一种继电器检测系统及方法

技术领域

本发明涉及继电器检测技术领域，特别涉及一种继电器检测系统及方法。

背景技术

在轨道交通车辆中，控制电路中采用大量继电器等开关性元件搭建逻辑电路；元件发生故障后，通常是利用万用表、示波器等设备检测通断性作为继电器的失效判据，尚未有能够对继电器运行状态和故障进行定位分析检测的系统。在目前实际维护过程中，只能在继电器发生故障后对有故障的继电器进行更换，或者在预计的继电器寿命周期内，对所有的继电器全面进行更换，尚未有继电器的工作状态监测分析设备用于其预防性维护指导，存在部分继电器过度更换及检修滞后的情况；

车辆控制电路中的重要功能回路继电器可靠性要求高，使用频繁、触点通过电流大的继电器易发生故障；为做到精准维护，需要对不同使用环境的继电器进行分析，预判继电器使用寿命，此时万用表、示波器已不能满足实时的、批量的、长时间的监测应用需求，为此，本专利设计了专用监测设备，通过模拟轨道交通不同应用电路中继电器的使用环境，进行大批量、长时间、连续不间断的采集各继电器触点工作状态下的各种参数数据，分析继电器触点寿命，为精准维护提供有力的数据支持。

发明内容

本发明提供一种继电器检测系统及方法，可以解决背景技术中所指出的问题。

一种继电器检测系统，包括：

监测主机，包括通讯模块以及若干组采样模块，采样模块包括若干组复合采样电路，采样模块与通讯模块之间通讯连接；

负载柜，用于给采样模块提供负载；

PC上位机，与监测主机通讯连接，驱使监测主机对待测继电器进行采样，获取采样数据并对采样数据汇总和分析；

所述通讯模块接收PC上位机发出的控制信号，对若干组采样模块进行功能控制，将各组采样模块采集的数据包按照各组采样模块的数据地址进行排序并进行标识，汇总后发送至PC上位机；

所述复合采样电路包括电压采样电路以及电流采样电路，电压采样电路对被测继电器的触点两端的电压进行采样，电流采样电路对被测继电器的触点负载电流进行采样；

所述负载柜的负载模块包括功率器件、可调电阻器件以及电感器件，用于提供30mA-1200mA的若干路电流负载通道。

一种继电器检测方法，包括如下步骤：

PC上位机向监测主机发送指令，监测主机接收到指令后，向多组采样模块发送指令；

监测主机接收到指令的同时向PC上位机回传指令应答响应信号，PC上位机接收到回传指令应答信号后，通过PLC控制被测继电器线圈得电或失电；

采样模块接收指令后，其采样通道进行一个周期的数据采样，采样后将采集得到的数据包发送至通讯模块；

通讯模块接收采样模块的数据包后，按照各个采集模块的数据地址序号以及数据包序号进行排序打包，将打包后的数据发送至PC上位机；

PC上位机接收数据包后，依据数据包的标识分别识别出多组采样模块的所有数据，将数据存储至数据库中；

PC上位机通过采样数据计算继电器触点的平均电阻以及响应时间；

所述采样模块数据采样的一个周期的时间长度为120ms，采样次数为60次，采样间隔为2ms；

所述PC上位机计算继电器触点的平均电阻时仅使用数据包中后30次的采样数据；

所述PC上位机计算继电器触点的响应时间的方法如下：

PC上位机找到一组数据包中线圈电流发生变化的两个数据包，以两个数据包的间隔时间为响应时间。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明通过复合采样电路直接采集待测继电器触点的电压和电流，能够直接计算继电器出带你的接触电阻，较之现有技术中通过监控触点温度再计算电阻的方法更加精准；

本发明通过复合采样电路采集的数据能够计算出继电器触点的接触电阻和响应时间，以便于判断继电器触点的使用寿命。

附图说明

图1为本发明负载柜的示意图；

图2为本发明PC上位机所在柜体的示意图；

图3为本发明的复合采样电路图；

图4为本发明的继电器检测方法的流程图；

图5为继电器线圈得电后继电器线圈采集数据示意图；

图6为本发明的继电器检测系统的原理图。

附图标记说明：

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

实施例一

如图1至图2和图6所示，本发明实施例提供的一种继电器检测系统，包括负载电源、监测主机、PC上位机、PLC以及负载柜；

监测主机包括采样模块和13组通讯模块(本实施例为13组，实际使用中可根据实际情况选择适合的数量)，每组采样模块均包括8组复合采样电路，复合采样电路包括电压采样电路和电流采样电路，电压采样电路对被测继电器的触点两端的电压进行采样，电流采样电路对被测继电器的触点负载电流进行采样；

每组采样模块都被分配有各自不同的数据地址和ID编号，在汇总采样数据时，数据内容都会清楚的标明采样模块的地址和ID编号，避免在数据汇总时出现的数据混淆、错乱；

通讯模块具有M12以太网接口，并通过该接口与PC上位机通讯，通讯模块的作用分为两部分，首先是接收PC上位机发出的控制信号，对监测主机的数据采集模块进行功能控制，其次是负责将各组采集模块的数据进行汇总，最终将采集到的数据传送到PC上位机；

采样模块和通讯模块之间通过双路CAN总线进行数据双向交互，由于数据量很大，所以对两路数据通道进行了划分：数据地址为单数的采样模块使用CAN1总线与通讯模块进行数据交换；数据地址为双数的采样模块使用CAN2总线与通讯模块进行数据交换；这样不但可以保证数据通讯的畅通，同时可以避免由于单一CAN总线带宽导致数据饱后造成数据拥塞和数据丢失；

PC上位机用于与监测主机通讯，获取检测平台采样模块的采样数据，对采样数据的汇总和分析，再根据数据地址对应到预先设置到PC上位机内的不同的继电器的参数进行大数据计算，PC上位机还控制PLC，用以控制待测继电器线圈的得电/失电；

负载柜参考继电器在实际使用过程中不同工况下触点电流的实际电流来进行设计，由于现实情况下，电流是多种多样的，所以在设计继电器触点负载柜时，将触点负载电流分类汇总，负载模块使用集成电路板板载方式进行集成，包括功率电阻器件、可调电阻器件、电感器件，本申请的继电器负载柜设计有73路触点电流负载通道，可提供30mA-1200mA的电流负载通道，具有30mA、60mA、120mA、240mA、480mA、960mA、1200mA的典型值负载，满足继电器触点寿命测试要求；

如图1所示，图1中的机柜里安装的是待测的继电器和端子排及继电器负载柜，其中KT1、KT2、KT3、KT4是用来监测车辆常用接触器的测试位置，K1-K7是用来监测车辆常用继电器种类1的测试位置，XT1、XT2是继电器工作状态的指示灯模块，K8-K13是用来监测车辆常用继电器种类2的测试位置，K14-K18是用来监测车辆常用继电器种类3的测试位置。机柜最下层安装有监测主机，用来监测继电器触点的相关数据；

如图2所示，图2中的机柜的上部安装有显示屏和工控机，作为PC上位机对整套系统进行控制和数据收集、分析，下部是作为负载电源的可调开关电源，给继电器线圈、继电器触点、继电器触点负载进行供电；

实施例二

如图3所示，在实施例一的基础上，本发明实施例提供一种继电器检测系统，继电器检测系统所采用的复合采样电路如下：

图3的采样电路中，D1-D4是普通二极管；

D5-D6是稳压二极管；

R1-R11是电阻；

U8为专用的差分放大器；

U9为霍尔电流传感器芯片；

A1A、A1B是精密运算放大器；

MP1、MP2、MP3作为电路中的信号检测点，；

U1，I1是本电路的输出端，接入数据处理芯片的A/D采样电路中，从而实现电压数据和电流数据的采集工作；

图3中的上半部分为电压采样电路，下半部分为电流采样电路(为了能够清楚表示电路图，对该附图进行了旋转，此处的上半部分和下半部分针对的是现在的图3顺时针旋转90度后的电路图)；

电压采样电路中，D1-D4二极管作用是将输入至差分放大器的同相端与反相端的电压的幅值限制在-15V～+15V之间，保证采集数据的有效性和准确性；A1A器件是精密运算放大器，与R1、R2电阻形成了1：20的放大电路，作用是将U8输出的电压进行比例放大，使得A/D采样电路能够更准确地采集；R4与D5和D6是起到限流和限制输出电压幅值的作用，避免MP2点的信号超过AD采样电路的门限，防止采集数据的失真和超限；

U8为专用的差分放大器，型号是INA597IDT；其中2脚位-IN和3脚位+IN分别为正相输入端和反相输入端，7脚位V+和4脚位V-为电源端，6脚位OUT为输出端，1脚位REF为参考电压端；

由于检测系统要摸拟真实的使用环境，负载电源的电压和实际使用情况一致，为DC110V，远超出了U8差分放大器工作饱和电压，所以在U8差分放大器的3脚位反相输入端和U8差分放大器的2脚位正相输入端分别串入了249K的电阻R3和R6，用以对负载电源电压进行分压，使得在器件的正相输入端和反相输入端的输入电压能够满足U8差分放大器的信号输入要求，从而让U8差分放大器能够工作在最优条件，使其6脚位输出端有良好的线性度；

计算MP1点输出电压的公式如下：；

A1A作为运算放大电路，由于差分放大器U8对电压进行了比例缩小，所以，U8的输出端6脚位就需要按比例放大，把微小的电压放大，保证后面的U1位置的A/D采样部分能够采样到准确的数据；这样就能准确的测量到了继电器触点两端的电压；

计算MP2点输出电压，可以参考下列公式进行验证：

考虑到避免放大系数过大，造成模拟电路内部噪声被放大从而影响A/D采样的线性稳定性,所以U8差分放大器输出端的放大比例小于U8差分放大器输入端的缩小比例；这两者的差异，将由采集板卡内部的嵌入软件进行补偿；

电流采样电路中，U9为霍尔电流传感器芯片；

1脚位和2脚位IP+和3脚位和4脚位IP-为电流采样端；8脚位VCC为电源端，7脚位VO为输出端，5脚位GND为接地端；当电流流向为从1、2脚位流向3、4脚位时，电流大小为0～5A时，U9霍尔电流传感器芯片输出引脚6的输出电压范围为2.5V～0.5V；

在U9霍尔电流传感器之后使用了一个A1B运算放大器组成的反相差分电路，A1B运算放大器的5脚位的VR端输入为2.5V电压，利用A1B运算放大器5脚位VR端输入和A1B运算放大器6脚位、U9霍尔电流传感器芯片7脚位的输出电压进行相减；使得A1B运算放大器的7脚位输出端输出的电压范围保持在0～2.0V的范围内，这样最终I1位置的A/D采样部分的电流采样输入接口的电压范围就是0～+2.0V电压，对应的继电器触点的负载电流为0A～5A。从而保证检测系统精确测量并正确采集到待测继电器的触点负载电流；

通过电压采样电路获得的电压数值经由上述公式的计算得到触点两端的实际电压值，通过电流采样电路获得触点实际通过的电流值，由此可直接通过R＝U/I计算出平均电阻；

实施例三

如图4所示，基于上述实施例二，本发明实施例公开了一种继电器检测方法，包括如下步骤：

(1)PC上位机向监测主机发送指令，监测主机接收到指令后，向13组采样模块发送指令；

(2)监测主机接收到指令的同时向PC上位机回传指令应答响应信号，PC上位机接收到回传指令应答信号后，通过PLC控制被测继电器线圈得电或失电；

(3)采样模块接收指令后，其采样通道进行一个周期的数据采样，采样后将采集得到的数据包发送至通讯模块；

即每组采样模块的8个电压采样通道、8个电流采样通道以2ms为间隔，连续采样60次，完成一个周期的采样。时间长度为120ms，共计有960个双字节数据；用Data[1]..Data[60]代表这60次采样数据；每个Data里包括了差分电压数据和负载电流数据。数据Data下标1～60表示第1个时刻到第60个时刻，间隔时间为2ms；这样就可以得到继电器在上电/断电120ms(一个周期)时间内的数据；

每组采样模块形成一个数据包；13组采样模块都有自己独立的数据包，每组采样模块在完成60次采样后通过CAN总线向监控主机的通讯模块发送数据包；

(4)通讯模块接收采样模块的数据包后，按照各个采集模块的数据地址序号以及数据包序号进行排序打包，将打包后的数据发送至PC上位机；

(5)PC上位机接收数据包后，依据数据包的标识分别识别出多组采样模块的所有数据，将数据存储至数据库中；

即PC上位机接收到数据后就会按数据包中的标识，识别出13组采样模块的所有数据，数据中包含了不同规格继电器的触点和线圈的电压、电流数据。再按照系统布线对这些数据进行归类，确定好与被测继电器对应的数据关联、按照数据包中的序号排序，将数据按预先设定的要求存储到数据库中；

(6)PC上位机通过采样数据计算继电器触点的平均电阻以及响应时间；

由于继电器触点在动作的前30ms左右处于不稳定状态，继电器触点会出现机械抖动等情况，因此使用采集的后30次采样数据，计算出继电器触点平均电压和继电器触点平均负载电流，从而计算出继电器触点的平均电阻；

PC上位机计算继电器触点的响应时间的方法如下：

PC上位机找出继电器线圈数据中的电流信号，确认电流信号的变化过程，是在第几个数据包中继电器线圈电流产生变化。同时确认对应的继电器的触点的数据变化过程，是在第几个数据包中有了变化，这两个数据包序号的差值可估算出继电器触点的响应时间，时间精度为2ms；

即PC上位机找到一组数据包中线圈电流发生变化的两个数据包，以两个数据包的间隔时间为响应时间；

如图5所示，若第一个继电器线圈采集数据包的变化数据序号为5，第二个继电器触点采集数据包变化序号为20，两者相差15个数据包的间隔时间，每个数据包的时间间隔是2ms，从而计算得出该继电器的触点响应时间为30ms；

一般来说可将继电器触点的动态动作过程等效为一个含电阻、电感等效电路，时间常数越大则响应时间越长，反之则越小，这里的响应时间主要指的是继电器触头的吸合响应与释放的响应时间，这个响应时间的长短是由动作时的时间常数来定，而等效电路中，而平均电阻指的触点等效平均接触电阻；

在电磁继电器工作过程中，其触点在不断的闭合或断开的瞬间会发生弹性碰撞，导致动触点高频抖动。电磁继电器随服役时间增长，电磁系统的吸力和弹簧反力会因为线圈老化和弹簧片疲劳而发生变化。触点间隙会因为触点磨损和材料转移而发生改变，或增大或减小，进而与电磁吸力和弹簧反力互相影响。而触点的弹跳会引起弹跳的电弧，加剧触点的磨损，触点的这个变化过程会影响电磁继电器的时间常数与接触电阻的变化，进而影响继电器正常的闭合功能。

综合上述，由于触点接触电阻、时间常数比较容易在线测量，并且能直接反映触点间隙、触点磨损、达到稳定状态所需时间等情况，选取其作为电磁继电器需要测试的关键特性参数；对触点接触电阻、时间常数关键特性参数进行测量并研究其随时间退化数据的概率分布规律，将退化数据用于退化建模、可靠性建模中，对电磁继电器的可靠性进行分析及寿命预测，针对各自规律采用不同的概率模型求解方法，即可判断断继电器寿命和老化程度，其中，接触电阻采用Weibull方法，时间常数采用Gamma随机过程函数法，预测模型构建完毕后，可以将预测结果以参数的形式构建进PC机内进行特性参数的比对即可。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神和基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。