地铁屏蔽门继电器在线监测与离线检测研究

周 洋，李中华

(沈阳铁信通铁路器材有限公司，沈阳 110142)

利用新技术和新方法对信号设备进行故障诊断一直是国内外的研究热点[1]。本文详细论述了地铁屏蔽门继电器在线监测和离线检测的方法和区别。在线监测注重于继电器工作状态和劣化趋势的判断，而离线检测更注重于判断继电器所有电气参数是否处在正常的范围之内。

1 在线监测

1.1 系统构成

地铁屏蔽门继电器在线监测系统下位机硬件结构包括：监测屏蔽门继电器状态信号的传感器采集单元；传感器输出信号经过信号整理电路后送入A/D 转换模块单元；传感器输出信号经过电压比较器电路后送入处理器I/O 口的量化单元。下位机最终将继电器实时状态数据通过以太网模块传输至上位机。上位机软件结构包括对地铁屏蔽门状态信号进行分析的数据处理模块、对处理完成的各项数据进行存储的数据库模块、可以随时从数据库模块中调取继电器动作情况的数据查询模块以及和正常工作状态数据进行实时对比的故障判断与报警模块。

1.2 设计实现

1.2.1 传感器布置

信号采集模块中的电流传感器和电压传感器通过电源线缆和信号线缆与地铁屏蔽门系统相连，分别用于采集继电器线圈所在回路和接点所在回路中关键点的电流和电压信息。使用感应式电流传感器与现场的测试回路处于完全隔离状态，当信号系统出现故障时不会影响电流传感器的采集，而当电流传感器出现故障时也不会影响信号系统的正常工作。高阻耦合隔离电压传感器则并接在继电器的线圈和接点所在回路中。闭环式电流传感器穿线布置如图1 所示。

地铁屏蔽门继电器通常是第一级线圈励磁后控制本身继电器的接点，而第二级继电器的线圈串接在第一级继电器的接点回路中，以此类推。

下位机系统可以通过传感器单元对每个继电器的线圈进行采样，这样既可以采集到当前继电器的线圈电流，又可以通过下一个继电器的线圈电流值得知前级继电器接点的状态，实现了对继电器线圈和接点工作状态的全监测[2]。

1.2.2 继电器状态信号量化

地铁屏蔽门继电器的动作先后都是遵循严格的时序逻辑，继电器的释放值和工作值可以作为下位机信号调理电路中电压比较器的阈值。下位机将采集到的继电器开关状态量化成0 或1，发送给上位机进行逻辑判断。上位机可以根据这些继电器的先后动作状态有效分析出是否是一个完整的列车进站、出站过程。如果出现信号缺失，就会判定哪个继电器或线路中的关键点出现问题。

1.2.3 数据传输与数据处理

地铁屏蔽门继电器在线监测数据分为两类，一类监测继电器线圈内电流和电压的实时数据。下位机采用STM32 系列Cotex-M4 微处理器，上位机以200 ms 时间间隔对下位机进行以太网数据请求，上下位机采用TCP 传输层协议，上位机做TCP 客户端，下位机做TCP 服务器。下位机基于Raw/Callback API 接口来实现LwIP 网络编程，Raw/Callback 可以方便地构造出一个服务器对多个客户端的TCP 并发连接[3]。在屏蔽门监测现场，可以实现多台上位机对单台下位机的同时访问。北京地铁10 号线车道沟车站屏蔽门监测系统上位机实时数据采集界面如图2 所示。

图2 上位机实时数据采集界面Fig.2 Interface of real-time data acquisition of upper computer

另一类监测当屏蔽门继电器动作时的动作数据和曲线，简称历史数据。当地铁屏蔽门出现故障时，根据日期和时段可以从数据库中调取历史数据。如图3所示，可以方便查清故障原因和发生时间。系统具备关键数据异地多份存储功能[4]，从而保障数据安全。

图3 上位机历史数据查询界面 Fig.3 Interface of query of historical data of upper computer

如图4 所示，列车从进站到停车再到出站过程中开门继电器和关门继电器动作的电流和电压曲线以及关闭且锁紧信号继电器和互锁解除信号继电器的电流曲线。当列车进站时开门继电器线圈励磁接点吸合，关门继电器线圈失电接点释放，紧接着关闭且锁紧继电器线圈失电接点释放，列车正常开门上下客，停留后，关门继电器线圈励磁接点吸合，开门继电器线圈失电接点释放，关闭且锁紧继电器线圈励磁接点吸合，列车正常关门驶离站台，完成了一次从进站到出站的过程。开门继电器电流和电压信号与关门继电器电流和电压信号严格遵循互锁时序关系。关闭且锁紧继电器的动作与开门和关门继电器的动作存在一定范围的时间差，这个时间一般小于300 ms。当关闭且锁紧继电器突发故障时，工作人员就要在站台端头控制台上手动强制控制互锁解除继电器，保证乘客正常上下车。

图4 继电器动作时线圈内电压和电流变化曲线 Fig.4 Curves of voltage and current changes in relay coils during relay operation

上位机故障预警模块通过对一年内屏蔽门继电器各个监测点的数据曲线分析，可以预判出线路中的继电器是否有劣化倾向。如图5 所示，曲线走势表征继电器线圈中的电流值出现异常。

图5 继电器线圈电流参数劣化曲线Fig.5 Curve of deterioration in parameters of currents in relay coils

2 离线检测

2.1 线圈电阻和接点电阻的测量

安全型继电器的接点通常分为前接点、中间点和后接点。测量时，继电器线圈未励磁时，后接点和中间点吸合，此时需要测量后接点电阻；继电器线圈励磁后，前接点和中间点吸合，此时需要测量前接点电阻。离线检测系统采用四线制方式测量继电器线圈电阻和接点电阻，如图6 所示，其中连接点A 和连接点B 是继电器的线圈或者继电器的一组常开或常闭接点。为了提高测量精度，选用24 位高精度差分A/D 芯片AD7710,在待测继电器线圈或一组接点的每一端各引出两根导线，即一共引出四根导线，其中从待测线圈或一组接点的两端引出的一对引线为待测电阻提供恒定电流，另一对引线把电阻上的电压引至A/D 转换模块的输入通道，即把电阻转换成电压的方式测量，这种四线制电阻测量方式可以完全消除导线对待测电阻的影响，实现线圈和接点电阻的高精度测量。恒流源向被测继电器线圈提供0.1 mA、1 mA、10 mA、100 mA、500 mA 档位的恒定电流，以精确测量10 kΩ、2 kΩ、200 Ω、20 Ω、2 Ω 档位的电阻。恒流源向被测继电器接点提供500 mA 恒定电流，以精确测量50 mΩ 级别的接点电阻。

图6 继电器线圈电阻和接点电阻测量原理Fig.6 Principle for measuring relay coil resistance and contact resistance

2.2 释放值和工作值的测量

离线检测系统的电气参数测量原理如图7 所示，上位机用于显示测量结果，上位机与下位机通过RS-485 光电隔离模块通信，加在继电器线圈上的电压或电流按照程控电源可编程的步长递增或递减。电源转换电路可以实现直流电压的正负变换，用来测量继电器的反向工作值。驱动定位电路可以根据继电器线圈位置，将合适的电压、电流等驱动条件通过继电器插座加到继电器线圈上。继电器线圈上的电压或电流由光电型传感器采集后通过电量变换和信号调整后经过A/D 转换模块送给CPU 控制板处理，继电器接点的吸合或断开等开关量信息也是通过光耦继电器电路传递给CPU 控制板处理。当继电器接点吸合或释放时，CPU 可以及时准确地读出A/D 采集出来的继电器线圈中的电压或电流，从而及时获取到继电器的释放值、工作值等电气参数。为了保证继电器所有接点动作一致，还需要进行接点齐度测量；为了让继电器接点能抵抗外界的震动与冲击，防止接点瞬间离开而造成不安全[5]，还需要对继电器进行接点压力测试。

图7 继电器电气参数测量原理Fig.7 Principle for measuring electrical parameters of relays

3 在线监测和离线检测效果对比

由于测量线圈电阻和接点电阻需要增加很多引线，势必会对地铁原有屏蔽门继电器的运行带来隐患，所以在线监测几乎无法做到对继电器线圈电阻和接点电阻的全部测量。

以地铁屏蔽门继电器JWXC-1700 测量为例，它的释放值不小于3.4 V[6]，在线监测时，如果关门继电器的实际释放值已经达到3 V，虽然关门继电器可以正常释放，但此时已经和开门继电器动作存在一定的时间差，当继电器电气参数持续劣化，这个时间差会逐渐增大，当超过一定的范围时，开门继电器和关门继电器就无法遵循严格的互锁关系，最终导致屏蔽门开关门出现异常。由此可见，只要继电器动作趋势正常，在线监测通常需要很长时间才能发现继电器电气参数的劣化，而离线检测可以快速准确测量出继电器电气参数是否超出正常范围。

4 结论

地铁屏蔽门继电器在线监测侧重于实时数据采集和故障报警。当继电器出现故障时，及时根据故障提示更换新的继电器，避免延误地铁正常运营，事后可以通过调取历史数据查明线路故障原因。离线检测弥补在线监测的测量局限，侧重对现场更换下来的故障继电器电气参数的全面测试。两者的有效结合，避免采用传统上的故障修和定期维修模式[7]，可以根据屏蔽门继电器特性变化状态进行有针对性地维修，减少维保不到位，也不过度维修，即实现对继电器的状态修[8]。