黄一清，冯冬雷
（苏州高等职业技术学校（江苏联合职业技术学院苏州分院） 电子工程系，江苏苏州， 215009）
0 引言
电磁继电器为自动控制电器开关，是一种在满足标准或阈值激励条件下，能于单个或多个电气系统输出电路中发生预定跃变的器件[1]。其广泛应用于医疗设备等领域，可根据规定输入信号动作，实现如影像设备X 射线机、CT 扫描仪等的自动控制、性能保护及远程操作，是电力系统二次回路中极为重要的控制器件。良好的继电器在满足闭合/断开电路基本功能外，一般要求具备接点动作一致、电气特性和时间特性稳定等特点[2]。而随着使用时间的增加，电磁继电器性能也会因触点磨损退化等原因造成不良或功能失效，直接影响医疗设备电气系统运行的可靠性与稳定性[3]，例如继电器故障致使控制电磁锁24V 输出异常将直接导致CT 机扫描床锁死，X 线机在断层摄影和滤线器摄影时高压准备继电器不吸合会致使X 射线无产生，控制电机板继电器触点黏合不放引发人工心肺机血泵停转等[4~5]。因此继电器性能检测显得尤为重要，多数情况下一般在继电器失效前选择更换，然继电器的使用往往与电路环境和外界物理环境因素有关，故继电器运行寿命很难得到准确预估。传统检测方法通常依托电阻测试仪、示波器检测等人工手段以波形观测、人工计时等形式进行，检修效率较低且工序多见繁琐[6]。基于此本文提出了一种电磁继电器性能检测系统，基于西门子PLC和HMI 以时间参数来表征继电器性能，实现对传统人工手段检测方法改善。
1 电磁继电器工作原理分析
电磁继电器作为自动控制系统常用继电器，涵盖电磁和触点两大部分，硬件结构上主要由线圈、铁芯、衔铁、复位弹簧等构成。基于电磁感应原理，在激励信号作用下电磁继电器内部线圈得电产生磁通，经由磁路产生的电磁吸力带动可动衔铁推动常闭/常开触点的离断/闭合，激励信号消失时在弹簧反力作用下衔铁恢复带动继电器回到初始状态[7]。结合电子元器件失效统计结果来看，继电器失效比例仅次于单片机集成电路，究其失效模式主要分为功能失效和参数失效两大类，常见原因包括结构缺陷、触点粘连、触点不良、簧片位移等状况[8]，而这在一定程度上将直接影响继电器吸合或释放时间，故而继电器时间参数是反映其工作特性的一项重要指标。Ye Xuerong 等人[9]早期进行过电磁继电器时间参数的综合测试，不同性能继电器的吸合时间、线圈电流等的获取分析为本方案的设计提供重要依据。本方案中主要涉及时间参数吸合时间、释放时间和回跳时间。
（1）吸合时间
吸合时间根据IEC1/1845/FDIS 标准，是指给予输入激励量瞬间即线圈得电至继电器输出动合触点第一次闭合所经历的时间间隔。而该时间通常受电磁吸合力、触点行程和复位弹簧力三个指标影响[9]，其中电磁吸合力又与继电器线圈分压和内阻有关。因此，不同型号规格的电磁继电器吸合时间不尽相同。一般而言，电磁继电器吸合时间在5~30ms范围内，多见10ms 左右。
（2）释放时间
释放时间主要针对处于动作状态的继电器而言，具体是指输入激励量消失瞬间至继电器输出动合触点断开之间的时间间隔。与前面吸合时间不同的是，释放时间主要受继电器复位弹簧力的影响。正常情况下，继电器释放时间与吸合时间相当。
（3）回跳时间
回跳时间包含吸合回跳合释放回跳时间。由于继电器通常采用弹性机械触点完成线路通断，故触点回跳是继电器在吸合/断开过程中衔铁与铁心、推杆与簧片、触点与触点等相互碰撞所产生的。一般继电器触点回跳时间不得超过1.5ms。
2 继电器时间参数检测系统设计
本检测系统包含检测控制、数据采集通讯部分。系统以西门子PLC 为核心，以CB1241 RS485 板卡作为通讯模块，主要实现继电器激磁线圈的通/断电、继电器触点状态的判断、吸合/释放时间的计算以及与触摸屏之间的数据/控制通讯。检测系统的启停、参数显示均基于合信TP07I 触摸屏来实现。
■2.1 主控单元控制与检测设计
（1）硬件设计
考虑到所选的触摸屏合信TP07I 拥有以太网口，故本系统选择同样具有以太网接口的可编程控制器S7 系列西门子1200 PLC（CPU1215C DC/DC/RLY）。该控制器设计紧凑且具有强大的功能指令集，集合有6 个高速计数器、14 路数字量输入/10数字量输出、2路模拟输入/输出、板载I/O 状态指示等，其中数字输入输出端口已满足系统要求，故无需增加扩展模块。以HHC68B-4Z 固态继电器为例，该继电器技术参数资料显示吸合电压、释放电压直流分别低于75%、10%的额定电压，交流分别低于80%、30%的额定电压，吸合时间不超过15ms，释放时间不超过10ms。硬件结构上该继电器总计14 个引脚，其中9 至12 为触点公共端，1-4 为常闭触点，5-8 为常开触点，13、14 脚为线圈引脚。以1、5、9 一组触点为例，线圈未得电状态下1、9 之间导通，反之5、9 之间导通。基于此本系统中S7-1200 PLC Q0.0 口连接继电器14号引脚，13 号引脚直接接地用以控制磁激线圈的通断电，I0.0-I0.7口分别接继电器1-8 号引脚来检测4 组常闭触点和4 组常开触点的状态，并注意将继电器的4 组公共触点接24V，如图1 所示。以继电器常开触点5 号引脚为例，初始状态下继电器5 号引脚未与9 号引脚接通故该触点为0V，反馈给I0.4 端口低电平信号。当PLC 判别到来自触摸屏的检测信号来时，Q0.0 口直接输出高电平使继电器线圈得电，继电器5 号触点在经过一定动作时间后才会闭合即与9 号引脚接通得到24V，反馈给I0.4端口高电平信号，故可在PLC 相应输入口检测到有信号跃变（由0 至1），经过一段回跳时间最终达到稳定闭合。
图1 主控单元控制与检测接线图
（2）软件设计
合信触摸屏通过PROFINET 接口与西门子PLC 连接，点击触摸屏界面检测按钮，PLC 立即动作响应Q0.0 输出高电平，按照时间参数定义，线圈得电后将启动PLC 保持型接通延时定时器T2n+1、接通延时定时器T2n+2计时，其中n对应到各触点编号进行相应取值。当检测到PLC 相应输入口有上升/下降沿信号时定时器T2n+1暂停，记录T2n+1定时器计时时间即为继电器常开触点的吸合时间或常闭触点的释放时间。吸合回跳时间检测则通过PLCI0.0-I0.7 相应输入口检测有上升沿信号时启动定时器T2n+3计时，当计时值大于3ms 时表明触点已达到稳定吸合状态此时T2n+2、T2n+3计时值的差值即为吸合回跳时间同时断开T2n+2、T2n+3这两个定时器。5s 后PLC Q0.0 口由程序自动给到低电平输出，线圈断电后立即启动保持型接通延时定时器T2n+4，当检测到PLC 相应输入口有下降/上升沿信号时定时器T2n+4暂停，记录T2n+4定时器计时时间为常开触点的释放时间或常闭触点的吸合时间。程序流程图如图2 所示。
图2 时间参数检测流程图
以继电器5 号常开触点为例，使用TIA Portal V15.1 软件进行PLC 源程序的编写和调试。程序编写前先添加设备组态PLC 和通信板卡，注意PLC 地址设置为192.168.0.1，并与电脑IP 地址处于同一网段。相关时间参数检测代码如图3 所示。其中M100.0 连接到触摸屏变量“检测”，并设置为BOOL 类型。Q0.0 定义为线圈，I0.4 为5 号触点状态同样均设为BOOL类 型；M W 2 2 4、M W 2 2 6、MW228 分别定义为吸合时间、释放时间和回跳时间，设置为WORD 类型。触摸屏界面按下检测按键，M100.0 得电，Q0.0立即输出高电平使能保持型定时器T9 和普通定时器T10 计时，当I0.4 检测到上升沿后断开T9计时并记录计时时间，同时使能定时器T11 计时当计时时间超过规定值时记录与T10 计时值之差即为回跳时间。需要注意的是定时器计时值为TIME 类型需要经过T_CONV 功能块转换，转换类型选择TIME TO INT，完成后方可给到各WORD 型变量存储器。
图3 时间参数核心检测代码
■2.2 时间参数采集显示设计
使用MagicWorks HMIV3.9.6 软件绘制电磁继电器时间参数检测界面，为画面的美观性将背景色修改为蓝色。添加触摸屏与PLC 通讯连接，如图4 所示。通讯栏目下选择连接添加PLC 地址即设置从站网络IP 地址为192.168.0.1。
图4 添加触摸屏与PLC 通讯连接
在触摸屏软件通讯栏目下添加触摸屏变量如图5 所示，其中检测和清除变量数据类型为BOOL 类型，并关联触摸屏画面（图6）检测和清除按键。点击按键选择事件中的按下，编辑位选择InvertBit。相关吸合、释放及回跳时间变量数据类型选择INT 类型，注意所有变量均选择连接PLC。触摸屏界面除检测、清除两个按键外，添加有数字域用以显示继电器各触点的相关时间参数，并注意对应关联图5 中所定义好的变量，数据长度可统一设置为7 位，小数位数修改为2 位。
图5 继电器激磁控制和时间参数
图6 继电器时间参数检测触摸屏界面
3 检测系统测试
完成电磁继电器检测系统后，选择一个新采购的HHC68B-4Z 固态继电器和一个从X 射线机所拆下的同型号故障继电器进行性能检测对比，同时并联数字示波器进行检测数据比较分析。经检测发现新采购继电器时间参数仪实测各触点吸合和释放时间基本在9-10ms，符合该型号固态继电器件要求，以5 号常开触点为例，实测吸合时间为9.0ms，释放时间9.0ms，回跳时间1.0ms，同比示波器所测得吸合时间9.4ms，释放时间9.0ms，回跳时间0.8ms。故障继电器实测各触点吸合和释放时间基本在160~190ms 之间，5 号常开触点吸合时间为183ms，释放时间为168ms，回跳时间在32ms，检测结果显示与数字示波器数据基本一致。与数字示波器相比，该继电器时间参数检测系统减少了对继电器吸合或释放信号波形的手动动作捕捉以及相关时间参数的计算，在操作上更具有简便性和直观性。
4 总结
电磁继电器是工业自动控制领域中较为常见的电器开关元件，其性能优劣将直接影响医疗设备领域电气系统运行的可靠性与稳定性，基于此开发本继电器性能测试系统。本系统以西门子S7-1200 PLC 作为控制单元，合信触摸屏TP07I 作为显示单元，通过检测继电器线圈和触点状态开定时器计时方式得到本系统相关时间参数。本系统可以测试电磁继电器的吸合时间、释放时间和吸合回跳时间，以HHC68B-4Z 固态继电器作为检测对象为例，经过实际测试分析与验证，各项功能指标均达到设计预期，所测值与数字示波器检测数据基本一致，且具备可靠性强、数据读取直观等优点。
