基于PLC高密度I/O單元的車(chē)輛運(yùn)行控制系統(tǒng)的改造

1 引言
控制系統(tǒng)的控制對(duì)象較為簡(jiǎn)單—本文以上海新奧托實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的一個(gè)車(chē)輛運(yùn)行模擬控制系統(tǒng)為對(duì)象，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一般I/O模塊的PLC控制。為有效利用資源，在此，考慮將高密度I/O單元引入到系統(tǒng)中來(lái)。系統(tǒng)模型雖然十分簡(jiǎn)單，但是在改造過(guò)程中還是應(yīng)該基于系統(tǒng)的硬件組成及其工作原理進(jìn)行必要的可行性分析，實(shí)驗(yàn)，然后才能給出合理的改造方案。

2 硬件組成
(1) 控制對(duì)象
控制對(duì)象即本實(shí)驗(yàn)裝置是由上海新奧托實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的一個(gè)車(chē)輛運(yùn)行模擬控制系統(tǒng)，它由6個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)道叉、1-2臺(tái)火車(chē)模型、2個(gè)站臺(tái)、2對(duì)紅/綠信號(hào)燈以及3段供電的軌道和沿途共設(shè)置的22個(gè)紅外信號(hào)檢測(cè)元件所組成。其中，供電軌道存在供電電壓和供電電壓方向兩個(gè)控制因素。其模型示意圖如圖1所示。

圖1 車(chē)輛運(yùn)行控制系統(tǒng)模型圖

其中，火車(chē)模型的運(yùn)行是靠?jī)啥诬壍赖纳陷敵龅闹绷麟妷簛?lái)供電，且運(yùn)行的方向和速度則是通過(guò)對(duì)輸出電壓的方向和大小進(jìn)行無(wú)極調(diào)節(jié)和控制來(lái)實(shí)現(xiàn)的--這就說(shuō)明了理論上在同一段軌道上，兩輛火車(chē)的運(yùn)行速度及其方向是完全一樣的，系統(tǒng)中同時(shí)有兩輛火車(chē)運(yùn)行時(shí)，不存在碰撞或者追尾的問(wèn)題。22個(gè)紅外信號(hào)檢測(cè)元件主要是對(duì)火車(chē)的位置實(shí)時(shí)監(jiān)控，作為系統(tǒng)的控制信號(hào)輸入到控制器上。在兩個(gè)站臺(tái)的出/入口和內(nèi)側(cè)軌道的一端共設(shè)有6個(gè)手動(dòng)/自動(dòng)叉道，通過(guò)給定的脈沖信號(hào)來(lái)選擇軌道,但是要注意脈沖寬度不能太大,否則，就會(huì)損壞叉道。這樣，就可以對(duì)系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行一個(gè)初步的統(tǒng)計(jì):
·輸入信號(hào): 22個(gè)光電檢測(cè)信號(hào);
·輸出信號(hào): 23個(gè)數(shù)字量;
3對(duì)模擬量。
(2) 原有控制系統(tǒng)
基于以上的分析，我們?cè)O(shè)定在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)如下基本功能:
· 站前鳴笛，以提醒工作人員接站;進(jìn)站時(shí)速度減慢，直至停下。出站時(shí)也要鳴笛。
·一次只能有一輛火車(chē)停在站臺(tái)，若已有火車(chē)停下，其他要進(jìn)站火車(chē)只能在站外等候進(jìn)站;否則須繞道(外圍軌道)而行，以免發(fā)生撞車(chē)事故。
·紅/綠燈作為火車(chē)能否出站的標(biāo)記:綠燈即通行，紅燈不通行。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，并基于上述對(duì)系統(tǒng)控制信號(hào)的統(tǒng)計(jì)，在原有控制系統(tǒng)中我們用了相應(yīng)的I/O模塊:2個(gè)ID212模塊，1個(gè)OC224和1個(gè)OC225模塊和1個(gè)DA004模塊。

3 系統(tǒng)改造
原有系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)的控制。但是在以上的分析中我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中控制信號(hào)多為數(shù)字量，而且點(diǎn)數(shù)相對(duì)較多，為了充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，決定將高密度I/O單元引入到系統(tǒng)中來(lái)，對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行改造。我們采用的高密度單元都為32點(diǎn)，這樣原有系統(tǒng)的兩個(gè)輸入、輸出模塊都可以分別采用一個(gè)。具體改造如下:
(1) 輸入模塊改造
系統(tǒng)共有22點(diǎn)數(shù)字量輸入，在此，只要采用1個(gè)32點(diǎn)的高密度單元就可以了。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有狀況，我們選用1個(gè)ID215模塊來(lái)代替原有系統(tǒng)的兩個(gè)ID212模塊。在原系統(tǒng)中，ID212的COM端接地，在此，由于ID215是雙向晶體管輸入，即它的COM為接地或者5～24VDC均可，所以，在改造過(guò)程中不存在電路轉(zhuǎn)換的問(wèn)題，改造方案是可行的----將原信號(hào)線直接接到新的高密度模塊上來(lái)即可。
(2) 輸出模塊改造
系統(tǒng)的輸出點(diǎn)數(shù)也較多，共23點(diǎn)。我們決定采用OD215來(lái)代替原有的OD225和OD224，這里，OD215用作32點(diǎn)靜態(tài)輸出用的晶體管輸出單元，其電路配置如圖2所示。

圖2 高密度模塊OD215的電路配置
由以上的電路配置圖可以知道，OD215和ID215不同，它的COM端只能接地，但是在原系統(tǒng)中，由其硬件電路決定了OC224以及OC225的COM端必須接2～24VDC，所以，這里就不能直接換接了。同時(shí)，由OD215模塊的性能可知，其最大開(kāi)關(guān)能力為5VDC＋10%35mA(280mA/公共端，1.12A/單元，輸出電阻4.7kΩ)，在改造過(guò)程中還是要考慮到模塊的最大負(fù)荷能力，以免燒壞模塊。系統(tǒng)中共有23點(diǎn)數(shù)字量輸出:12個(gè)叉道控制信號(hào);6個(gè)方向控制信號(hào);1個(gè)蜂鳴器外加4個(gè)紅/綠燈信號(hào)(其中前19個(gè)信號(hào)都是繼電器輸出)。
·紅/綠燈電路改造
在對(duì)紅/綠燈電路進(jìn)行改造之前，首先要得出電路的工作原理。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的紅/綠燈電路本身存在一個(gè)門(mén)檻電壓的問(wèn)題，也就是說(shuō)只有達(dá)到一定的電壓值時(shí)，紅/綠燈才會(huì)發(fā)光。同時(shí)結(jié)合模塊性能，對(duì)原有電路進(jìn)行改造是可行的。
首先考慮到要在原有系統(tǒng)中增加一個(gè)上拉電阻R1，這樣就可以解決OD215和OC224以及OC225的COM端的矛盾了，整個(gè)系統(tǒng)處于“負(fù)邏輯”的控制狀態(tài)，這里所接的上拉電阻的阻值要盡可能的大(首選一般在1k~5k之間)。這樣在此路信號(hào)為高電平的時(shí)候，模塊中單路電流才會(huì)很小，控制在35mA之內(nèi)不會(huì)超過(guò)模塊的限流電流值;同時(shí)還要考慮到紅/綠燈電路的門(mén)檻電壓的問(wèn)題。多次實(shí)驗(yàn)表明:在上拉電阻R1小到將近500Ω的時(shí)候，才能保證紅/綠燈電路的正常工作;同時(shí)在模塊的輸出側(cè)增加一個(gè)電阻模塊R2分流以避免模塊中單路電流過(guò)大，從而保護(hù)了模塊。這樣一來(lái)，改造后的系統(tǒng)便可保證原有系統(tǒng)既正常又安全的工作。系統(tǒng)的改造電路如圖3所示。圖3中:R1=500Ω，R2=170Ω，模塊輸出為高電平時(shí)，紅/綠燈電壓約為3V，沒(méi)有超過(guò)其門(mén)檻電壓，不導(dǎo)通;輸出為低電平時(shí)，紅/綠燈電壓約為7V，正常工作。
·繼電器電路改造

圖3 紅/綠燈電路部分改造

對(duì)系統(tǒng)中繼電器電路部分的改造相對(duì)簡(jiǎn)單多了。和紅/綠燈電路改造步驟一樣，首先直接在電路中串連一個(gè)電阻，首選在1k~5k之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:只要在每路輸出電路中串連一個(gè)1.2kΩ的上拉電阻，這樣在此路信號(hào)為高電平的時(shí)候，模塊中單路電流才會(huì)很小，控制在24mA之內(nèi)不會(huì)超過(guò)模塊的限流電流值，即可保證原系統(tǒng)此類(lèi)繼電器輸出部分即正常又安全的工作。其改造電路如圖4所示。

圖4 繼電器電路部分改造

至此基本完成了對(duì)原有控制系統(tǒng)的高密度I/O單元的改造，在紅/綠燈的改造過(guò)程中我們可以發(fā)現(xiàn)模塊的單路電流都接近其單路電流的限流值，考慮到模塊的安全性、使用壽命以及優(yōu)化控制系統(tǒng)的思想，在接線過(guò)程中就將4路紅/綠燈信號(hào)分散到了模塊的不同的公共端。

4 系統(tǒng)軟件改造
對(duì)系統(tǒng)的硬件改造在實(shí)質(zhì)上并沒(méi)有改變?cè)邢到y(tǒng)軟件的控制思想，所不同的是，系統(tǒng)的硬件改造中所引用的高密度I/O單元都是特殊功能模塊，輸入輸出點(diǎn)的地址表示有所不同，在改造過(guò)程中需要將原有地址和現(xiàn)有地址一一對(duì)應(yīng)進(jìn)行改造;同時(shí)，還需要注意的是OD215是采用負(fù)邏輯的方式輸出的，在原有PLC程序中需要對(duì)其作出相應(yīng)的調(diào)整。在原有由組態(tài)王開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控畫(huà)面也需要修改原有程序中的某些地址以滿(mǎn)足對(duì)現(xiàn)有系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)控的目的。

5 結(jié)束語(yǔ)
在確定了對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案以后，通過(guò)一段時(shí)間的硬件連接、軟件改造以及調(diào)試，系統(tǒng)已經(jīng)能夠達(dá)到如期的控制效果，并能安全有效地實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。同時(shí)有效利用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，說(shuō)明了在某些系統(tǒng)中引入高密度控制單元的可行性并體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的控制水平。