基于PLC高密度I/O單元的車輛運行控制系統的改造

1 引言
控制系統的控制對象較為簡單—本文以上海新奧托實業有限公司生產的一個車輛運行模擬控制系統為對象，已經實現了一般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單元引入到系統中來。系統模型雖然十分簡單，但是在改造過程中還是應該基于系統的硬件組成及其工作原理進行必要的可行性分析，實驗，然后才能給出合理的改造方案。

2 硬件組成
(1) 控制對象
控制對象即本實驗裝置是由上海新奧托實業有限公司生產的一個車輛運行模擬控制系統，它由6個手動/自動道叉、1-2臺火車模型、2個站臺、2對紅/綠信號燈以及3段供電的軌道和沿途共設置的22個紅外信號檢測元件所組成。其中，供電軌道存在供電電壓和供電電壓方向兩個控制因素。其模型示意圖如圖1所示。

圖1 車輛運行控制系統模型圖

其中，火車模型的運行是靠兩段軌道的上輸出的直流電壓來供電，且運行的方向和速度則是通過對輸出電壓的方向和大小進行無極調節和控制來實現的--這就說明了理論上在同一段軌道上，兩輛火車的運行速度及其方向是完全一樣的，系統中同時有兩輛火車運行時，不存在碰撞或者追尾的問題。22個紅外信號檢測元件主要是對火車的位置實時監控，作為系統的控制信號輸入到控制器上。在兩個站臺的出/入口和內側軌道的一端共設有6個手動/自動叉道，通過給定的脈沖信號來選擇軌道,但是要注意脈沖寬度不能太大,否則，就會損壞叉道。這樣，就可以對系統的信號進行一個初步的統計:
·輸入信號: 22個光電檢測信號;
·輸出信號: 23個數字量;
3對模擬量。
(2) 原有控制系統
基于以上的分析，我們設定在本實驗系統中要實現如下基本功能:
· 站前鳴笛，以提醒工作人員接站;進站時速度減慢，直至停下。出站時也要鳴笛。
·一次只能有一輛火車停在站臺，若已有火車停下，其他要進站火車只能在站外等候進站;否則須繞道(外圍軌道)而行，以免發生撞車事故。
·紅/綠燈作為火車能否出站的標記:綠燈即通行，紅燈不通行。
為了實現上述功能，并基于上述對系統控制信號的統計，在原有控制系統中我們用了相應的I/O模塊:2個ID212模塊，1個OC224和1個OC225模塊和1個DA004模塊。

3 系統改造
原有系統已經實現了對系統的控制。但是在以上的分析中我們可以發現系統中控制信號多為數字量，而且點數相對較多，為了充分利用實驗室資源，決定將高密度I/O單元引入到系統中來，對原有系統進行改造。我們采用的高密度單元都為32點，這樣原有系統的兩個輸入、輸出模塊都可以分別采用一個。具體改造如下:
(1) 輸入模塊改造
系統共有22點數字量輸入，在此，只要采用1個32點的高密度單元就可以了。結合實驗室現有狀況，我們選用1個ID215模塊來代替原有系統的兩個ID212模塊。在原系統中，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，在改造過程中不存在電路轉換的問題，改造方案是可行的----將原信號線直接接到新的高密度模塊上來即可。
(2) 輸出模塊改造
系統的輸出點數也較多，共23點。我們決定采用OD215來代替原有的OD225和OD224，這里，OD215用作32點靜態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，由OD215模塊的性能可知，其最大開關能力為5VDC＋10%35mA(280mA/公共端，1.12A/單元，輸出電阻4.7kΩ)，在改造過程中還是要考慮到模塊的最大負荷能力，以免燒壞模塊。系統中共有23點數字量輸出:12個叉道控制信號;6個方向控制信號;1個蜂鳴器外加4個紅/綠燈信號(其中前19個信號都是繼電器輸出)。
·紅/綠燈電路改造
在對紅/綠燈電路進行改造之前，首先要得出電路的工作原理。實驗表明，系統的紅/綠燈電路本身存在一個門檻電壓的問題，也就是說只有達到一定的電壓值時，紅/綠燈才會發光。同時結合模塊性能，對原有電路進行改造是可行的。
首先考慮到要在原有系統中增加一個上拉電阻R1，這樣就可以解決OD215和OC224以及OC225的COM端的矛盾了，整個系統處于“負邏輯”的控制狀態，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)。這樣在此路信號為高電平的時候，模塊中單路電流才會很小，控制在35mA之內不會超過模塊的限流電流值;同時還要考慮到紅/綠燈電路的門檻電壓的問題。多次實驗表明:在上拉電阻R1小到將近500Ω的時候，才能保證紅/綠燈電路的正常工作;同時在模塊的輸出側增加一個電阻模塊R2分流以避免模塊中單路電流過大，從而保護了模塊。這樣一來，改造后的系統便可保證原有系統既正常又安全的工作。系統的改造電路如圖3所示。圖3中:R1=500Ω，R2=170Ω，模塊輸出為高電平時，紅/綠燈電壓約為3V，沒有超過其門檻電壓，不導通;輸出為低電平時，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

對系統中繼電器電路部分的改造相對簡單多了。和紅/綠燈電路改造步驟一樣，首先直接在電路中串連一個電阻，首選在1k~5k之間。實驗結果表明:只要在每路輸出電路中串連一個1.2kΩ的上拉電阻，這樣在此路信號為高電平的時候，模塊中單路電流才會很小，控制在24mA之內不會超過模塊的限流電流值，即可保證原系統此類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

至此基本完成了對原有控制系統的高密度I/O單元的改造，在紅/綠燈的改造過程中我們可以發現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、使用壽命以及優化控制系統的思想，在接線過程中就將4路紅/綠燈信號分散到了模塊的不同的公共端。

4 系統軟件改造
對系統的硬件改造在實質上并沒有改變原有系統軟件的控制思想，所不同的是，系統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，輸入輸出點的地址表示有所不同，在改造過程中需要將原有地址和現有地址一一對應進行改造;同時，還需要注意的是OD215是采用負邏輯的方式輸出的，在原有PLC程序中需要對其作出相應的調整。在原有由組態王開發的系統實時監控畫面也需要修改原有程序中的某些地址以滿足對現有系統的實施監控的目的。

5 結束語
在確定了對系統進行改造的方案以后，通過一段時間的硬件連接、軟件改造以及調試，系統已經能夠達到如期的控制效果，并能安全有效地實現控制任務。同時有效利用了實驗室現有資源，說明了在某些系統中引入高密度控制單元的可行性并體現了控制系統的控制水平。