CN108766150B - 线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统和方法，系统由数据处理和电磁/固态继电器控制单元、固态继电器阵列单元、增设电磁继电器的线路接线板、上位机、配置导线连接器的接线组成。系统基于关联稀疏矩阵表征接线的拓扑关系，具有通用性；改进设计在现有接线板基础上增设电磁继电器，降低了系统TCO；电磁继电器切断接线桩与器件的连结，隐性多接线转化为显性多接线，对交直流器件均适用；借助接线板与固态继电器阵列的连结架构，即強电实训实验与弱电接线故障诊断的強弱电隔离，减少了实验器材/人员的损坏/伤率；系统具有多接线和漏接线故障的完备诊断功能，最大限度减轻教师工作量，是开放式实训实验的关键支撑技术。

Description

线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统和方法

技术领域

本发明属电气线路接线故障的诊断技术范畴。特指基于关联稀疏矩阵，面向教学实验、线路接线板上增设电磁继电器、弱电接线故障的完备诊断系统和方法。

背景技术

我国的职业教育事业起步较晚，在技能型人才培养方式上，相对德国、美国、日本等发达国家，存在一定的差距，如德国职校生的主要时间是在企业的实践操作和技能训练。我国职教的“校企合作”是短板，实践操作和技能训练更多的还要依赖校内的实训和实验完成，在可预见的相当时间内，这一局面不会得到根本的改观。受实验室空间限制、实验时间约束、实验设备制约、实验员精力局限，职校生只能在有限的课时内，以分组方式进行实验；导致学生操作能力不强，技能差强人意。立足故障检测技术，开创开放实验室先河，为知识技能型人才创造良好的成長环境：使每位职校生有充裕的实验时间、众多的动手操作机会。

参照杭州市XXX技师学院的教学大纲，直流调速课程安排52学时，包含16学时的7个典型实训实验；开环直流调速、直流调速柜、转速负反馈单闭环直流调速、转速负反馈单闭环无静差直流调速、直流调速柜电压负反馈单闭环直流调速、双闭环直流调速、直流调速柜双闭环系统。推进开放实验室，难。目前，执行教学大纲实验，师资己捉襟见肘。以最简单的开环直流调速系统为例，系统涉及29个接线桩的接线，理论上MAX接线方式＝N×(N-1)×0.5＝29×(29-1)×0.5＝406，老师满负荷运转，无余力承担开放实验室。此外，设备损坏率居高不下，根据设备维修记录表和教学日志，一个学期一个班的错接线事故汇总见下表。因此，开发电气线路接线故障的诊断系统是实现开放实验室的必要条件。

XX班直流调速实验的事故统计表

故障诊断系统应遵循：1.通用性。系统针对单一实验，价值有限。2.安全性。強电实训实验与弱电故障诊断的強弱电隔离，必不可少。3.按需设置诊断功能。低/中/高成本对应基本/较完备/完备诊断功能，满足减轻/进一步减轻/最大限度减轻教师工作量。实验时的错误接线按错误的性质分为多/漏接线故障。若两接线桩之间存在器件形成的通路，该通路将掩盖两接线桩间可能的多接线故障，即所谓的隐性多接线故障。若错误的多接线在两接线桩之间构成通路，该通路将掩盖两接线桩间可能的漏接线故障，所即谓的隐性漏接线故障。

诊断多接线故障的难点是隐性多接线故障，两接线桩间的器件通路与错误多接线是并联关系；解决方案：借助开关装置切断接线桩与器件的连结，隐性多接线故障转化为易诊断的显性多接线故障。可供选择的开关装置优缺点如下：

a)固态继电器SSR。MCU、FPGA输出小信号，SSR直接放大小信号，系统复杂度和成本降低；SSR光电隔离，保证电路的可靠性与安全；无触点开关速度快，噪声低，能耗低，抗干扰能力强。因此，故障诊断系统与实验系统的直流连接/切断装置PK，SSR胜出。但是，接线桩与器件的交(直)流连接/切断装置PK，SSR两可；因为器件可能是直流、也可能是交流，更多的是部分直流、部分交流；SSR固有的交(直)流专用特性，导致诊断系统有效性变差。

b)电磁继电器。优点：交直流通用。但触点和负载产生的谐波会干扰系统，MCU、FPGA一般无法直接控制。接线桩与器件的连接/切断可采用常开(闭)触点的继电器实现，也可采用转换触点的继电器；前者简单，缺点是实验和诊断接线在同一接线桩，后者复杂，实验和诊断接线在不同的接线桩有助减少出错。

诊断漏接线故障的难点是隐性漏接线故障，错误的多接线在两接线桩之间构成通路，该通路使漏接线的两接线桩连通；解决方案：借助开关装置切断接线桩与“多接线”的连结；考虑到接线桩理论上的进出接线复杂度为M×N，“开关”实现的复杂度太大；替代方案：接线上配开关装置，即采用配置导线连接器的接线。电气线路接线故障诊断系统方面较有代表性的研究成果综述如下：

c)王峰，现代单片机的电气控制线路接线故障诊断系统分析[J].科技展望，2015.(8)：74.郑发泰，基于单片机的电气控制线路接线故障诊断系统[J].现代电子技术，2010.(13)：156-159.提出节点切换矩阵通过继电器将接线板电器接线桩接至检测总线，借助译码电路，单片机判接线板上两接线桩间有无导线相连。

d)发明专利“接线诊断及纠错方法、装置和多路温控通道控制系统”(ZL200810223588.1)，提出采集各路温控通道的温度，根据各路温控通道的温度变化情况，判断不同温控通道之间是否存在接线交叉问题。

e)发明专利“一种三相三线电能表错误接线判断方法”(ZL201310449397.8)，提出测量三相两元件电能表的参数，通过相量图比对判断接线。

上述有益探索，是接线故障诊断方面研究成果的综述；面向教学实验，改进设计现有电气线路接线板，与強电实训实验強弱电隔离的通用故障诊断系统至今无人涉足；因此，有必要在现有成果的基础上，作进一步的创新设计。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统，该系统由数据处理和电磁/固态继电器控制单元、固态继电器阵列单元、增设电磁继电器的电气线路接线板、上位机、配置导线连接器的接线组成；数据处理和电磁/固态继电器控制单元与上位机、固态继电器阵列单元相连，固态继电器阵列单元与增设电磁继电器的电气线路接线板相连；增设电磁继电器的电气线路接线板是对现有电气线路接线板的改进，现有电气线路接线板是开环直流调速系统的专用实验器材，其正面布置电子元器件、接线桩，通过对接线桩的接线，完成开环直流调速系统的实验；现有电气线路接线板包括三相整流变压器T，六只晶闸管VT1～VT6，直流调速电动机M；变压器的原边和副边均采用“Y”型接法；六只晶闸管中的VT1、VT3、VT5共阴极连接，VT4、VT6、VT2共阳极连接，构成经典的桥臂串联式整流器；晶闸管整流后输出直流，供直流调速电动机M使用；现有电气线路接线板配置接线桩①、接线桩②、逐一按序递增至接线桩

合计配置29根接线桩；增设电磁继电器的电气线路接线板，其接线故障根据故障性质分为漏接线故障和多接线故障；

增设电磁继电器的电气线路接线板为增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板，或为增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板；从接线桩～器件的电路通断视角考量，接线桩～器件的电路结构有三种类型：跨接在两接线桩间的器件构成两接线桩通路的I型电路结构，跨接在两接线桩间的器件不构成两接线桩通路的II型电路结构，两接线桩间无跨接器件的III型电路结构；增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板仅对I型电路结构，在接线桩与器件之间插入一只常开触点电磁继电器，增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板仅对I型电路结构，在接线桩与器件之间插入一只转换触点电磁继电器，即改进现有电气线路接线板的I型电路结构，获增设电磁继电器的电气线路接线板；配置导线连接器的接线，每条接线包括两段导线，两段导线通过插接式单线连接器组成一条接线；

接线桩与接线的拓扑关系，借助关联稀疏矩阵描述；因接线的无方向特性，故关联稀疏矩阵蜕变为上对角矩阵，矩阵N×N，N≥2；关联稀疏矩阵采用行、列、值三元组(i，j，v)表征，1≤i≤N，i+1≤j≤N；

三元组的值定义：

v＝1，i接线桩和j接线桩需接线；

v＝0，i接线桩和j接线桩无需接线；

v＝2，i接线桩和j接线桩无需接线，现有电气线路接线板的接线桩间存在器件形成的通路，增设电磁继电器的电气线路接线板中v＝2与v＝0等价；

v＝x，关联稀疏矩阵主对角线元素(i，j，v)的值，1≤i≤N、j＝i；

其中，i值＝增设电磁继电器的电气线路接线板的接线桩序号，接线故障诊断时，围绕关联稀疏矩阵主对角线特定的元素i，即对应序号i接线桩按序诊断，x无接线桩与接线的拓扑关系；

例如，(3，3，x)：主对角线第3个元素，对应第3接线桩，不涉及接线

(3，6，1)：第3、6接线桩需接线

(3，10，0)：第3、10接线桩无需接线

(3，5，2)：第3、5接线桩无需接线，现有电气线路接线板存在可能的隐性多接线；增设电磁继电器的电气线路接线板，可能的隐性多接线转化为显性多接线，在增设电磁继电器的电气线路接线板中，v＝2与v＝0等价；

上位机采用三元组描述关联稀疏矩阵时，舍弃v＝x的三元组；v＝0和2的三元组作为缺省元组处理，亦舍弃之，但数据处理和电磁/固态继电器控制单元用v＝0插入补充舍弃的缺省元组、即生成上位机舍弃的v＝0和2三元组；上位机采用三元组描述关联稀疏矩阵时，也可取消v＝2的数值选项，直接用v＝0取代。

所述的数据处理和电磁/固态继电器控制单元包括数据处理模块、电磁/固态继电器控制模块，数据处理模块以STM32F407芯片为核心，电磁/固态继电器控制模块以EP2C8Q208C8芯片为核心；数据处理模块通过UART接口与上位机相连；STM32F407的脚PE8、PE9、PE10、PE11、PE12分别与EP2C8Q208C8的脚D1、D2、D3、D4、D5相连，STM32F407的脚[PF0，PF7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D6，D13]相连，STM32F407的脚[PE0，PE7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D14，D21]相连；EP2C8Q208C8的脚[D22，D85]分别与固态继电器阵列单元的FPGAIO_[1，64]端子相连，EP2C8Q208C8的脚D86、D87分别与固态继电器阵列单元的FPGAIO₈₆、FPGAIO₈₇端子相连。

所述的增设电磁继电器的电气线路接线板含K个I型电路，1≤K≤N，N≥1，电磁继电器具有常开触点或转换触点的两种可选技术方案；

增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板，包括常开触点I型电路1、常开触点I型电路2、逐一按序递增至常开触点I型电路K；常开触点I型电路1由接线桩_i1、常开触点电磁继电器_i1、器件_i1组成，常开触点电磁继电器的型号为SLA-5VDC-SL-A；切断接线桩_i1与器件_i1的连线，接线桩_i1与SLA-5VDC-SL-A的C端口相连，SLA-5VDC-SL-A的D端口与器件i1相连，SLA-5VDC-SL-A的A端口与FPGAIO_Y端子相连，SLA-5VDC-SL-A的B端口经R_i1接地；接线桩_i1供学生实验接线，接线桩_i1接入固态继电器阵列单元的第i1固态继电器用于故障诊断；若FPGAIO_Y端子高电平，SLA-5VDC-SL-A的线圈得电、常开触点D闭合、器件_i1经闭合的常开触点D与接线桩_i1连通，进入实验状态，反之进入诊断状态；常开触点I型电路2～常开触点I型电路K，其组成、连接关系和工作流程，与常开触点I型电路1类同；

增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板，包括转换触点I型电路1、转换触点I型电路2、逐一按序递增至转换触点I型电路K；转换触点I型电路1由接线桩_j1、转换触点电磁继电器_j1、接线柱_j1、器件_j1组成，转换触点电磁继电器的型号为SLA-5VDC-SL-C；切断接线桩_j1与器件_j1的连线，接线桩_j1与SLA-5VDC-SL-C的C端口相连，SLA-5VDC-SL-C的E端口与器件_j1相连，SLA-5VDC-SL-C的A端口与FPGAIO_Y端子相连，SLA-5VDC-SL-C的B端口经R_j1接地，SLA-5VDC-SL-C的D端口接入接线柱_j1；接线桩_j1供学生实验接线，接线柱_j1接入固态继电器阵列单元的第j1固态继电器用于故障诊断；若FPGAIO_Y端子高电平，SLA-5VDC-SL-C的线圈得电、常闭触点D打开、常开触点E闭合，器件_j1经闭合的常开触点E与接线桩_j1连通，进入实验状态，反之进入诊断状态，即诊断系统经接线柱_j1、闭合的常闭触点D与接线桩_j1连通；转换触点I型电路2～转换触点I型电路K，其组成、连接关系和工作流程，与转换触点I型电路1类同。

所述的固态继电器阵列单元包括第1固态继电器、第2固态继电器、逐一按序递增至第64固态继电器，以及增设电磁继电器的驱动模块、固态继电器阵列的驱动模块，固态继电器的型号为SDE3005D；

增设电磁继电器的驱动模块、固态继电器阵列的驱动模块以固态继电器SDE3005D为核心；驱动模块SDE3005D的脚1经R₂₉₈接V_CC、脚3接+5V，脚2接FPGAIO₈₇端子，脚4接FPGAIO_Y端子，FPGAIO_Y端子经R_Y接地；驱动模块SDE3005D的脚1经R₂₉₉接V_CC、脚3接V_CC，脚2接FPGAIO₈₆端子，脚4接FPGAIO_X端子，FPGAIO_X端子经R_X接地；

第1固态继电器的脚1经R₂₀₁接V_CC，脚2接第1固态继电器的FPGAIO_X端子，脚4接FPGAIO₁端子，脚3与增设电磁继电器的电气线路接线板的接线桩①相连，如果接线桩①属转换触点I型电路，则脚3与增设电磁继电器的电气线路接线板的接线柱①相连；逐一按序递增至第64固态继电器264，其组成和连接关系均与第1固态继电器类同；

电磁/固态继电器控制模块的EP2C8Q208C8脚D86输出高电平，驱动模块的固态继电器打开，串联的64个FPGAIO_X端子低电平，第1～64固态继电器闭合，EP2C8Q208C8的64个IO口、分别经64个固态继电器的脚4和3、与增设电磁继电器的电气线路接线板的64根接线桩或柱、一一对应连通，进入增设电磁继电器的接线故障诊断诊断流程；电磁/固态继电器控制模块的EP2C8Q208C8脚D87输出高电平，驱动模块的固态继电器打开，FPGAIO_Y端子低电平，增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板的FPGAIO_Y端子低电平，SLA-5VDC-SL-A的线圈失电、常开触点D打开、器件_i1被打开的常开触点D切断与接线桩_i1连通，进入故障诊断状态；增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板的FPGAIO_Y端子低电平，SLA-5VDC-SL-C的线圈失电、常闭触点D闭合、常开触点E打开，器件_j1被打开的常开触点E切断与接线桩_j1连通，可能的隐性多接线转化为显性多接线，进入故障诊断状态；反之，固态继电器控制模块的EP2C8Q208C8脚D86、D87输出低电平，FPGAIO_X和FPGAIO_Y端子高电平，64个固态继电器切断与增设电磁继电器的电气线路接线板的连接，接线桩与器件相连，进入实验状态。

所述接线故障诊断方法的流程包括接线故障诊断方法的准备流程，接线故障诊断方法的运行流程；

接线故障诊断方法的准备流程如下：

⑴设定接线故障诊断系统的诊断参数

增设电磁继电器的电气线路接线板的接线桩序号/总数N；

生成除主对角线元素为x的、全0上对角关联稀疏矩阵_N×N；

相同序号的固态继电器脚3与接线桩或柱一一对应相连；

⑵建立关联稀疏矩阵

基于接线桩与接线的拓扑关系，逐行逐列设定v值；

v＝1/0或2，桩间需/无需接线(桩间无或存在器件通路，取0或2)；

核查是否遗漏需要增设的电磁继电器，v＝2用v＝0替代；

⑶生成故障诊断的三元组(i，j，v)

关联稀疏矩阵v＝1元素，逐行逐列按序生成三元组(i，j，v)；

上位机下发按序生成的三元组(i，j，v)；

数据处理模块插入补充v＝0元素对应的三元组(i，j，v)；

电磁/固态继电器控制模块读故障诊断三元组(i，j，v)；

接线故障诊断方法的运行流程如下：

⑴接线故障检测

EP2C8Q208C8脚D86、D87输出高电平；

故障诊断三元组(i，j，v)逐行(1≤i≤N-1)，EP2C8Q208C8脚D21+i输出高电平；逐列(i+1≤j≤N)EP2C8Q208C8脚D21+j输入电压；

采集输入电压存检测三元组(ii，jj，vv)，三元组的值定义：

vv＝1000、低电平，接线桩ii与接线桩jj无接线；

vv＝1111、高电平，接线桩ii与接线桩jj存在接线；

⑵接线故障诊断

故障诊断三元组(i，j，v)与检测三元组(ii，jj，vv)逐行逐列比对；

Case1：v＝0，vv＝1000，无需接线且未接线；

Case2：v＝0，vv＝1111，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：

vvv＝9110011、多接线，无需接线但接线；

Case3：v＝1，vv＝1111，需接线且接线；

Case4：v＝1，vv＝1000，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：

vvv＝9001100、漏接线，需接线但未接线；

⑶隐性漏接线故障诊断

if错误三元组(iii，jjj，vvv)的vvv≠9110011，转⑷；

else读故障诊断三元组(i，j，1)

多接线故障汇总

相应接线的导线连接器分离

启动“⑴接线故障检测”和“⑵接线故障诊断”；

⑷诊断结果处理

错误三元组(iii，jjj，vvv)上传上位机；

进入后续实验或排除故障；

实验时EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出高电平；

实验时EP2C8Q208C8脚D86、D87输出低电平。

本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统，基于关联稀疏矩阵表征电气线路接线的拓扑关系，具有通用性；改进设计在现有电气线路接线板基础上增设电磁继电器，降低了诊断系统的TCO；采用电磁继电器切断接线桩与器件的连结，隐性多接线故障转化为显性多接线故障，而且对交直流器件均适用；借助增设电磁继电器的电气线路接线板与固态继电器阵列的连结架构，即強电实训实验与弱电接线故障诊断的強弱电隔离，减少了实验器材/人员的损坏/伤率；系统具有多接线和漏接线故障的完备诊断功能，最大限度减轻教师工作量，是开放式实训实验的关键支撑技术和设备。

附图说明

图1(a)是接线故障诊断系统的原理框图；

图1(b)是开环直流调速系统电气安装的接线图；

图1(c)是增设常开触点电磁继电器的线路接线板形式化结构图；

图1(d)是增设转换触点电磁继电器的线路接线板形式化结构图；

图1(e)是配置插接式单线连接器的接线结构图；

图1(f)是开环直流调速系统接线拓扑的关联稀疏矩阵；

图2是数据处理和电磁/固态继电器控制单元的电路图；

图3是增设常开/转换触点电磁继电器的线路接线板电路图；

图4是固态继电器阵列单元的电路图；

图5(a)是增设电磁继电器的接线故障诊断方法流程图；

图5(b)是增设电磁继电器的接线故障诊断方法准备流程图；

图5(c)是增设电磁继电器的接线故障诊断方法运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1(a)、图1(b)、图1(c)、图1(d)、图1(e)、图1(f)所示，线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统由数据处理和电磁/固态继电器控制单元100、固态继电器阵列单元200、增设电磁继电器的电气线路接线板300、上位机400、配置导线连接器的接线500组成；数据处理和电磁/固态继电器控制单元100与上位机400、固态继电器阵列单元200相连，固态继电器阵列单元200与增设电磁继电器的电气线路接线板300相连；增设电磁继电器的电气线路接线板300是对现有电气线路接线板的改进，现有电气线路接线板是开环直流调速系统的专用实验器材，其正面布置电子元器件、接线桩，通过对接线桩的接线，完成开环直流调速系统的实验；现有电气线路接线板包括三相整流变压器T，六只晶闸管VT1～VT6，直流调速电动机M；变压器的原边和副边均采用“Y”型接法；六只晶闸管中的VT1、VT3、VT5共阴极连接，VT4、VT6、VT2共阳极连接，构成经典的桥臂串联式整流器；晶闸管整流后输出直流，供直流调速电动机M使用；现有电气线路接线板配置接线桩①、接线桩②、逐一按序递增至接线桩

合计配置29根接线桩；增设电磁继电器的电气线路接线板300，其接线故障根据故障性质分为漏接线故障和多接线故障；

增设电磁继电器的电气线路接线板300为增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板310，或为增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板320；从接线桩～器件的电路通断视角考量，接线桩～器件的电路结构有三种类型：跨接在两接线桩间的器件构成两接线桩通路的I型电路结构，跨接在两接线桩间的器件不构成两接线桩通路的II型电路结构，两接线桩间无跨接器件的III型电路结构；增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板310仅对I型电路结构，在接线桩与器件之间插入一只常开触点电磁继电器，增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板320仅对I型电路结构，在接线桩与器件之间插入一只转换触点电磁继电器，即改进现有电气线路接线板的I型电路结构，获增设电磁继电器的电气线路接线板300；配置导线连接器的接线500，每条接线包括两段导线，两段导线通过插接式单线连接器组成一条接线；

接线桩与接线的拓扑关系，借助关联稀疏矩阵描述；因接线的无方向特性，故关联稀疏矩阵蜕变为上对角矩阵，矩阵N×N，N≥2；关联稀疏矩阵采用行、列、值三元组(i，j，v)表征，1≤i≤N，i+1≤j≤N；

三元组的值定义：

v＝1，i接线桩和j接线桩需接线；

v＝0，i接线桩和j接线桩无需接线；

v＝2，i接线桩和j接线桩无需接线，现有电气线路接线板的接线桩间存在器件形成的通路，增设电磁继电器的电气线路接线板300中v＝2与v＝0等价；

v＝x，关联稀疏矩阵主对角线元素(i，j，v)的值，1≤i≤N、j＝i；

其中，i值＝增设电磁继电器的电气线路接线板300的接线桩序号，接线故障诊断时，围绕关联稀疏矩阵主对角线特定的元素i，即对应序号i接线桩按序诊断，x无接线桩与接线的拓扑关系；

例如，(3，3，x)：主对角线第3个元素，对应第3接线桩，不涉及接线；

(3，6，1)：第3、6接线桩需接线；

(3，10，0)：第3、10接线桩无需接线；

(3，5，2)：第3、5接线桩无需接线，现有电气线路接线板存在可能的隐性多接线；增设电磁继电器的电气线路接线板300，可能的隐性多接线转化为显性多接线，在增设电磁继电器的电气线路接线板300中，v＝2与v＝0等价；

上位机400采用三元组描述关联稀疏矩阵时，舍弃v＝x的三元组；v＝0和2的三元组作为缺省元组处理，亦舍弃之，但数据处理和电磁/固态继电器控制单元100用v＝0插入补充舍弃的缺省元组、即生成上位机400舍弃的v＝0和2三元组；上位机400采用三元组描述关联稀疏矩阵时，也可取消v＝2的数值选项，直接用v＝0取代。

说明1：考虑内容的完整性，简述了现有电气线路接线板的组成和结构，以及上位机400。鉴于现有电气线路接线板和上位机400是成熟产品，属公知知识范畴，故文中只提及但不展开论述；简述和公知知识范畴的内容，图中用虚线标注加以区分。线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统不仅提供多接线故障的完备诊断功能，而且提供漏接线故障的完备诊断功能，包括隐性漏接线故障的诊断功能。例如，星形接法要求接线桩O、A、B、C进行OA、OB、OC接线；若错接为OA、AB、BC，多接线AB、BC故障，掩盖了隐性漏接线OB、OC故障。诊断策略1是，对多接线故障排列组合：AB、BC、AB和BC，逐一剔除多接线的3种组合，诊断每种多接线故障及可能掩盖的隐性漏接线故障；诊断策略2是，剔除全部多接线故障，诊断多接线故障可能掩盖的隐性漏接线故障；用户按需选择策略1或2，本文采用策略2。

线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统，接线桩与接线的拓扑关系，借助关联稀疏矩阵描述，v＝2可直接用v＝0代之。引入v＝2，便于核查是否遗漏需要增设的电磁继电器；以接线桩②为例，与接线桩③、④、⑥、⑦、⑧、⑨存在器件形成的通路，接线桩②通过“接线”与接线桩⑤相连，接线桩⑤与器件相连，故在接线桩⑤与器件之间插入电磁继电器，关联稀疏矩阵第二行的6个“2”转化为6个“0”。

如图2所示，数据处理和电磁/固态继电器控制单元100包括数据处理模块110、电磁/固态继电器控制模块120，数据处理模块110以STM32F407芯片为核心，电磁/固态继电器控制模块120以EP2C8Q208C8芯片为核心；数据处理模块110通过UART接口与上位机400相连；STM32F407的脚PE8、PE9、PE10、PE11、PE12分别与EP2C8Q208C8的脚D1、D2、D3、D4、D5相连，STM32F407的脚[PF0，PF7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D6，D13]相连，STM32F407的脚[PE0，PE7]分别与EP2C8Q208C8的脚[D14，D21]相连；EP2C8Q208C8的脚[D22，D85]分别与固态继电器阵列单元200的FPGAIO_[1，64]端子相连，EP2C8Q208C8的脚D86、D87分别与固态继电器阵列单元200的FPGAIO₈₆、FPGAIO₈₇端子相连。

如图3所示，增设电磁继电器的电气线路接线板300含K个I型电路，1≤K≤N，N≥1，电磁继电器具有常开触点或转换触点的两种可选技术方案；

增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板310，包括常开触点I型电路1 311、常开触点I型电路2 312、逐一按序递增至常开触点I型电路K 31K；常开触点I型电路1 311由接线桩_i1、常开触点电磁继电器_i1、器件_i1组成，常开触点电磁继电器的型号为SLA-5VDC-SL-A；切断接线桩_i1与器件_i1的连线，接线桩_i1与SLA-5VDC-SL-A的C端口相连，SLA-5VDC-SL-A的D端口与器件i1相连，SLA-5VDC-SL-A的A端口与FPGAIO_Y端子相连，SLA-5VDC-SL-A的B端口经R_i1接地；接线桩_i1供学生实验接线，接线桩_i1接入固态继电器阵列单元200的第i1固态继电器用于故障诊断；若FPGAIO_Y端子高电平，SLA-5VDC-SL-A的线圈得电、常开触点D闭合、器件_i1经闭合的常开触点D与接线桩_i1连通，进入实验状态，反之进入诊断状态；常开触点I型电路2 312～常开触点I型电路K 31K，其组成、连接关系和工作流程，与常开触点I型电路1311类同；

增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板320，包括转换触点I型电路1 321、转换触点I型电路2 322、逐一按序递增至转换触点I型电路K 32K；转换触点I型电路1 321由接线桩_j1、转换触点电磁继电器_j1、接线柱_j1、器件_j1组成，转换触点电磁继电器的型号为SLA-5VDC-SL-C；切断接线桩_j1与器件_j1的连线，接线桩_j1与SLA-5VDC-SL-C的C端口相连，SLA-5VDC-SL-C的E端口与器件_j1相连，SLA-5VDC-SL-C的A端口与FPGAIO_Y端子相连，SLA-5VDC-SL-C的B端口经R_j1接地，SLA-5VDC-SL-C的D端口接入接线柱_j1；接线桩_j1供学生实验接线，接线柱_j1接入固态继电器阵列单元200的第j1固态继电器用于故障诊断；若FPGAIO_Y端子高电平，SLA-5VDC-SL-C的线圈得电、常闭触点D打开、常开触点E闭合，器件_j1经闭合的常开触点E与接线桩_j1连通，进入实验状态，反之进入诊断状态，即诊断系统经接线柱_j1、闭合的常闭触点D与接线桩_j1连通；转换触点I型电路2 322～转换触点I型电路K 32K，其组成、连接关系和工作流程，与转换触点I型电路1 321类同。

说明2：常开/转换触点电磁继电器方案，各有优缺点：前者简单，缺点是实验和诊断接线在同一接线桩，后者复杂，优点是实验和诊断接线在不同的接线桩、接线柱，有助减少出错。

如图4所示，固态继电器阵列单元200包括第1固态继电器201、第2固态继电器202、逐一按序递增至第64固态继电器264，以及增设电磁继电器的驱动模块298、固态继电器阵列的驱动模块299，固态继电器的型号为SDE3005D；

增设电磁继电器的驱动模块298、固态继电器阵列的驱动模块299以固态继电器SDE3005D为核心；驱动模块298SDE3005D的脚1经R₂₉₈接V_CC、脚3接+5V，脚2接FPGAIO₈₇端子，脚4接FPGAIO_Y端子，FPGAIO_Y端子经R_Y接地；驱动模块299SDE3005D的脚1经R₂₉₉接V_CC、脚3接V_CC，脚2接FPGAIO₈₆端子，脚4接FPGAIO_X端子，FPGAIO_X端子经R_X接地；

第1固态继电器201的脚1经R₂₀₁接V_CC，脚2接第1固态继电器201的FPGAIO_X端子，脚4接FPGAIO₁端子，脚3与增设电磁继电器的电气线路接线板300的接线桩①相连，如果接线桩①属转换触点I型电路，则脚3与增设电磁继电器的电气线路接线板300的接线柱①相连；逐一按序递增至第64固态继电器264，其组成和连接关系均与第1固态继电器201类同；

电磁/固态继电器控制模块120的EP2C8Q208C8脚D86输出高电平，驱动模块299的固态继电器打开，串联的64个FPGAIO_X端子低电平，第1～64固态继电器闭合，EP2C8Q208C8的64个IO口、分别经64个固态继电器的脚4和3、与增设电磁继电器的电气线路接线板300的64根接线桩或柱、一一对应连通，进入增设电磁继电器的接线故障诊断诊断流程；电磁/固态继电器控制模块120的EP2C8Q208C8脚D87输出高电平，驱动模块298的固态继电器打开，FPGAIO_Y端子低电平，增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板310的FPGAIO_Y端子低电平，SLA-5VDC-SL-A的线圈失电、常开触点D打开、器件_i1被打开的常开触点D切断与接线桩_i1连通，进入故障诊断状态；增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板320的FPGAIO_Y端子低电平，SLA-5VDC-SL-C的线圈失电、常闭触点D闭合、常开触点E打开，器件_j1被打开的常开触点E切断与接线桩_j1连通，可能的隐性多接线转化为显性多接线，进入故障诊断状态；反之，固态继电器控制模块120的EP2C8Q208C8脚D86、D87输出低电平，FPGAIO_X和FPGAIO_Y端子高电平，64个固态继电器切断与增设电磁继电器的电气线路接线板300的连接，接线桩与器件相连，进入实验状态。

说明3：不失一般性，固态继电器阵列单元200配置64个固态继电器；开环直流调速实验涉及29根接线桩，故只需使用64个固态继电器中的29只。如实验的接线桩数量＞64，增加一块固态继电器阵列单元即可；另一方面，中等规模FPGA供用户使用的IO口数量≥300，而实验需要接线桩数量＞256的情况难得一见；此外，MCU支持多块FPGA，故电气线路接线故障的诊断系统具有可扩展性。

鉴于实训实验的接线操作者是学生，故障诊断的接线操作者是老师，原则上增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板320的两类接线分开为宜；前者借助接线桩接线完成实验，后者通过接线柱与64个固态继电器相连进行故障诊断：实验和诊断在不同的接线桩、接线柱上接线，有助减少出错。另一方面，实验和诊断的接线可以全部接在接线桩上，缺点是不利减少出错，安全性也受影响。

如图5(a)、图5(b)、图5(c)所示，线路接线板上增设电磁继电器的、接线故障诊断方法流程包括接线故障诊断方法的准备流程，接线故障诊断方法的运行流程；

接线故障诊断方法的准备流程如下：

⑴设定接线故障诊断系统的诊断参数

增设电磁继电器的电气线路接线板300的接线桩序号/总数N；

生成除主对角线元素为x的、全0上对角关联稀疏矩阵_N×N；

相同序号的固态继电器脚3与接线桩或柱一一对应相连；

⑵建立关联稀疏矩阵

基于接线桩与接线的拓扑关系，逐行逐列设定v值；

v＝1/0或2，桩间需/无需接线(桩间无或存在器件通路，取0或2)；

核查是否遗漏需要增设的电磁继电器，v＝2用v＝0替代；

⑶生成故障诊断的三元组(i，j，v)

关联稀疏矩阵v＝1元素，逐行逐列按序生成三元组(i，j，v)；

上位机400下发按序生成的三元组(i，j，v)；

数据处理模块110插入补充v＝0元素对应的三元组(i，j，v)；

电磁/固态继电器控制模块120读故障诊断三元组(i，j，v)；

接线故障诊断方法的运行流程如下：

⑴接线故障检测

EP2C8Q208C8脚D86、D87输出高电平；

故障诊断三元组(i，j，v)逐行(1≤i≤N-1)，EP2C8Q208C8脚D21+i输出高电平；逐列(i+1≤j≤N)EP2C8Q208C8脚D21+j输入电压；

采集输入电压存检测三元组(ii，jj，vv)，三元组的值定义：

vv＝1000、低电平，接线桩ii与接线桩jj无接线；

vv＝1111、高电平，接线桩ii与接线桩jj存在接线；

⑵接线故障诊断

故障诊断三元组(i，j，v)与检测三元组(ii，jj，vv)逐行逐列比对

Case1：v＝0，vv＝1000，无需接线且未接线；

Case2：v＝0，vv＝1111，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：

vvv＝9110011、多接线，无需接线但接线；

Case3：v＝1，vv＝1111，需接线且接线；

Case4：v＝1，vv＝1000，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：

vvv＝9001100、漏接线，需接线但未接线；

⑶隐性漏接线故障诊断

if错误三元组(iii，jjj，vvv)的vvv≠9110011，转⑷；

else读故障诊断三元组(i，j，1)

多接线故障汇总

相应接线的导线连接器分离

启动“⑴接线故障检测”和“⑵接线故障诊断”

⑷诊断结果处理

错误三元组(iii，jjj，vvv)上传上位机400；

进入后续实验或排除故障；

实验时EP2C8Q208C8脚[D86，D149]输出高电平；

实验时EP2C8Q208C8脚D86、D87输出低电平。

说明4：考虑表述的简洁性，“诊断结果处理”只提及未展开论述；“诊断结果处理”原则上根据教学规章，与教学考察评分和实验室管理系统集成。

Claims (2)

1.一种线路接线板上增设电磁继电器的接线故障诊断系统，其特征在于，该系统由数据处理和电磁/固态继电器控制单元(100)、固态继电器阵列单元(200)、增设电磁继电器的电气线路接线板(300)、上位机(400)、配置导线连接器的接线(500)组成；数据处理和电磁/固态继电器控制单元(100)与上位机(400)、固态继电器阵列单元(200)相连，固态继电器阵列单元(200)与增设电磁继电器的电气线路接线板(300)相连；

增设电磁继电器的电气线路接线板(300)是对现有电气线路接线板的改进，现有电气线路接线板是开环直流调速系统的专用实验器材，其正面布置电子元器件、接线桩，通过对接线桩的接线，完成开环直流调速系统的实验；现有电气线路接线板包括三相整流变压器T，六只晶闸管VT1～VT6，直流调速电动机M；三相整流变压器T的原边和副边均采用“Y”型接法；六只晶闸管中的VT1、VT3、VT5共阴极连接，VT4、VT6、VT2共阳极连接，构成经典的桥臂串联式整流器；晶闸管整流后输出直流，供直流调速电动机M使用；现有电气线路接线板配置接线桩接线桩的顺序从第1接线桩开始逐一按序递增至第29接线桩，合计配置29根接线桩；

增设电磁继电器的电气线路接线板(300)，其接线故障根据故障性质分为漏接线故障和多接线故障；增设电磁继电器的电气线路接线板(300)为增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板(310)，或为增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板(320)；从接线桩～器件的电路通断视角考量，接线桩～器件的电路结构有三种类型：跨接在两接线桩间的器件构成两接线桩通路的I型电路结构，跨接在两接线桩间的器件不构成两接线桩通路的II型电路结构，两接线桩间无跨接器件的III型电路结构；增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板(310)仅对I型电路结构，在接线桩与器件之间插入一只常开触点电磁继电器，增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板(320)仅对I型电路结构，在接线桩与器件之间插入一只转换触点电磁继电器，即改进现有电气线路接线板的I型电路结构，获增设电磁继电器的电气线路接线板(300)；配置导线连接器的接线(500)，每条接线包括两段导线，两段导线通过插接式单线连接器组成一条接线；

接线桩与接线的拓扑关系，借助关联稀疏矩阵描述；因接线的无方向特性，故关联稀疏矩阵蜕变为上对角矩阵，矩阵N×N，N≥2；关联稀疏矩阵采用行、列、值三元组(i，j，v)表征，1≤i≤N，i+1≤j≤N；

三元组的值定义：

v＝1，i接线桩和j接线桩需接线；

v＝0，i接线桩和j接线桩无需接线；

v＝2，i接线桩和j接线桩无需接线，现有电气线路接线板的接线桩间存在器件形成的通路，增设电磁继电器的电气线路接线板(300)中v＝2与v＝0等价；

v＝x，关联稀疏矩阵主对角线元素(i，j，v)的值，1≤i≤N、j＝i；

其中，i值为增设电磁继电器的电气线路接线板(300)的接线桩序号，接线故障诊断时，围绕关联稀疏矩阵主对角线特定的元素i，即对应序号i接线桩按序诊断，x无接线桩与接线的拓扑关系；

上位机(400)采用三元组描述关联稀疏矩阵时，舍弃v＝x的三元组；v＝0和2的三元组作为缺省元组处理，但数据处理和电磁/固态继电器控制单元(100)用v＝0插入补充舍弃的缺省元组、即生成上位机(400)舍弃的v＝0和2三元组；上位机(400)采用三元组描述关联稀疏矩阵时，也可取消v＝2的数值选项，直接用v＝0取代；

所述的数据处理和电磁/固态继电器控制单元(100)包括数据处理模块(110)和电磁/固态继电器控制模块(120)，数据处理模块(110)以STM32F407芯片为核心，电磁/固态继电器控制模块(120)以EP2C8Q208C8芯片为核心；数据处理模块(110)通过UART接口与上位机(400)相连；STM32F407的脚PE8、PE9、PE10、PE11、PE12分别与EP2C8Q208C8的脚D1、D2、D3、D4、D5相连，STM32F407的脚PF0至PF7分别与EP2C8Q208C8的脚D6至D13相连，STM32F407的脚PE0至PE7分别与EP2C8Q208C8的脚D14至D21相连；EP2C8Q208C8的脚D22至D85分别与固态继电器阵列单元(200)的FPGAIO₁到FPGAIO₆₄端子相连，EP2C8Q208C8的脚D86、D87分别与固态继电器阵列单元(200)的FPGAIO₈₆、FPGAIO₈₇端子相连；

所述的增设电磁继电器的电气线路接线板(300)含K个I型电路，1≤K≤N，N≥1，电磁继电器具有常开触点或转换触点的两种可选技术方案；

增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板(310)，包括常开触点I型电路1(311)、常开触点I型电路2(312)、逐一按序递增至常开触点I型电路K(31K)；常开触点I型电路1(311)由接线桩_i1、常开触点电磁继电器_i1、器件_i1组成，常开触点电磁继电器的型号为SLA-5VDC-SL-A；切断接线桩_i1与器件_i1的连线，接线桩_i1与SLA-5VDC-SL-A的C端口相连，SLA-5VDC-SL-A的D端口与器件i1相连，SLA-5VDC-SL-A的A端口与FPGAIO_Y端子相连，SLA-5VDC-SL-A的B端口经R_i1接地；接线桩_i1供学生实验接线，接线桩_i1接入固态继电器阵列单元(200)的第i1固态继电器用于故障诊断；若FPGAIO_Y端子高电平，SLA-5VDC-SL-A的线圈得电、常开触点D闭合、器件_i1经闭合的常开触点D与接线桩_i1连通，进入实验状态，反之进入诊断状态；常开触点I型电路2(312)～常开触点I型电路K(31K)，其组成、连接关系和工作流程，与常开触点I型电路1(311)类同；

增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板(320)，包括转换触点I型电路1(321)、转换触点I型电路2(322)、逐一按序递增至转换触点I型电路K(32K)；转换触点I型电路1(321)由接线桩_j1、转换触点电磁继电器_j1、接线柱_j1、器件_j1组成，转换触点电磁继电器的型号为SLA-5VDC-SL-C；切断接线桩_j1与器件_j1的连线，接线桩_j1与SLA-5VDC-SL-C的C端口相连，SLA-5VDC-SL-C的E端口与器件_j1相连，SLA-5VDC-SL-C的A端口与FPGAIO_Y端子相连，SLA-5VDC-SL-C的B端口经R_j1接地，SLA-5VDC-SL-C的D端口接入接线柱_j1；接线桩_j1供学生实验接线，接线柱_j1接入固态继电器阵列单元(200)的第j1固态继电器用于故障诊断；若FPGAIO_Y端子高电平，SLA-5VDC-SL-C的线圈得电、常闭触点D打开、常开触点E闭合，器件_j1经闭合的常开触点E与接线桩_j1连通，进入实验状态，反之进入诊断状态，即诊断系统经接线柱_j1、闭合的常闭触点D与接线桩_j1连通；转换触点I型电路2(322)～转换触点I型电路K(32K)，其组成、连接关系和工作流程，与转换触点I型电路1(321)类同；

所述的固态继电器阵列单元(200)包括第1固态继电器(201)、第2固态继电器(202)、逐一按序递增至第64固态继电器(264)，以及增设电磁继电器的驱动模块(298)、固态继电器阵列的驱动模块(299)；固态继电器的型号为SDE3005D；

增设电磁继电器的驱动模块(298)、固态继电器阵列的驱动模块(299)以固态继电器SDE3005D为核心；驱动模块(298)SDE3005D的脚1经R₂₉₈接V_CC、脚3接+5V，脚2接FPGAIO₈₇端子，脚4接FPGAIO_Y端子，FPGAIO_Y端子经R_Y接地；驱动模块(299)SDE3005D的脚1经R₂₉₉接V_CC、脚3接V_CC，脚2接FPGAIO₈₆端子，脚4接FPGAIO_X端子，FPGAIO_X端子经R_X接地；

第1固态继电器(201)的脚1经R₂₀₁接V_CC，脚2接第1固态继电器(201)的FPGAIO_X端子，脚4接FPGAIO₁端子，脚3与增设电磁继电器的电气线路接线板(300)的第1接线桩相连，如果第1接线桩属转换触点I型电路，则脚3与增设电磁继电器的电气线路接线板(300)的第1接线柱相连；逐一按序递增至第64固态继电器(264)，其组成和连接关系均与第1固态继电器(201)类同；

电磁/固态继电器控制模块(120)的EP2C8Q208C8脚D86输出高电平，驱动模块(299)的固态继电器打开，串联的64个FPGAIO_X端子低电平，第1～64固态继电器闭合，EP2C8Q208C8的64个IO口分别经64个固态继电器的脚4和3、与增设电磁继电器的电气线路接线板(300)的64根接线桩或柱一一对应连通，进入增设电磁继电器的接线故障诊断诊断流程；电磁/固态继电器控制模块(120)的EP2C8Q208C8脚D87输出高电平，驱动模块(298)的固态继电器打开，FPGAIO_Y端子低电平，增设常开触点电磁继电器的电气线路接线板(310)的FPGAIO_Y端子低电平，SLA-5VDC-SL-A的线圈失电、常开触点D打开、器件_i1被打开的常开触点D切断与接线桩_i1连通，进入故障诊断状态；增设转换触点电磁继电器的电气线路接线板(320)的FPGAIO_Y端子低电平，SLA-5VDC-SL-C的线圈失电、常闭触点D闭合、常开触点E打开，器件_j1被打开的常开触点E切断与接线桩_j1连通，可能的隐性多接线转化为显性多接线，进入故障诊断状态；反之，固态继电器控制模块(120)的EP2C8Q208C8脚D86、D87输出低电平，FPGAIO_X和FPGAIO_Y端子高电平，64个固态继电器切断与增设电磁继电器的电气线路接线板(300)的连接，接线桩与器件相连，进入实验状态。

2.一种使用如权利要求1所述诊断系统的接线故障诊断方法，其特征在于，该方法的流程包括接线故障诊断方法的准备流程，接线故障诊断方法的运行流程；

接线故障诊断方法的准备流程如下：

⑴设定接线故障诊断系统的诊断参数

增设电磁继电器的电气线路接线板(300)的接线桩序号/总数N；

生成除主对角线元素为x的、全0上对角关联稀疏矩阵_N×N；

相同序号的固态继电器脚3与接线桩或柱一一对应相连；

⑵建立关联稀疏矩阵

基于接线桩与接线的拓扑关系，逐行逐列设定v值；

v＝1，桩间需接线；v＝0，桩间无需接线，且桩间无器件形成的通路；v＝2，桩间无需接线，且桩间存在器件形成的通路；

核查是否遗漏需要增设的电磁继电器，v＝2用v＝0替代；

⑶生成故障诊断的三元组(i，j，v)

关联稀疏矩阵v＝1元素，逐行逐列按序生成三元组(i，j，v)；

上位机(400)下发按序生成的三元组(i，j，v)；

数据处理模块(110)插入补充v＝0元素对应的三元组(i，j，v)；

电磁/固态继电器控制模块(120)读故障诊断三元组(i，j，v)；

接线故障诊断方法的运行流程如下：

⑴接线故障检测

EP2C8Q208C8脚D86、D87输出高电平；

故障诊断三元组(i，j，v)逐行(1≤i≤N-1)，EP2C8Q208C8脚D21+i输出高电平；逐列(i+1≤j≤N)EP2C8Q208C8脚D21+j输入电压；

采集输入电压存检测三元组(ii，jj，vv)，三元组的值定义：

vv＝1000、低电平，接线桩ii与接线桩jj无接线；

vv＝1111、高电平，接线桩ii与接线桩jj存在接线；

⑵接线故障诊断

故障诊断三元组(i，j，v)与检测三元组(ii，jj，vv)逐行逐列比对；

Case1：v＝0，vv＝1000，无需接线且未接线；

Case2：v＝0，vv＝1111，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：

vvv＝9110011、多接线，无需接线但接线；

Case3：v＝1，vv＝1111，需接线且接线；

Case4：v＝1，vv＝1000，存错误三元组(iii，jjj，vvv)，三元组值定义：

vvv＝9001100、漏接线，需接线但未接线；

⑶隐性漏接线故障诊断

如果错误三元组(iii，jjj，vvv)的vvv≠9110011，转⑷；

否则读故障诊断三元组(i，j，1)，多接线故障汇总，相应接线的导线连接器分离，启动“⑴接线故障检测”和“⑵接线故障诊断”；

⑷诊断结果处理

错误三元组(iii，jjj，vvv)上传上位机(400)；

进入后续实验或排除故障；

实验时EP2C8Q208C8脚D88至D149输出高电平；

实验时EP2C8Q208C8脚D86、D87输出低电平。

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