（电机与电器专业论文）小型继电器可靠性检测与集中控制系统.pdf

r e l i a b i l i t yt e s td e v i c eo fr e l a y sa n d c e n t r a lc o n t r o ls y s t e m a b s t r a c t r e l a yi so n eo ft h ek e ye l e m e n t su s e di na u t o m a t i o nc o n t r o ls y s t e m r e m o t ec o n t t o la n d m e a s u r es y s t e m ，a n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m i th a sb e e nw i d e l yu s e di na v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ， e l e c t r o n ，c o m m u n i c a t i o n ，e n g i n ee t ce q u i p i nt h er e i g no fc o u n t r ye c o n o m y , a n de s p e c i a l l yi n t h es t r e s sm i l i t a r yp r o j e c to fo u rc o u n t r y , r e l a yi sv e r yi m p o r t a n t r e l i a b i l i t yo fr e l a yw i l l s t r a i g h t l ye f f e c tt h ed e v e l o p m e n to ft h o s ed o m a i n t h es t u d yo fr e l i a b i l i t yo fm i n i a t u r er e l a yi s a ni m p o r t a n tt a s ki nt h es t u d yd o m a i no fe l e c t r i cr e l i a b i l i t y t h et r a d i t i o n a lr e l i a b i l i t yt e s t i n g d e v i c eo fr e l a yc a l lo n l yc o n f i r mt h ef a u l th a st a k e np l a c e di nw i t c hs a m p l e ，a n dc a l ln o ts a v et h e i n t oo ff a u l t s ( a b a t et y p e s ，a b a t el i m e s ，a b a t et i m ee t c ) a n dt h ec a p a c i t yo f m e m o r yi ss m a l l t h e o ! dt r a d i t i o n a ld e v i c ec a nn o tf u l f i l lt h er e q u e s to fc u r r e n t t e s t t h i sp a p e ri sc o n c e r n e dw i t l lar e c e n t l yd e v e l o p e dr e l i a b i l i t yt e s td e v i c eo fr e l a y sa n daf o c u s c o n t r o ls y s t e m i tc a no v e r c o m et h eb u go ft h et r a d i t i o n a lt e s t i n gd e v i c ei nal a r g es c a l e t h i s p a p e rg i v e saf u l l - s c a l ed i s c u s st ot h es o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no ft h ea cr e l i a b i l i t yt e s t i n g d e v i c ea n dt h ed cr e l i a b i l i t yt e s t i n gd e v i c e i nt h ec o u r s eo fh a r d w a r ed e s i g n i n g ，t h i sp a p e rg i v e s ad i s c u s sf r o mc h o o s i n gt h em a i n f r a m ea n dc o l l e c t i o nc a r dt ot h ec o n s t r u c to ft h ew h o l et e s t i n g d e v i c e i nt h ec o u r s eo fs o f t w a r ed e s i g n i n g ，t h i sp a p e rg i v e sap r i m a r yd i s c u s sf r o mc h o o s i n gt h e p r o g r a m m i n gl a n g u a g et ot h es t r u c t u r eo f a p p l i c a t i o n a n dt ot h es h a p eo f t h ei n t e r f a c ee t c u s i n g t h ev ci n t e m e tp r o g r a m m i n gt e c h n i q u er e a l i z e dt h ef o c u sc o n t r o lf o rs e v e r a lt h o s ea cr e l i a b i l i t y t e s t i n gd e v i c ea n dt h ed cr e l i a b i l i t yt e s t i n gd e v i c e i nt h el a s t ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h ee r r o r c a u s e db ys o m ef a c t o r s d e v e l o p i n gt h er e l i a b i l i t yt e s t i n gd e v i c eo fr e l a ya n df o c u sc o n t r o ls y s t e mw i l lt a k el a r g e f u n c t i o nf o rp e r f e c t i n gt h ed e s i g no f r e l a yo ri m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f r e l a y k e y w o r d s ：m i n i a t u r er e l a y , r e l i a b i l i t y ，c e n t r a lc o n t r o l ，t e s td e v i c e 第一章绪论 卜1 引言 本文主要研究了小型继电器可靠性试验计算机测控技术、数据处理技术以及服务器集中对多台下位 机( 继电器可靠性检测装置) 的联网控制技术。 继电器是一种具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、通讯、自动控制、机电体 化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一。提高我国低压电器产鼎的可靠性是一项十分迫切的 任务。正确鉴别低压电器产品的可靠性等级的关键在丁，f 氐压电器产品的可靠性试验和分析，而可靠性试 验装置是进行可靠性试验的必要手段。电磁继电器是列入机电部公布的限期考核可靠性指标的电器，国 家技术监督岗已于1 9 9 5 年发布了电磁继电器可靠性试验方面的国家标准g b t 1 5 5 1 0 控制用电磁继电 器町靠性试验通则。 继电器一般都有能反映一定输入变量( 如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光 等) 的感应机构( 输入部分) ；有能对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构( 输出部分) ；在继 电器的输入部分和输出部分之问，还有对输入量进行耦台隔离，功能处理利对输出部分进行驱动的中间 机构( 驱动部分) 。 电磁继电器按照其用途来分，大致有以下几个种类： 1 中间继电器。中间继电器主要用来扩充控制信号的数量或起到信号放大作用，以驱动较大的负载。 其结构与小容量交流接触器一样，因此，也被称为接触器式继电器。这种继电器触点的控制容量都比较 大。这类产品的典型代表有：德国西门子公司的3 t h 系列产品、美国s q u a r ed 公司的8 5 0 1l 0 型、日本 o m r o n 公司的m a 4 0 6 型，触点数在4 8 个，控制容量通常为2 0 0 v ，4 - 3 0 a 。 2 小型通用继电器。这种继电器的结构一般为拍合式触点容量较小，主要用于各种电器控制系统中 的逻辑控制作用，或在各种电子电器中起到输出继电器的作用。这类产品的典型代表有：美国s q u a r ed 公司的r ，k 型系列产品、日本o m r o n 公司的m y ，l y ，m k ，m x ，m h s ，删，m p 型系列产品。这一类继电 器的操作频率较高，一般可达到1 8 0 0 1 8 0 0 0 次4 时，控制容量通常为3 0 v ，l3 a 。 3 印制电路板用继电器。这种继r ：g 器步b 型为扁平状，可以直接安装在印制电路板上。印制电路板继电 器要求具有较小的体积、可靠性高、触点控制容量大等特点。以日本富士电机公司的r b i 片长式继电器 产品为例，它的体积只有5 x 2 0 x 1 8 ( m m ) 。 4 接口继电器。接口继电器主要用于各种电子线路，如电话交换机、可编程控制器等设各作为输出 接口。该类继电器的典型代表有德国西门子公司的3 t x 4 1 8 0 和3 t x 7 0 0 2 、德国ed & s 公司的ik 3 0 7 l 一5 等型号。要求该类继电器在低电压以及小电流的情况下具有很高的接触可靠性。 继电器具有结构简单、体积小、可以控制多种对象、输入输出隔离、耐受过电压和过电流能力强等 特点。因此，即使在电子技术飞速发展的今天，继电器的应用仍然十分j “泛。继电器在许多自动控制系 统中起着保护、信号传递、隔离和功率放大等作用。如武钢1 7 米轧机和宝钢一期工程中分别使用了 7 2 万和9 7 万个继电器。日前，许多行业对继电器的性能、质量、品种和数量的要求很高因此，继 电器的发展具有无限的生命力。进入9 0 年代中后期，作为接口功能和放大功能的品种大幅度增加，这 是对继电器需求的新趋势。 随着继电器触点带负载能力的提高，其使用已经由中间逻辑控制环节逐渐演变为最终的控制环节。 特别是当负载电流在3 0 安培以下时，继电器通常作为中、小功率电动机的控制元件，直接控制电动机 启动和停止。如家用电器中的空调、电冰箱、电风扇、微波炉等，都是使用继电器作为电动机的直接控 制元件。为保证继电器可靠的工作，提高产品的质量就显得非常重要和必要。国内外电器方面的学者， 在继电器可靠性试验研究方面做了许多工作。国际上每两年次的国际电接触会议，每年一次的i e e e 霍姆电接触会议、每年一次的美国继电器年会以及国内的低压电器学术年会和全国电接触学术年会上， 都有关于继电器可靠性试验研究方面的文章，发表关于继电器试验的新方法和新设备的学术论文“1 。 1 - 2 小型继电器的可靠性研究概况 国内外有许多专业电器试验站从事电器试验工作，以及试验方法、试验设备的研究工作。如荷兰 k e 姒强电流试验站、美国s q u a r ed 试验站、德国a b b 公司试验站、日本武山试验所、意大利s a c e 试 验站：我国的电器研究所和试验站有：上海市电器技术研究所、天津市电器研究所、河北工业大学电器研 究所、苏州电器科学研究所、重庆电器科学研究所、北京市低压电器厂、北京市开关厂等单位。近年来， 电器试验主回路设备的改动不大，主要是在系统操作方便、安全可靠、提高效率、提高测量精度、研究 专用设备、采用数据处理系统等方面做出了改进“”1 。 为了提高试验效率，自动化技术和计算机技术普遍应用于电器试验中。电源带载遥控分接开关：星 一三角自动转换：负载电抗器、电阻器遥控转换以及各种远程控制技术广泛采用。加强了对试验过程的 监控，试验中的重要参数实时监测并设置电器连锁保护，保证了设备和人身的安全。 提高测量精度是近年来电器试验技术的重要研究课题之一。在电器试验站中，传统的检测仪器是多 线电磁式示波器，用来记录慢变化过程的参数。而过度过程较快信号的记录，采用多线阴极示波器。进 入7 0 年代后数字记忆示波器普遍被采用。日前，专用的电器试验数据高速采集与处理设备正在逐步进 入到电器试验领域中来。这种采集设备具有更大的数据存储空间，与计算机接口方便，可以由计算机控 制完成检测任务。同时设备具有较强的数据处理功能，利削计算机虚拟仪器技术可以直接检测和显示 以往只有专用仪器才能够检测到的参数。 为了满足研究性试验的需要，国外不少试验研究单位研制了专用的测量设备。例如：动作速度、触 点压力、接触电阻、触点弹跳、吸力与反吸力特性、电弧能量等专用测量设备”o 。 电器试验数据处理技术的研究，主要分为两个方面：、试验结果的分析与统计：二、试验电气参数 的处理与计算。在试验结果分析与统计方面，研究工作开展的比较深入。例如在电器可靠性特征量估计 方面，满足威布分布、指数分布等各种失效分布，都有比较成熟数学方法。随着计算机技术在电器试验 2 中的应用，电器试验中电气参数处理与计算的研究工作也逐渐开展起来。如意大利电气技术试验研究中 心( c e s i ) 研制的数据检测及处理系统，该系统通过对检测到的数据进行处理，计算出电压、电流的有效 值、峰值、燃弧时间、电流持续时间、功率因数、电弧能量等参数。总体来看，与试验结果分析与统计 的研究相比，试验电气参数处理与计算的研究处于起步阶段，有待丁- 深入进行与规范”。 随着继电器控制对象的增加，其使用类别逐渐增多，继电器可靠性的研究在不断的增加和完善。继 电器可靠性试验设备研究的发展更为迅速，随着计算机科学的日益发展，计算机的功能不断增加，而其 价格大幅度下降，继电器可靠性试验设备已经由过去的时间继电器一接触器、p l c 可编程控制器控制， 发展为由计算机控制与检测的试验装置。 卜3 继电器可靠性试验要求和方法 一、试验要求 ( 一) 、环境条件 1 一般情况下，试验应在g b 2 4 2 3t 电工电子产品基本环境规程规定的试验时的标准大气条件 下进行。即 温度 1 5 3 5 c 相对湿度4 5 7 5 大气压力8 6 1 0 6 k p a 试品应在试验的标准大气条件中放置足够的时间( 不少于8 小时) ，以便试品达到热平衡。 2 试验环境应主要避免灰尘和其他污染。 ( - - ) 、安装条件 1 试品应安装在正常使用位置。 2 试品应安装在无显著冲击和振动的地方。 3 试品安装面与垂真面的倾斜度应符台产品标准的规定。 ( 三) 、试验电源条件 1 交流电源应为频率等于5 0 h z 的正弦波电源，其容许偏差为： a 波形畸变因数不大于5 。 b 频率偏差为5 。 2 直流电源可采用发电机、蓄电池或稳压电源，若试验时不会影响产品性能，则可以采用三相全 波整流电源，但其纹波分量应满足规定：即峰值与谷值之差和直流分量之比值不大于6 。 3 试验过程中，当触点接通负载时，试验电源电压的波动相对于空载电压而言应不大于5 。 ( 四) 、负载条件 1 负载电源可为直流电源或交流电源，一般情况下，推荐采用商流电源。 2 负载可为阻性负载、感性负载、容性负载或非线性负载，一般情况下，推荐采用阻性负载( 交 流时c o s ( a = o 9 1 0 ，直流时l r _ 。 流时c o $ 妒= 0 9 10 ，直流时l r _ 。 3 3 一般情况下，试验时触点电路负载电流l 的数值可采用额定电流或下列值 2 类触点( 触点额定电压为5 2 5 0 v 3 类触点( 触点额定电压为5 6 0 0 v ( 五) 、激励条件 触点额定电流为0 1 1 a 的触点) ：1 0 0 m a 触点额定电流为0 i 1 0 0 触点) ：i a 。 1 试验时，试品应以输入激励量的额定值进行激励。 2 每小时的循环次数：试验时试品每小时的循环次数应不低干产品标准中规定的额定值，为缩短 试验时间，在不影响试品正常动作与释放的条件下，试品每小时的循环次数可以高于产品标准中规定的 额定值，其数值可阻从6 ，3 0 ，6 0 0 ，1 2 0 0 ，1 8 0 0 ，3 6 0 0 ，7 2 0 0 ，1 2 0 0 0 ，1 8 0 0 0 ，3 6 0 0 0 中选取。 3 负载比( 负载因数) 应从下列推荐数值，即1 5 ，2 5 ，3 3 ，4 0 ，5 0 ，6 0 中选取。 二、试验方法 ( 一) 、试品准备 为满足产品寿命服从指数分布的假设应采用筛选的方法来剔除早期失效的产品，所以试品应从稳 定的工艺条件下批量生产并经过筛选的合格产品中随机抽取。为了避免试验过分复杂，推荐采用常温 ( 1 5 - 3 5 。c ) 下运行筛选筛选条件应是运行次数为5 0 0 0 次；激励条件、触点电路开路电压及触 点电路负载电流于上面所述的相同。 ( 二) 、试品的检测 1 、试验前检测 试验前先对试品进行开箱检测，检查试品的零部件有无运输引起的损坏、断裂，剔除零部件损坏的 试品，并按规定补足试品数。剔除掉的试品不计入相关失效数r 内。 2 、试验过程中检测 般情况下，在试品每次循环的“接通”期的4 0 时间内与“断开”期的4 0 时间内，应监测试 品的所有触点，监测闭合触点的接触压降及断开触点间的电压。试验过程中不允许对产品进行清理和调 整。 3 、试验后检测 一般情况下，试验后应对所有未失效试品的下列项目进行检查。 外观检查 动作电压 释放电压 接触电阻 绝缘电阻 介质耐压 吸合时间 释放时间 回跳时间 线圈电阻 本论文所论述的继电器可靠性检测装置进行了上面所提到的试验过程中检测，不涉及到试验后检测 4 洞北工业大学硕士学位论文 部分的内容。 ( 三) 、失效判据 当出现下列任意一种情况时，即认为该试品失效： l - 闭合触点的接触压降q 超过下列极限值e a 负载电流为额定电流时，接触压降的极限值( 0 为触点电路开路电压u 。的5 或i o 。 b 负载电流为l o o m a 或l a 时，接触压降的极限值u j 。见表1 1 a 表1 1 触点接触压降的极限值u ， t a b l e1 1t h e h i g h - p o i n t v a l u eu j m o f c o n t a c t v o l t a g e 触点电路负载电流l ( m a ) 触点接触压降的极限值( ，伽( v ) 1 0 00 5 1 0 0 0 1 o 2 断开触点间的电压瓯低于极限值【，一般情况下，阢。应为触点电路开路电压的9 0 。 3 触点发生熔接或其他形式的粘接 4 触点燃弧时间超过o 1 s 。 5 继电器线圈通电时不动作。 6 继电器线圈断电是不返回。 7 试品零部件有破坏性损坏，连接导线及零部件松动。 3 试品在试验后检测中，任一项目的检测结果不符合产品标准的规定。 本试验装置针对失效判据的前两条进行了设计，如出现了试品零部件损坏，继电器线圈通电不动作 或断电不返回等情况，在接下来的试验中也完全可以体现到判据的前两条上面。 卜4 继电器可靠性验证试验的抽样方案 继电器的可靠性验证试验( 失效率试验) 应在实验室内进行，一般情况下，继电器的可靠性验证试 验( 失效率验证) 推荐采用定时或定数截尾试验。 继电器的可靠性验证试验( 失效率试验) 分为定级试验、维持试验与升级试验。定级试验是指为首 次确定产品的失效率等级而进行的试验，或在某一失效率等级的维持试验或升级试验失败后，对产品重 新确定其失效率等级而进行的试验。维持试验是指为证明产品的失效率等级仍不低于定级试验或升级试 验后所确定的失效率等级而进行的试验。升级试验是为了证明产品的失效等级比原定的失效率等级更高 而进行的试验。定级试验和升级试验的置信度取为0 9 其抽样方案见表l2 。维持试验的置信度取为 0 6 ，其抽样方案见表1 3 。 表12 定级试验和升级试验的抽样方案 t a b l e i 2s a m p l ep r o j e c to f f i x - g r a d ea n du p g r a d et e s t 惑10 0l23456789 截尾时间r 彳， ( 。次) 荔淤? y w 0 7 6 81 3 01 7 72 2 32 6 63 0 93 5 13 9 24 3 34 ，8 1 w2 3 03 8 95 3 2 6 6 87 9 9 9 2 71 0 5 31 1 7 7 1 3 01 4 2 l l2 3 03 8 95 3 z6 6 87 9 99 2 7 1 0 5 3 1 1 7 7 1 3 01 4 2 1 q2 3 03 8 95 3 26 6 87 9 99 2 71 0 5 31 1 7 71 3 0 01 4 2 1 表1 3 维持试验的抽样方案 t a b l e l ，3s a m p l ep r o j e c to fm a i n t a i nt e s t 失效率 最大的维持 截尾时间乏( 1 0 6 次 等级周期( 月)4 = o 4 = l 4 = 2 4 = 3 4 = 4 4 = 5 4 = 6 4 = 7 4 = 84 = 9 y w8 0 3 0 60 6 7 3 1 0 31 3 9 1 7 5 2 1 0 2 4 5 2 8 03 1 53 5 0 w 60 9 1 62 0 23 1 04 1 85 2 56 3 07 3 58 4 09 4 4i 0 5 l1 29 1 62 0 23 1 04 1 85 2 56 3 07 3 58 4 o9 4 ，41 0 5 q 2 49 1 62 0 23 1 04 1 8 5 2 5 6 3 07 3 58 4 09 4 41 0 5 0 下面介绍以上两表的确定方法。 根据抽样理论可列出下列关系式，即 砉咩= 声 式中t ：累积相关试验时间； ，：相关失效数； 4 ：允许失效数； 丑：不可接受的失效率； 芦：使用方风险。 式( 1 1 ) 也可用下式表示，即 ，厂o ，2 k + 2 ) 出= ( 1 2 ) 式中f ( x ，2 4 十2 ) ：自由度等于2 爿。+ 2 的z 2 分布的密度函数。 或 显然2 r 就等于自由度为2 4 + 2 的z 2 分布的1 一卢下侧分位点农口( 2 4 + 2 ) ，即 2 4 t = 意口( 2 4 + 2 ) ( i 3 ) 丁：垒! 丝望 2 ( 1 4 ) 若式( 1 4 ) 中的 用所定的失效率等级的最大失效率九。替代，置信度( 1 ) 用0 0 代入，则 有式( 1 4 ) 求得的丁值即为定级试验方案中的截尾时间瓦。对于不同的4 值，可求得相应的t 值 从而可得出表1 2 ；若置信度( 1 一) 用0 6 代入，则由式( 1 4 ) 求得的r 值即为维持试验方案中的截 尾时间瓦，从而可得出表1 3 。 1 - 5 本文的主要工作 小型继电器可靠性研究是电器可靠性研究领域内的一个重要课题。本文在借鉴国内外可靠性研究的 相关成果的基础上，对小型继电器的可靠性进行以下几方面的研究： ( 1 ) 研究继电器可靠性试验中对正弦信号的采集与处理技术。 ( 2 ) 研究试验数据的计算机处理技术。包括了对采集的数字信号进行的快速有效值的计算以及有 效值与门限值的比较判定等。 ( 3 ) 研究计算机控制的继电器可靠性试验设备。 ( 4 ) 研究通过局域网，开发由服务器为核心的可靠性试验控制系统。 7 第二章小型继电器可靠性试验装置的硬件设计 2 - 1 概述 为了研究小型继电器的可靠性，除了要研究其可靠性指标和试验方案之外最关键的还需研制出一 套用来贯彻其可靠性标准的可靠性试验设各。只有这样才能真正地将小型继电器的可靠性研究工作付诸 实施，并且可为小型继电器的生产厂家提供一种提高产品可靠性、增强产品竞争力的有效手段”1 。 2 - 2 试验设备的技术性能要求 本试验设备的主要技术性能要求如下： 1 ) 根据试验的要求，用户可以通过试验设备的应用软件对可靠性试验所涉及的各种参数进行修改 整定。试验过程中对某些试验参数也可以进行修改，如闭合触点的接触压降允许值、打开触点的开路电 压允许值、试验操作频率及试验总操作次数等。 2 ) 每套试验设备最多能同时对2 4 对触点进行可靠性试验。试验开始前连接的这2 4 对触点的触点 型式可以不同。在试验过程中2 4 对触点( 平均分为两组) 的电压值是由两块独立的数据采集卡来进行 采集的，每块卡负责1 2 对触点的采集工作且试验前的参数也是对每组分别进行设置的，所以两组待 测试品的规格可以是不同的，但同组试品必须是同类产品。 3 ) 能自动记录当前试验操作次数：试品发生故障时，试验设备能自动记录失效试品的编号、失效 发生的时间，失效触点的编号及失效类型，失效时采集到的电压值大小以及此触点失效在总操作次数的 第几次；当某一触点的失效次数达到了允许的失效次数时能自动将此触点切除，即当此触点所属继电器 只有这一对被测触点时装置将此继电器切除：失效数据可以进行自动处理；试验暂停或停止后可以进行 失效信息的显示和打印。 4 ) 可靠性试验过程中，试验的操作频率1 一l o o o o 次d , 时范围内可调，占空比可调：试验负载电 压在3 5 0 v 内可调。 5 ) 在进行某一类产品的试验过程中，可以暂停试验并把试验数据转存，转而进行另一类产品的试 验，且在试验结束后可以把先前那一类产品的试验数据调回，继续可靠性检测试验。 6 ) 为了方便设备在安装调试阶段的工作，设备需提供大量的类似_ 丁单台试品线圈回路闭合、单台 试品负载回路闭合等多种操作功能，在很大程度上满足了用户的需求。 7 ) 试验的控制操作简便，人机交互界面良好，用户可由直观的控制菜单和对话框与计算机进行试 验数据传输：除进行参数设置时需要用键盘操作外，试验的其它大部分操作均可由鼠标来控制完成。 8 ) 由服务器可以对多套试验装置进行操作控制，每套试验装置单独可以实现的操作，通过远程控 8 制服务器都能够实现，而且服务器可以回调任一套选中试验装置的试验数据进行浏览打印。因此在很火 程度上减少了人力资源的浪费。 本文所介绍的小型继电器可靠性检测与集中控制系统中，除了服务器外其它的六套设备都有独立的 试验功能，其中有一套试验设备是为在负载电压为直流条件下进行试验而设计的，以后我们就称之为直 流负载试验装置，相反另外的五套试验装置称为交流负载试验装置。无论是在硬件还是软件设计方面它 们都有所不间，相比较之下直流检测装置在硬件和软件设计方面都相对复杂。 2 3 交流负载试验设备的硬件设计 按照有关小型继电器可靠性试验的要求，本文研制出的交流负载条件下小型继电器可靠性试验设 备，如图2 1 所示本试验设备能兼顾到类似结构的各种型号小型继电器进行可靠性试验，具有一定的 通用性。该试验设备已在厦门宏发电声有限公司进行了应用。 图2 1 交流负载下小型继电器可靠性试验设备 f i g2 1 t h et e s t i n ga p p a r a t u so fm i n i a t u r er e l a yt e l i a b i l i t yf o ra c l o a d 小型继电器可靠性交流试验设备主要由三部分组成：试验控制柜，试品柜和试验负载柜。 其中，试验控制柜由工业控制计算机、u p s 、打印机、高性能数据采集卡和数字输入输出记数卡组 成，主要负责完成试验中的所有微机控制与检测工作。试品柜主要由继电器线圈控制同路、继电器输出 负载控制回路以及触点电压采集转换电路组成。试验负载柜可提供多组阻性负载，试验可在电压3 8 0 v 以下、电流1 5 a 以下不同级别进行。 交流试验设备的总结构原理框图如图2 2 所示。 * n “er b l 竺 l ：i 嚣l 图2 2 小型继电器可靠性交流检测设各总结构原理框图 f i g2 2t h et e s t i n ga p p a r a t u s ss c h e m a t i cd i a g r a mo fm i n i a t u r er e l a yr e l i a b i l i t yf o r c 下面就试验设备中主要组成单元的选用及其工作原理进行阐述。 1 主机 试验设备中的主机在整个试验设备中起着神经中枢的作用。所有与锰验相关的控制操作及检测测试 工作均由主机控制完鼢如j 试验参数的发送与接收；试品触点电压的检潮被测继电器线圈回路的接 通；被测继电器输豳麴赣哆雎的接遣j 试验数据的存贮及失效数据盼处理：接收服务器的控制命令以及 向服务器上传数据 辩辩因此，需要慎重选用主机类型。确保其工作的可靠性是保证本试验设备能够可 靠完成试验功能的荚键； 显然在主机的选撵蒜蕊不需要密其菊啡常高的5 b 鐾0 而鼍型臻的是它耍有很高的可靠性。工业p c 机在机箱外壳设计上，具有正压风冷( 由排风扇和抽风扇组成) ，可保持机箱内的正气压冷却效果好，从 而有效地防止温度过高：外壳加有空气过滤器和软盘驱动器的封闭门可有效防止粉尘的进入。而在抗 冲击与振动方面，工业p c 机有特殊的减振压条和缓冲托架。其全钢的封闭外壳则使其可防止电磁干扰， 具有抗干扰能力强的优点。此外，其模块化的结构使硬件的开发根有利。工业p c 机完全能达到本试验 设备在技术方面和可靠性方面的各种要求。鉴于上述原因，本文采用p c 总线标准的工业控制计算机( 以 下简称工控机) 作为本试验设备的主机。 2 ，高性能数据采集卡 一套合理的继电器可靠性检测系统，它应当具备对多个继电器同时进行可靠性检测的功能，而为了 和预先设置好的开路电压允许值，接触压降允许值进行比较又存在着把检测到的多点电压数字量转换 成有效值的问题，这就意味着采集卡在一个工频周期内要连续进行几百次甚至更多的电压采集，这需要 它有很高的采集转换速度。如果采用普通的数据采集卡。即每采集一次电压都要从采集卡的寄存器中读 取数据并进行存储，在w i n d o w s 这种多线程的操作平台下，对于一个可能连续工作几十天并对大量继电 器进行检测的装置来说，很难避免出现错误的数据。 为了选取一个理想的数据采集卡，初期曾对p c l 一8 1 8 l 、p c l 一8 1 8 h g 、a c l - 8 11 3 a 等多种仁进行过大 量的测试。编写程序并对实际电压信号进行采集，并分析采集到的电压与实际电压的大小关系，以及在 不同采集频率下的精度。 1 0 在进行了大量的试验验证分析后选用了离性能带可编程增益的采集卡p c l 一8 1 8 h g ，它完全可以满足 试验的要求。p c l 一8 1 8 h g 主要特性如下： 1 6 路单端或8 路复端模拟输入，开关选择 1 2 位a d 转化，最大达到l o o k i l z 的采样转化速率以及各通道的不同增益选择 软件可选择增益： x0 5 ，1 ，5 ，1 0 ，5 0 ，i 0 0 ，5 0 0 或1 0 0 0 板卡上自带l k 字的先进先出( f i f o ) 缓冲器，软件可选择中断 软件选择模拟输入范围( ) ： 双极性：0 0 0 5 ，0 o l ，0 0 5 ，0 1 ，0 5 ，l ，5 ，1 0 单极性：0 - 0 o l ，0 - 0 1 ，0 - i ，o - 1 0 1 6 位数字输入和1 6 位数字输出，t t l d t l 兼容 一个1 2 位的模拟输出同道 可选择的触发方式：软件触发、可编程步进触发和外部脉冲触发 由程序控制、中断方式或胤a 方式进行的数据传输 新技术1 6 0 针1 _ 0 j m c m o sa s i c 芯片 带可编程增益的高性能数据采集卡p c l - 8 1 8 1 i g 自身提供了一个2 k 字节的f i f o ( 先进先出缓冲器 在所有的采集操作完成后再从缓冲器中读取数据并傲处理，避免出现未及时将寄存器中的数据读出采集 卡便去进行下一次的采集转换而将寄存器中的数据覆盖掉的错误在由程序将p c l - 8 1 8 h g 采集卡驱动 后，所有的采集、转换、存储操作都会独立的完成，最后将需要的数据从f i f o 缓冲器读出即可。并且 p c l 一8 1 8 h g 提供了一个2 0 p i n 的数字输出口，装置利用它来实现对继电器触点回路导通与否的控制。 p c l - 8 1 8 h g 的主要工作如图2 3 所示。 实验中发现p c l - 8 1 8 l 卡与p c l 一8 1 8 h g 在很多性能上都相同，它的最高增益时的转换速度较低，并 且没有数据缓冲器来保存采集转换的数字量，适合于采集通道少、采集周期时间长的应用场合。本课题 每块采集卡需要对1 2 个通道的电压进行采集，每个通道的电压要在 一频周期内采集2 0 个点，采集常的 采集周期为1 1 2 m s ，所以p c l 一8 1 8 l 不能满足要求。p c l 一8 1 8 l 的主要特性为： 1 6 路单端或8 路复端模拟输入，开关选择 1 2 位a d 转化，最大达到4 0 k h z 的采样转化速率以及各通道的不同增益选择 软件可选择增益： 软件选择模拟输入范围( 双极性) ： 由跳线j p 7 选择两组范围 土0 0 0 5 ，0 0 1 ，0 0 5 ，01 ，0 5 ，1 ，5 ，1 0 1 6 位数字输入和1 6 位数字输出，t t l d t l 兼容 一个1 2 位的模拟输出同道 可选择的触发方式：软件触发、可编程步进触发和外部脉冲触发 由程序控制、中断方式或d m a 方式进行的数据传输 新技术1 6 0 针1 0 j m c m o sa s i c 芯片 小型继电器可靠性检测与集中撺制系统 不难发现p c l 一8 1 8 l 与p c l 一8 1 8 h g 最大的不同就是p c l - 8 1 8 l 最大能达到4 0 k h z 的采样转化速率，并 且不提供1 k 字的先进先出( f i f o ) 缓冲器。而p c l - 8 1 8 h g 可以达到i o o k h z 的采样转化速率，板卡上自 带1 k 字的先进先出( f 1 f o ) 缓冲器。正是这两点限制了本课题对p c l 一8 1 8 l 的应用。a c l 一8 1 1 3 a 卡的特 点是支持对3 2 路单端信号进行采集，但是它的采集转换速率同样达不到系统的要求。和p c l - 8 1 8 l 一样 它不支持数据缓存，只能在每次转换结束后立刻将数据取出，大量的占用了系统的资源。 3 ) 数字输入输出计数卡 在试验设备中我们选用p c l 一7 2 0 卡的主要目的是使用它的2 0 p i n 的数字输出端口输出控制信号，以 此通过外围电路来实现对两组继电器线圈回路通断电的控制。此卡正好提供了两个2 0 p i n 的数字输出 口。p c l - 7 2 0 主要特性如下： ，3 2 位数字输入通道 3 2 位数字输出通道 高输出驱动能力 低负载输入 3 通道可编程中断计时器 板上晶振时钟源 为用户提供的扩充电路试验板 功能如图2 3 所示。 工控机对整个设备的控制操作都是通过这两块p c l - 8 1 8 h g 和一块p c l 一7 2 0 来实现的，是检测设备的 重要组成部分。 图2 3 计算机控制电路图 f i g2 3t h ec i r c u ito fc o m p u t e rc o n t r o l 4 ) 继电器线圈回路控制单元 试验进行过程当中，继电器线圈要根据试验操作频率这一参数连续的通断电以保证试验的正常进 行，当某一个试品的所有被测触点的试验均己完毕或达到允许的失效次数，那么这个试品的线圈在以后 的试验中将不再进行通断电操作，即该试品被剔除。其电路原理图如幽2 4 所示。 1 2 图2 4 线圈回路控制单元 f i g2 4t h ec o n t r o lu n i to fc o i nl o o p 从图中我们可以看到，当p c l 一7 2 0 卡的某一位输出为一时( 高电平) 固态继电器的输出端导通， 即直流电源与试品线圈构成的回路导通此时试品韵常开触点闭台、常闭触点打开 这控制单元里所使用的固态继电器是厦门宏发电声有限公司的j g w - 2 f 系列的微型光电绻电器，原 理图如图2 5 所示 图2 53 g w - 2 f 系列固态继电器原理图 f i g2 5e l e m e n t sp i c t u r eo fj g w 一2 fs r 用光电隔离技术实现弱电与强电的隔离，m o s f e 形式输出，可以连接交流负载和直流负载。此继电 器具有很低的通态电阻和通态压降，可用于微小模拟信号控制而不失真。它的数要参数有： ，输入电流范围：5 m a 一2 0 m a 反极性电压： m a x 3 v ，确保关断电流：m a x 0 4 m a 确保接通电流：m a x 5 m a 输出电压范围( 4 7 6 3 h z ) ：5 0 2 6 4 v a c 输出电流：1 5 0 m a 关断时间( m a x ) ：05 m s 接通时间( m a x ) ：03 m s 工作温度范围：一2 0 。c * 8 0 。c 。，。，。， ：型丝皇竺竺耋堡鎏翌主耋土耋型至竺。 详细了解固态继电器的参数指标和各种接线方法对于电路的设计，电阻、电容的选取等都有着非常 重要的作用。本套装置适合于对各种小型电磁继电器进行可靠性检测因此待测试品的线圈同路( 即固 态继电器的输出回路) 的电源既有可能是直流的又有可能是交流的。所以这里采用的是如图2 6 所示的 接线方法。 q 昭越 图2 6 适合交直流负载的固态继电器连线图 f i g2 6c o n n e c t i n gf o ra ca n dd cl o a d i n go fs r 5 ) 继电器输出负载回路控制单元 在试验进行过程中，当某对被检测触点的失效次数达到了允许的失效次数后，与此对触点相连的负 载回路在以后的试验中应不再导遥，避免长时间导电引起的过热或损坏( 触点为常闭情况下) ，功能实 现原理图如图2 7 所示。在工作方式上与继电器线圈回路控制单元相似，不同的是控制继电器输出负载 回路通断的数字信号不是由p c l - 7 2 0 卡的数字输出口输出的，而是由p c l 一8 1 8 1 t g 的数字输出口完成的。 图2 7 负载回路控制单元 f i g2 7 t h ec o n t r o lu n i to fl o a dl o o p 2 - 4 直流负载试验设备的硬件设计 负鼓i2 硬件设计上直流负载试验设备和交流负载试验设备存在着许多不同，但在设备总结构上还是分为试 验控制柜、试品柜和负载柜三部分。 交流试验设备的触点间电压是通过变压器隔离变换后输山给数据采集 的。在直流试验设备中，由 1 4 于连接的是直流负载，很显然这里不能再采用变压器作为电压隔离变换的元器件。这里我们采用的是两 种隔离端子。一种是输入0 3 0 0 v d c 输出o 一5 v d c 它的输出信号作为p c l8 1 8 b g 的输入信号以此获得 触点间的电压值；另种是输入0 2 5 v d c 输出0 5 v d c ，它的输出信号作为触点状态检测卡或叫做比 较器卡( 后面会提到) 的输入信号以此来判断触点目前的状态( 闭合或打开) 。这两种隔离端子的功能 框图如图2 8 所示： 图2 8 隔离端子功能框图 f 螗2 8f u n c t i o nd i a g r a mo fi s o l a t i o nm o d u l e 隔离端子的主要技术参数有： 输入阻抗：电压型：1 0 0 1 ( o ，电流型：2 5 0 0 输出负载电阻：i 1 0 1 ( o 精度：0 2 温度系数： l o o m o ( 5 0 0 v d c ) 绝缘强度：1 0 0 0 v d c 1 分钟 电源：2 4 v d c 1 0 功耗电流： 4 0 m a 隔离端子的应用连接图如图2 9 所示： 圉2 9 隔离端子应期连接图 f i g2 9a p p l i c a t i o nc h a r to fi s o l a t i o nm o d u l e 交流负载试验设备在试验过群中通过p c l 一8 1 8 h g 卜采集触点间的电压值，并把采集到的电压瞬时数 字量转换为有效值同设定的接触压降允许值和开路电压允许值进行比较，以此来判断试品的工作可靠 1 5 性。直流负载试验设备在保留了这一功能的基础上，根据用户的要求义) j h a 了通过比较器卡进行判断的 功能这两种方式的融台，很大程度上克服了他们各自的不足。只通过p c l 一8 1 8 1 t g 卡采集电压进行比较 判断，优点是能记录失效时的电压值，方便我们对继电器性能的进一步分析，缺点是判断准确度不够高， 容易形成误判断；而只采用比较器卡进行触点间电压与门限值的比较的方法，优点是判断精度高，缺点 是当有失效发生时只能记录失效的时间、类型及失效的次数等，而不能记录产生失效的触点间电压值，