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1 引言 鐵路安全繼電器是鐵路信號控制系統中的重要執行元件之一，必須在出廠時和使用過程中定期對其電氣特性參數進行測試。然而，傳統測試設備存在測試精度低，可靠性差，效率低下以及對測試人員要求高等缺點，不能滿足現代繼電器測試的要求。PLC作為一種新型的控制裝置與傳統繼電器控制系統相比，具有時間響應快，控制精度高、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點。觸摸屏也是一種新型的人機交互設備，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，這樣就擺脫了傳統交互設備復雜操作，即使新手也能輕松操作整個設備。因此，既減少了對操作人員的要求，也提高了工作效率。本文采用PLC、觸摸屏及相關輔助電路設計了一種綜合電器測試臺。 2 硬件電路設計 2.1系統概述 該繼電器測試臺采用歐姆龍CPM2A型號PLC作為控制單元、ET500系列觸摸屏實現人機交互，測試普通繼電器、接觸器、過流繼電器、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。圖1給出其硬件結構框圖。 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 測試前根據待測繼電器型號及類型通過觸摸屏設定參數，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部數據區，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。系統通過擴展單元的4～20mA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0V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），圖2所示的是使系統自動識別延時類型。開始測試時，系統自動調整輸出電壓為設定的線圈額定電壓，然后通過SSR切斷輸出電壓，等待6s使線圈兩端電壓降為0V，然后再觸發SSR使之導通，此時設定額定電壓直接輸出到時間繼電器線圈，并開始計時。 當操作人員在測試前選擇電磁或電子式時，測試臺根據觸摸屏傳來的參數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觸點向上構成電子式測量電路連接，J11為電子式繼電器的負載繼電器;J10觸點向下構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，觸點向右構成共陰極，向左構成共陽極。 3 軟件部分設計 繼電器測試臺的軟件設計主要包括PLC控制軟件和觸摸屏組態軟件兩部分。由于歐姆龍CPM2A中增加了一個內置的RS232連接器，PLC無需配置專用的通訊模塊就能方便地與外部設備進行通信，所以通過觸摸屏與PLC之間的RS232傳輸就能實現實時通信功能，點擊觸摸屏向PLC發出各種控制信號，PLC接到觸摸屏發出的指令信號后執行運算與控制任務。 3.1PLC控制軟件 PLC作為控制單元，是整個系統的控制核心。通過接收開關量和模擬量的輸入，經處理后輸出開關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。狀態檢測模塊用于各組成部分的狀態檢測和顯示，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信息，實現與PLC的通信。控制模塊用于電流、電壓調節和人工調節。 3.1.1狀態檢測 狀態模塊主要是檢測繼電器的狀態轉換。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"，傳統測試裝置因靈敏度太差，而對測試結果不會造成影響;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，20ms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，表示繼電器狀態已可靠轉換。 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發出0.2s的定時脈沖。在PLC發出每個脈沖的同時對電壓進行增減，步長為0.1V。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2s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。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內的輸出增量遞增，就可實現輸出值a的快速增加。人工輸出快速減少時其原理一樣。 3.1.3故障處理 測試過程中有異常情況時，系統會根據檢測的結果進行相應操作。例如，在測量繼電器的吸合電壓時，假如繼電器線圈斷線。根據常識在這種情況下無論系統怎么增加電壓，觸點都不會吸合，繼電器都不會動作。因此，當系統加壓到一定值后繼電器如果還未動作，系統即認為繼電器損壞，結束測量，彈出錯誤報告。還有其他異常情況，諸如打印時未接打印機、調壓模塊故障等。 3.2觸摸屏組態 觸摸屏界面由支持軟件設計、編譯，然后從支持工具下載到觸摸屏即可使用。觸摸屏與PLC之間通過RS232通信電纜進行連接。由PLC對觸摸屏狀態控制區和通知區進行讀寫，以達到兩者之間的信息交互。觸摸屏的組態是在EasyBuilder組態軟件下完成。根據綜合電器測試臺的要求，設計了初始界面、測試主控界面、電壓測試界面、電流測試界面、接地繼電器測試界面、電磁式時間繼電器測試界面、電子式時間繼電器測試界面和手動輸出界面共8個人機交互界面。 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、按鈕和輸入區域進行相應的設置。設置完成后對其編譯，編譯通過后就可通過RS232通信電纜將組態信息下載至觸摸屏中，這樣觸摸屏和PLC的通信就建立起來了。然后，運行組態軟件，操作人員用手觸控這些輸入區域時，系統將彈出數字字母鍵盤，如圖7信息輸入鍵盤所示。在該界面可以輸入設備名稱、規格型號、產品編號、操作員代號、上車號、下車號等信息。根據需要測試的項目觸控界面中相應的按鈕進入相應的測試操作界面。 4 結語 該設計的繼電器電器測試臺已經投入使用，運行結果證明，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測試設備有大幅度提高，系統工作穩定。具有下述優點：（1）觸摸屏人機界面上設置的各種按鈕、開關、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，節省了成本。（3）檢測精度遠遠高于傳統測試方式，且安全性高。（4）系統的程序接口簡單，用戶能夠很方便地進行系統的二次開發，配置靈活，適應客戶要求，保證了整體系統的靈活性和可伸縮性。 |
