的同時還要選擇被測繼電器為共陰還是共陽極，測試臺中采用輔助繼電器J12的自動切換來完成共陰和共陽極的切換，觸點向右構(gòu)成共陰極，向左構(gòu)成共陽極。

　　3 軟件部分設(shè)計

　　繼電器測試臺的軟件設(shè)計主要包括PLC控制軟件和觸摸屏組態(tài)軟件兩部分。由于歐姆龍CPM2A中增加了一個內(nèi)置的RS232連接器，連接器是我們電子工程技術(shù)人員經(jīng)常接觸的一種部件。它的作用非常單純：在電路內(nèi)被阻斷處或孤立不通的電路之間，架起溝通的橋梁，從而使電流流通，使電路實現(xiàn)預(yù)定的功能。連接器是電子設(shè)備中不可缺少的部件，順著電流流通的通路觀察，你總會發(fā)現(xiàn)有一個或多個連接器。連接器形式和結(jié)構(gòu)是千變?nèi)f化的，隨著應(yīng)用對象、頻率、功率、應(yīng)用環(huán)境等不同，有各種不同形式的連接器。PLC無需配置專用的通訊模塊就能方便地與外部設(shè)備進行通信，所以通過觸摸屏與PLC之間的RS232傳輸就能實現(xiàn)實時通信功能，點擊觸摸屏向PLC發(fā)出各種控制信號，PLC接到觸摸屏發(fā)出的指令信號后執(zhí)行運算與控制任務(wù)。

　　3.1 PLC控制軟件

　　PLC作為控制單元，是整個系統(tǒng)的控制。通過接收開關(guān)量和模擬量的輸入，經(jīng)處理后輸出開關(guān)量和模擬量去控制繼電器的動作。PLC控制軟件主要由初始化模塊、狀態(tài)檢測模塊、控制模塊、通信模塊和故障處理模塊組成，如圖3所示。

　　初始化模塊用于測試電流、電壓、時間和日期的初始化，以及所測繼電器類型的選擇。狀態(tài)檢測模塊用于各組成部分的狀態(tài)檢測和顯示，并通知故障處理模塊進行故障處理。通信模塊用于接收觸摸屏傳來的參數(shù)信息，實現(xiàn)與PLC的通信。控制模塊用于電流、電壓調(diào)節(jié)和人工調(diào)節(jié)。

　　3.1.1狀態(tài)檢測

　　狀態(tài)模塊主要是檢測繼電器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換。由于觸點的物理特性。動觸點在吸合接觸靜觸點的瞬間往往會先吸合，再以微小的幅值彈開后再次吸合。針對這樣的"抖動"，傳統(tǒng)測試裝置因靈敏度太差，而對測試結(jié)果不會造成影響；然而，該測試臺因采用PLC檢測觸點接觸，雖然僅僅是不到0.01s，但是PLC會因捕捉到這樣的"抖動"而誤認為觸點吸合了兩次或更多次，以致測量無法正常進行。因此，在軟件設(shè)計中采取了防抖功能，如圖4所示。接點不動作時定時器002計時開始，20 ms后輸出為"1"。當接點閉合或斷開瞬間，輔助繼電器20.09或20.10接通一個掃描周期，高速計數(shù)器002開始計時，計時到后輔助繼電器20.12接通一個掃描周期，高速計數(shù)器的工作原理與普通計數(shù)器沒有太大區(qū)別，用來累計比主機掃描速率更快的高速脈沖。高速計數(shù)器的當前值是一個雙字長（32位）的整數(shù)，且為只讀。高速計數(shù)器的數(shù)量很少，編址時只用名稱HC和編號，如HCO。表示繼電器狀態(tài)已可靠轉(zhuǎn)換。

　　3.1.2輸出控制

　　在測試中，當需要對線圈兩端升（降）電壓（電流）時，為防止電壓（電流）上升過快而造成測量誤差較大的問題，通過PLC發(fā)出0.2 s的定時脈沖。在PLC發(fā)出每個脈沖的同時對電壓進行增減，步長為0.1 V。但是有時需要快速增加輸出，操作人員可以選擇手動輸出方式，長按時間2 s以上觸摸屏上輸出增按鈕。這種情況下，采用單位輸出增量△a為變值來實現(xiàn)。圖5所示快速輸出增量圖。可見，第n-1次輸出增量為an-1，第n次輸出增量為△an，控制輸出增量△a使△an=an-1+1，使每相同時間△t內(nèi)的輸出增量遞增，就可實現(xiàn)輸出值a的快速增加。

　　3.1.3故障處理

　　測試過程中有異常情況時，系統(tǒng)會根據(jù)檢測的結(jié)果進行相應(yīng)操作。例如，在測量繼電器的吸合電壓時，假如繼電器線圈斷線。根據(jù)常識在這種情況下無論系統(tǒng)怎么增加電壓，觸點都不會吸合，繼電器都不會動作。還有其他異常情況，諸如打印時未接打印機、調(diào)壓模塊故障等。

　　3.2觸摸屏組態(tài)

　　觸摸屏界面由支持軟件設(shè)計、編譯，然后從支持工具到觸摸屏即可使用。觸摸屏與PLC之間通過RS232通信電纜進行連接。由PLC對觸摸屏狀態(tài)控制區(qū)和通知區(qū)進行讀寫，以達到兩者之間的信息交互。 觸摸屏的組態(tài)是在EasyBuilder組態(tài)軟件下完成。

　　圖6所示為測試主控界面。其過程為是先完成測試界面各個窗口、按鈕的布局；其次為了使觸摸屏和PLC能夠正常通信，還要對測試界面的各個子窗口、按鈕和輸入?yún)^(qū)域進行相應(yīng)的設(shè)置。設(shè)置完成后對其編譯，編譯通過后就可通過RS232通信電纜將組態(tài)信息至觸摸屏中，這樣觸摸屏和PLC的通信就建立起來了。然后，運行組態(tài)軟件，操作人員用手觸控這些輸入?yún)^(qū)域時，系統(tǒng)將彈出數(shù)字字母鍵盤，如圖7信息輸入鍵盤所示。

　　4 結(jié)語

　　該設(shè)計的繼電器電器測試臺已經(jīng)投入使用，運行結(jié)果證明，基于PLC和觸摸屏控制的綜合電器測試臺的工作效率較傳統(tǒng)測試設(shè)備有大幅度提高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。具有下述優(yōu)點：（1）觸摸屏人機界面上設(shè)置的各種按鈕、開關(guān)、信號顯示燈、儀表等都是實物的替代品，觸控壽命長，大大提高了電器測試的可靠性。（2）觸摸屏與PLC的連接通訊是通過軟件實現(xiàn)的，不占用PLC的I/O點，只需要小型的PLC即可滿足測試臺的生產(chǎn)，節(jié)省了成本。（3）檢測遠遠高于傳統(tǒng)測試方式，且安全性高。（4）系統(tǒng)的程序接口簡單，用戶能夠很方便地進行系統(tǒng)的二次開發(fā)，配置靈活，適應(yīng)客戶要求，保證了整體系統(tǒng)的靈活性和可伸縮性。