昆明地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司 李淑紅 程晉然 寇婷婷

軌道交通系統(tǒng)龐雜，各系統(tǒng)中電磁式繼電器使用數(shù)量巨大，隨著地鐵運(yùn)營(yíng)年限的增加，包括電磁繼電器在內(nèi)的各類元器件的故障數(shù)量呈逐年上升趨勢(shì)。為確保地鐵安全運(yùn)營(yíng)、有效提升運(yùn)營(yíng)服務(wù)質(zhì)量、推進(jìn)軌道交通高質(zhì)量發(fā)展，結(jié)合公司多年運(yùn)營(yíng)管理經(jīng)驗(yàn)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備實(shí)際運(yùn)行情況，通過(guò)近兩年的測(cè)試、開(kāi)發(fā)，成功完成了電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)的搭建。該測(cè)試平臺(tái)及測(cè)試方法建立在嵌入式系統(tǒng)對(duì)多次重復(fù)、大量高精度樣本數(shù)據(jù)的采集與記錄，通過(guò)現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)理論與相關(guān)算法對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行有效處理，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的檢測(cè)與評(píng)估，掌握設(shè)施設(shè)備老化、故障類型與全壽命周期特點(diǎn)，充分提高軌道交通各系統(tǒng)可靠性與安全性，有效降低成本，實(shí)現(xiàn)設(shè)施設(shè)備維保管理水平的有效提升。

1 背景分析

軌道交通各系統(tǒng)中采用了大量的繼電器以完成相應(yīng)的控制功能，繼電器作為軌道交通各系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備中的主要電控制器件，隨著地鐵運(yùn)營(yíng)年限的增加不可避免地會(huì)產(chǎn)生故障，電磁式繼電器的穩(wěn)定性決定了其所在系統(tǒng)的可靠性，從而影響地鐵運(yùn)營(yíng)安全。為確保電磁式繼電器高效穩(wěn)定運(yùn)行，除了在設(shè)計(jì)選型階段對(duì)繼電器元器件材質(zhì)進(jìn)行有效把控，投入運(yùn)營(yíng)后在實(shí)際使用過(guò)程中對(duì)電磁式繼電器的運(yùn)行工況狀態(tài)進(jìn)行測(cè)試、分析和預(yù)研判也尤為重要。

傳統(tǒng)的繼電器測(cè)試裝置和測(cè)試方法一般只具備對(duì)繼電器的機(jī)械和電氣功能優(yōu)劣進(jìn)行初步測(cè)量及定性分析，而對(duì)于繼電器電氣及機(jī)械性能不穩(wěn)定或工藝缺陷導(dǎo)致的偶發(fā)性故障，難以開(kāi)展定量測(cè)試和分析[1]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外涌現(xiàn)出很多便攜式或在線電磁繼電器自動(dòng)化測(cè)試裝置，經(jīng)市場(chǎng)調(diào)研這些測(cè)試裝置大多數(shù)都存在檢測(cè)場(chǎng)景要求嚴(yán)格、檢測(cè)成本高、檢測(cè)設(shè)備不便捷，對(duì)多種型號(hào)繼電器適應(yīng)能力較低、無(wú)法檢測(cè)電磁式繼電器動(dòng)作延時(shí)特性的一致性，無(wú)法準(zhǔn)確查找故障點(diǎn)，在電磁繼電器故障排查中存在很大的局限性。

為了研究電磁式繼電器故障原因的方式方法，實(shí)現(xiàn)電磁式繼電器基本功能的測(cè)試，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)著手開(kāi)發(fā)操作簡(jiǎn)便、檢測(cè)靈活且適用于軌道交通行業(yè)的電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)。該電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)依托繼電器運(yùn)行與監(jiān)測(cè)同步開(kāi)展的電氣參數(shù)特性，為軌道交通各系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)維保提供了定量數(shù)據(jù)支撐，為故障原因的精準(zhǔn)確定提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持，為設(shè)施設(shè)備維保管理水平的提升奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2 搭建方案

2.1 技術(shù)路線

電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目以基礎(chǔ)理論研究及數(shù)據(jù)分析為依托，通過(guò)對(duì)繼電器底層原理及動(dòng)作特性的分析研究，借助現(xiàn)代統(tǒng)計(jì)學(xué)理論與方法，形成系統(tǒng)設(shè)計(jì)、算法分析、硬件及軟件開(kāi)發(fā)、測(cè)試平臺(tái)搭建，在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展初步模擬測(cè)試，確保平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定性且功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，通過(guò)反復(fù)多次對(duì)歷年來(lái)部分故障電磁繼電器的模擬測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，驗(yàn)證了此電磁繼電器測(cè)試平臺(tái)運(yùn)行穩(wěn)定且功能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2.2 技術(shù)理論

電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)主要用于對(duì)繼電器動(dòng)作的時(shí)間特性與觸點(diǎn)的電氣特性進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、檢測(cè)分析。

電磁繼電器測(cè)試依據(jù)：電磁式繼電器是一種電磁開(kāi)關(guān)，它由線圈、鐵芯、觸點(diǎn)、彈簧等部分組成，具有接通電路和隔離電路的功能。在線圈兩端加上一定的電壓，線圈中就會(huì)流過(guò)一定的電流，從而產(chǎn)生電磁效應(yīng)，銜鐵就會(huì)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(dòng)銜鐵的動(dòng)觸點(diǎn)與靜觸點(diǎn)吸合[2]；反之銜鐵就會(huì)在彈簧的反作用力返回原來(lái)的位置，使動(dòng)觸點(diǎn)與原來(lái)的靜觸點(diǎn)斷開(kāi)。這樣吸合和斷開(kāi)，從而實(shí)現(xiàn)電路的導(dǎo)通和切斷的目的。繼電器正常吸合及斷開(kāi)時(shí)間均與其型號(hào)與外部電氣參數(shù)相關(guān)聯(lián)，由于各種機(jī)械或電氣故障原因會(huì)導(dǎo)致繼電器動(dòng)作規(guī)律發(fā)生改變。

測(cè)試分析的理論應(yīng)用：經(jīng)評(píng)估本次搭建的測(cè)試平臺(tái)的測(cè)試分析采用了統(tǒng)計(jì)學(xué)（概率）的擬合概率分布相關(guān)理論方法。擬合概率分布是指通過(guò)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，找到一種最合適的概率分布模型來(lái)描述數(shù)據(jù)的分布特征。在擬合概率分布時(shí)，選擇一個(gè)誤差函數(shù)來(lái)衡量模型的擬合程度，并通過(guò)最小化誤差函數(shù)來(lái)確定最佳擬合參數(shù)。除了一些經(jīng)典的概率分布模型（如高斯分布、伽馬分布等），還采用了一些非參數(shù)擬合方法（如核密度估計(jì)、局部多項(xiàng)式回歸等）用于擬合任意分布的數(shù)據(jù)。

2.3 建設(shè)方案

電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)由驅(qū)動(dòng)采集控制、觸點(diǎn)狀態(tài)采集、矩陣式布線、數(shù)據(jù)采集、人機(jī)界面、電源模塊、溫度傳感器、負(fù)載模塊等部分組成，如圖1所示。圖中1負(fù)載模塊、2測(cè)試樣品、3電源模塊、4驅(qū)動(dòng)采集控制、5數(shù)據(jù)采集與人機(jī)界面、6連接線纜、7端子排、8電源線、9空開(kāi)、10導(dǎo)軌。

圖1 電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)平面布置圖

電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)驅(qū)動(dòng)采集控制部分由微控制單元（MCU）為核心的嵌入式系統(tǒng)組成，能夠?yàn)椴煌膽?yīng)用場(chǎng)合做不同組合控制，包括但不限于輸出驅(qū)動(dòng)、信號(hào)采集、數(shù)據(jù)回傳等功能。測(cè)試平臺(tái)接線組由具備短路或過(guò)流保護(hù)作用的空開(kāi)、可開(kāi)斷端子排、繼電器安裝支架、固定布線、可移動(dòng)布線組成，矩陣式布線操作靈活、系統(tǒng)擴(kuò)展性更強(qiáng)、布線更方便，最大限度提高了接線效率和準(zhǔn)確率，大大減少了施工過(guò)程中混線或錯(cuò)線的發(fā)生幾率，也方便接入測(cè)試所需的各種電源和切換測(cè)試所需的不同負(fù)荷[3]。

電磁式繼電器的數(shù)據(jù)采集與人機(jī)界面的硬件部分功能由工業(yè)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)控制、測(cè)量和監(jiān)控，軟件功能為項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)，以統(tǒng)計(jì)學(xué)理論為指導(dǎo)進(jìn)行分布擬合檢驗(yàn)，概率分布采用高斯分布，具備測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)操作（采集數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)）、測(cè)試參數(shù)自主設(shè)置、測(cè)試參數(shù)擬合分布、規(guī)律模擬可視化展示等功能，能夠?qū)崟r(shí)顯示測(cè)試樣品電磁繼電器每個(gè)觸點(diǎn)吸合延時(shí)、斷開(kāi)延時(shí)的最大值、最小值和平均值，觸點(diǎn)動(dòng)作次數(shù)和吸合延時(shí)概率高斯分布圖、斷開(kāi)延時(shí)概率高斯分布圖。數(shù)據(jù)采集與人機(jī)界面模塊和驅(qū)動(dòng)采集控制模塊通過(guò)通信線連接，信號(hào)傳輸穩(wěn)定，抗干擾能力較強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)雙向傳輸。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)對(duì)采集數(shù)據(jù)的處理提出了很多的建議和方法，最終采用了特定的數(shù)學(xué)工具，經(jīng)過(guò)此特定數(shù)學(xué)工具處理后生成了高度可視化的電磁式繼電器動(dòng)作特性概率高斯分布圖。通過(guò)對(duì)電磁式繼電器動(dòng)作特性分布規(guī)律的深入分析研究，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)間接獲得了電磁式繼電器的當(dāng)前實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施設(shè)備維修具有很強(qiáng)的指導(dǎo)意義工作，同時(shí)也能夠?qū)χ匾^電器的更換維修提供定量分析。

通過(guò)項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的算法，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采集到的電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開(kāi)延時(shí)、卡滯數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析，通過(guò)精確計(jì)算得出電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開(kāi)延時(shí)的高斯型kernel 分布圖，從高斯型kernel 分布圖分布規(guī)律可判斷出電磁式繼電器是否發(fā)生故障及故障類型[4]；同時(shí)也可以判斷出電磁式繼電器鐵芯線圈溫度升高對(duì)電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開(kāi)延時(shí)的影響。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)監(jiān)測(cè)到的參數(shù)數(shù)據(jù)，并結(jié)合自主研發(fā)的算法得到電磁式繼電器動(dòng)作的分布規(guī)律及分布特性，從而準(zhǔn)確判斷電磁式繼電器故障發(fā)生與否、故障類型及觸點(diǎn)吸合斷開(kāi)動(dòng)作延時(shí)。該電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)采用的統(tǒng)計(jì)學(xué)、算法理論嚴(yán)謹(jǐn)且直觀生動(dòng)，具有較強(qiáng)的適用性。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)自主開(kāi)發(fā)的軟件安裝在工業(yè)計(jì)算機(jī)上，用于實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互界面及數(shù)據(jù)采集功能。軟件的測(cè)試狀態(tài)顯示區(qū)域?qū)崟r(shí)顯示測(cè)試狀態(tài)，包括繼電器動(dòng)作次數(shù)、吸合釋放時(shí)間、溫度等參數(shù)。測(cè)試參數(shù)配置區(qū)域用于測(cè)試開(kāi)始前配置測(cè)試參數(shù)：根據(jù)需要分別設(shè)置繼電器吸合及釋放時(shí)間；設(shè)置繼電器動(dòng)作上限次數(shù)或者不設(shè)置動(dòng)作次數(shù)上限；設(shè)置上下位機(jī)通訊串口號(hào)。

測(cè)試啟停按鈕用于控制測(cè)試啟停。圖像控制區(qū)域用于選擇顯示所需觸點(diǎn)的吸合或釋放延時(shí)概率分布圖像。測(cè)試數(shù)據(jù)顯示區(qū)域用于實(shí)時(shí)顯示各觸點(diǎn)的吸合、釋放延時(shí)的單次值、平均值、最大值、最小值，其中單次值由驅(qū)動(dòng)采集部分實(shí)時(shí)回傳的數(shù)據(jù)，平均值、最大值、最小值是軟件根據(jù)儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)計(jì)算得出。圖像顯示區(qū)域會(huì)根據(jù)所選擇實(shí)時(shí)顯示觸點(diǎn)的吸合延時(shí)概率分布圖像或延時(shí)概率分布圖像。圖像縮放按鈕可以對(duì)圖像進(jìn)行橫向、縱向、全局放大以及還原縮放。軟件還具備數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的功能，接受到由驅(qū)動(dòng)采集部分實(shí)時(shí)回傳的數(shù)據(jù)后，實(shí)時(shí)在數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)儲(chǔ)存，所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)后續(xù)可以直接調(diào)出，方便使用數(shù)學(xué)工具處理分析。

3 應(yīng)用分析

電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)不受電磁式繼電器的規(guī)格、型號(hào)的限制，可以對(duì)多觸點(diǎn)電磁式繼電器、電磁式繼電器組開(kāi)展動(dòng)作特性測(cè)試，且可開(kāi)展多個(gè)電磁式繼電器同時(shí)測(cè)試，大大提高了檢測(cè)效率；另外該電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)既能開(kāi)展空負(fù)荷測(cè)試又能開(kāi)展帶負(fù)荷測(cè)試，工作場(chǎng)景通用性極強(qiáng)。

電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)具備短路自動(dòng)保護(hù)功能，可便捷測(cè)量測(cè)試線路的各電氣參數(shù)，同時(shí)該電磁式繼電器平臺(tái)將矩陣原理引入現(xiàn)場(chǎng)線纜布設(shè)，方便于各類電磁式繼電器快捷接入測(cè)試回路，也方便各類示波器、萬(wàn)用表等測(cè)量工具與電磁式繼電器連接進(jìn)行各參數(shù)測(cè)量。

電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)能夠在預(yù)設(shè)定參數(shù)環(huán)境下對(duì)電磁式繼電器進(jìn)行測(cè)試，對(duì)電磁式繼電器重要參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集傳輸，同時(shí)存儲(chǔ)每次吸合釋放動(dòng)作時(shí)的各項(xiàng)參數(shù)；另外采集電磁式繼電器的觸點(diǎn)電壓、電流波形圖及電磁式繼電器其他特征參數(shù)[5]。通過(guò)自主設(shè)定動(dòng)作閾值、動(dòng)作延遲時(shí)間、規(guī)定動(dòng)作次數(shù)、記錄失效時(shí)間等，實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的電磁式繼電器觸點(diǎn)吸合斷開(kāi)延時(shí)、觸點(diǎn)異?？?shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，同時(shí)實(shí)現(xiàn)重要參數(shù)在反復(fù)吸起、落下循環(huán)動(dòng)作情況下的概率分布可視化[6]。電磁式繼電器測(cè)試平臺(tái)有效解決了既有檢測(cè)設(shè)備不靈活，多種型號(hào)的繼電器適應(yīng)性不強(qiáng)、延時(shí)特性及多次重復(fù)延時(shí)特性一致性的問(wèn)題，其技術(shù)特性具備行業(yè)先進(jìn)性。

通過(guò)對(duì)送檢繼電器吸合釋放延時(shí)的概率分布曲線研判，以正常樣本繼電器的分布曲線進(jìn)行輔助對(duì)比，判斷繼電器的故障情況，明確故障原因，建立同類問(wèn)題數(shù)據(jù)檢索數(shù)據(jù)庫(kù)、案例參考，利于設(shè)備管理部門根據(jù)故障源頭類型與風(fēng)險(xiǎn)分析，制定糾正措施；通過(guò)對(duì)樣品繼電器進(jìn)行帶載極限壽命試驗(yàn)，分析樣品繼電器的可靠性及使用壽命，對(duì)不同品牌不同型號(hào)的繼電器進(jìn)行技術(shù)評(píng)價(jià)，為采購(gòu)部門、使用部門提供技術(shù)支持，利于采購(gòu)部門結(jié)合商務(wù)條件確定最優(yōu)采購(gòu)方案。

建立了內(nèi)部繼電器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)及方法，完善測(cè)試流程與制度，使繼電器測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化，有效縮短測(cè)試周期，提高檢測(cè)效率；根據(jù)繼電器狀態(tài)檢測(cè)確定繼電器的狀態(tài)，給出不同型號(hào)不同用途繼電器的維保維修策略的技術(shù)意見(jiàn)，從而延長(zhǎng)軌道交通各系統(tǒng)設(shè)施設(shè)備維保周期，大大降低維保成本。