基于OMRON PLC與HMI的青藏鐵路客車電氣控制系統解決方案

引言

　　舉世矚目的青藏鐵路以其特殊的地理環境條件，給鐵道客車電氣系統的設計帶來了許多新的課題，如青藏鐵路高海拔、低氣壓、環境溫度低、溫差變化大等環境地理條件將對核心控制部件、低壓電器部件等的絕緣與介電強度、電氣間隙與爬電距離、溫升等性能參數產生一定的影響。

　　對青藏鐵路客車電氣系統的安全性、穩定性、可靠性等產生重要影響的低壓電氣屏柜控制系統面臨著以上問題，設計過程中根據對控制系統的分析與研究，遵循低壓電器控制系統的安全設計、可靠性設計、節能設計等設計原則，采取合理對策，歷經多次試驗驗證，解決了青藏鐵路特殊環境條件對電氣控制系統的影響，設計開發了以PLC與觸摸屏（或稱“HMI”）為控制核心的青藏鐵路客車電氣綜合控制柜（以下簡稱“控制柜”）。

　　新型青藏鐵路客車電氣控制系統，將客車老式電氣控制系統的各個電氣監控部分進行了優化整合，集成到統一的低壓電氣屏柜內。控制柜采用以OMRON的PLC（CPM2A-CPU61）、PLC的I/O擴展模塊CPM1A-20EDR1、RS232通訊適配器CPM1-CIF01、NT系列可編程終端NT31等為基礎架構的控制核心，實現了以下以幾點主要設計工藝：

　?、?客車供電電源的選擇、轉換、故障判斷保護等自動控制、手動控制。

　?、?客車空調機組的工況選擇、轉換、故障判斷保護等自動控制、手動控制。

　?、?客車制氧系統的配電控制與監控。

　?、?客車應急供電電源的監控保護、轉換控制。

　?、?客車照明系統的轉換控制。

　　⑥ 客車車載網絡智能監控系統的實現。

　　控制柜的PLC（CPM2A-CPU61）通過RS232-C端口實現與觸摸屏NT31（以下簡稱HMI）通訊，接受HMI發送的各種指令并自動執行相應的操作步驟，對電氣系統運行中出現的各種故障及時進行診斷、指示并保護，控制柜具有檢測、控制、診斷保護、信息提示、聯網通訊功能，實現電氣系統的綜合控制。PLC通過外圍端口的RS232-C適配器與車載網絡設備進行串行通訊，實現與本車裝備的智能電氣設備的通訊及實現客車與客車之間的相互聯網通訊，并為逐步實現車對地、地對車的計算機聯網通訊打下了技術基礎。

青藏鐵路客車電氣控制系統應用方案簡介

　　青藏鐵路客車電氣控制系統設計選型

　　1.1 控制系統設計更新必要性

　　老式的鐵路客車電氣控制系統采用普通的繼電接觸控制系統，各個電氣監控部分分散獨立，如供電電源控制部分、空調機組控制部分、客車照明轉換控制部分、應急電源控制部分等都是獨立的低壓電氣屏柜，布線量大，走線復雜，電磁兼容性差，自動化程度低，空調控制精度不高，系統集成度差、生產成本高、操作不便、維護困難等，已無法滿足青藏客車電氣控制系統的需要，新型青藏鐵路客車電氣控制系統的設計勢在必行。

　　隨著工控自動化水平的飛速發展，PLC與HMI在各個工控行業得到廣泛應用，PLC以其方便易掌握的編程指令及可擴展的輸入/輸出模塊、成熟的抗干擾技術而深受廣大工程設計人員歡迎，故擬設計由PLC與HMI構成基礎控制架構的青藏鐵路客車電氣控制系統。

　　1.2 可編程序控制器PLC的發展與現狀

　　1968年美國通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年，美國數字公司研制出了基于集成電路和電子技術的控制裝置，使得電氣控制功能實現程序化，這就是第一代可編程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。上世紀80年代，個人計算機發展起來，也簡稱為PC，為了方便，也為了反映或可編程控制器的功能特點，美國A-B公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器Programmable Logic Controller（PLC）。

　　上世紀80年代至90年代中期，是PLC發展最快的時期，年增長率一直保持為30～40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數字運算能力、人機接口能力和網絡能力得到大幅度提高，現在已有第五代PLC產品了。

　　目前，世界上有200多廠家生產300多品種PLC產品，按地域分成三大系列：一是美國系列，一是歐洲系列，一是日本系列。美國和歐洲的PLC技術是分別獨立研究開發的，因此二者的PLC產品有明顯的差異性，而日本的PLC技術是由美國引進的，對美系PLC產品有一定的繼承性，但日本的主推產品定位在小型PLC。日本的小型PLC最具特色，在小型機領域中頗具盛名，某些用歐美的中型機或大型機才能實現的控制，日本的小型機就可以解決。在開發較復雜的控制系統方面明顯優于歐美的小型機，所以格外受用戶歡迎。日本有眾多PLC制造商，如歐姆龍、三菱、松下、日立、富士、東芝等，在世界小型PLC市場上，日系產品約占70%左右的市場份額。

　　1.3 控制系統核心選型原則

　　我們經仔細分析控制系統的功能要求，首先確定小型PLC就能滿足控制需求，經對比世界著名的幾個PLC品牌，由于日系PLC在編程語言方面更適合亞洲人的邏輯思維方式，所以首選日系PLC。在日本眾多PLC制造商中，歐姆龍自動化集團的PLC是引領工業自動化產品和應用先進技術的代表，其進入中國市場的時間早、產品性能可靠穩定、編程簡易、調試方便、現場監控能力出色，是自控領域的領跑者。歐姆龍在中國有遍布全國的物流、銷售和技術支持，可及時為客戶提供最直接的服務?；谝陨显?，我們首選了日本歐姆龍公司的PLC與HMI及其擴展模塊、附件等為青藏鐵路客車電氣控制柜的控制核心部件。

　　青藏鐵路客車電氣控制核心硬件系統構成

　　青藏鐵路客車電氣控制系統以OMRON的CPM2A-CPU61可編程控制器、12/8點的I/O擴展模塊（CPM1A-20EDR1）、觸摸屏（NT31-ST123-EV3）、通訊適配器CPM1-CIF01等組成控制核心架構，由供電電源控制部分、空調機組控制部分、制氧系統配電控制部分、應急電源控制部分、照明控制部分、聯網通訊部分等幾大功能單元有機結合而成，其青藏鐵路客車電氣系統功能框圖如圖1-a所示，控制核心部分示意圖如圖1-b所示，青藏鐵路客車電氣控制柜外形圖如圖1-c所示，各個功能單元的控制方案分析如下：

　　1 PLC主機CPM2A-CPU61

　　CPM2A系列是OMRON公司在CPM1A基礎上推出的升級換代產品，它與CPM1A相比，在程序容量、指令種類、指令執行時間、數據存儲、定時器/計數器數量諸方面都有明顯進步，并新加了RS232通訊端口，支持Host Link、無協議、1：1NT鏈接、1:1PC鏈接等通訊方式，特別是高速計數器、脈沖輸出和同步脈沖控制功能的增加給設備的自動化控制提供了很大便利。

　　CPM2A-CUP61主機對整個電氣系統進行自動控制，實時監測電氣系統運行過程中的參數并對其進行分析，對故障自動處理，通過顯示觸摸屏NT31實現人機對話，響應顯示觸摸屏輸入的命令、參數，將故障信息、運行記錄通過顯示觸摸屏顯示等。其硬件配置情況如下：

　　模擬量輸入點： 17點（0～10V）

　　溫度輸入點： 1點（PT100）

　　開關量輸入點： 12點（直流24V，8mA），

　　開關量輸出點： 16點（繼電器輸出）

　　輸出端最大開關能力：2A，250VAC（cosφ=1）;2A，24V

　　輸出端最小開關能力：10mA，5VDC

　　值得稱道的是CPM2A-CUP61主機集成了多達17路模擬量輸入點（0～10V），1路溫度輸入點（PT100），這在各個世界著名PLC廠商提供的小型機中是獨一無二的（其他廠商多為提供模擬量擴展模塊），極大的縮減了控制核心的安裝體積、提高了控制系統的性價比。

　　2 HMI主機NT31-ST123-EV3

　　NT31-ST123-EV3采用全中文液晶顯示觸摸屏（帶背光），具有字符類型和圖象類型顯示，由RS232通訊接口和PLC的RS232接口進行通訊。主要功能是現場參數設定，電源轉換、空調機組等功能單元運行工況的人為控制，運行工況狀態與電氣參數的顯示與記錄，實時報告各功能單元的故障現象、記錄故障參數等。其技術規格如下:

　　字符、圖象類型顯示：20×15個漢字

　　液晶顯示器規格： 320×240點

　　有效顯示面積： 122×92mm²

　　3 開關量擴展I/O單元CPM1A-20EDR1

　　CPM1A-20EDR1可提供12點的開關量輸入點、8點的繼電器輸出點，可擴展系統的控制點數，根據不同客車類型可選擇一塊或兩塊。

　　4 適配器CPM1-CIF01

　　CPM1-CIF01是RS232通訊轉換模塊，實現PLC與車載網絡設備的串行通訊。

　　青藏鐵路客車電氣控制核心軟件編程

　　1. PLC主機CPM2A-CPU61應用程序編制

　　應用CX-Programmer軟件對CPM2A-CPU61進行應用程序編制， CX-Programmer軟件在指令編寫、地址搜索、條文注釋、軟件保護、功能塊編制、多種編程語言、調試監控等方面為用戶提供了高水平的應用平臺，尤其是功能塊的調用及多種編程語言的靈活性給方案設計提供了極大的便利。

　　PLC的軟件編制中，根據需要將供電電源轉換控制、空調機組控制、制氧系統配電控制、應急電源轉換控制、照明控制、車載網絡通訊等功能單元分不同的程序段進行編制。供電電源轉換控制部分程序示例見圖2，其他功能單元的程序不再羅列。

　　CX-Programmer軟件的一個突出特點是具有“顯示地址引用工具”工具欄，可在程序段下方同時顯示某變量在程序中的所有應用，極大地方便了程序編制與調試?！帮@示地址引用工具”工具欄應用示意見圖3。

　　2. HMI主機NT31-ST123-EV3應用程序編制

　　應用NT系列支持工具軟件對NT31-ST121-EV3進行應用程序編制， NT系列支持工具軟件在固定顯示、圖像和庫數據支持、燈對象、觸摸開關、數字顯示、字符串顯示、曲線圖、報警列表、報警歷史、數字值輸入、字符串輸入等方面為用戶提供了友好的應用平臺。

　　NT31的軟件編制中，根據需要將供電系統信息、空調制氧系統信息、應急電源信息、照明控制信息、車載網絡通訊信息等功能單元分不同的畫面進行編制。應用了數字、字符串顯示與輸入對象、圖像與庫數據對象、觸摸開關控制對象、報警列表、報警歷史、窗口鍵盤等編制了友好的人機操作界面，顯示直觀、操作方便。應用畫面部分數據示例見圖4-a、4-b、4-c、4-d、4-e、4-f、4-g。

　　控制核心PLC、HMI等的應用設計、程序編制調試技巧總結

　　青藏鐵路客車電氣控制系統設計選型和成本估算時，詳細分析了應用環境要求、工藝過程的特點、控制要求，明確了控制任務和范圍，確定了所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、所需存儲器容量、確定PLC、HMI的功能、外部設備特性等，最后選擇設計相應的控制系統。根據青藏鐵路的特殊應用環境要求，OMRON的CPM2A-CPU61及NT31等控制產品正是以其強大的功能性、成熟穩定的可靠性、出色的性價比等特點才從眾多同類控制產品中脫穎而出被選用。

　　控制柜的PLC、NT31等在程序編制調試過程中，積累總結的心得體會介紹如下：

　　l 應先規劃各個功能單元的程序流程圖，使功能單元的程序設計思路清晰，同時根據電氣控制系統的總體控制邏輯，將各個功能單元的程序流程圖有機的結合在一起，仔細處理功能單元之間的聯系點。

　　l 編程方法上應充分運用子功能模塊的子程序模式化。通過調用子程序實現相同或類似子功能模塊的程序編制，增強了程序的可讀性與可移植性，減小了程序大小，提高了程序的運行效率。

　　l 編程方法上還應充分考慮尋址方式的選用，例如在編制空調控制程序的壓縮機與空氣預熱器的運行時間記錄子程序時，合理運用了間接尋址方式操作數據區，節約了大量的程序步數。

　　l 編程過程中對模擬量的處理應多考慮應用一些軟件濾波方法，尤其在電磁干擾嚴重的環境中應用更應注意模擬量采集的軟件濾波處理。

　　l 可編程終端的界面程序編制應注意庫、圖像燈、間接字符串、窗口鍵盤等對象的應用，界面要編制的清晰簡潔、邏輯合理、易于操作，對于復雜或重要操作盡量提供操作幫助說明界面。

　　l 調試過程中應對各功能單元控制邏輯理解透徹，盡量模擬實際運用中所有可能出現的工況，查找程序錯誤時要縱觀應用程序整體，仔細分析所有相關點，認真參閱相關產品的操作手冊，注意相關編程操作注意事項等。

　　青藏客車電氣控制系統的技術創新

　　青藏鐵路客車電氣控制屏柜與老型的相比，從單純的繼電接觸控制系統轉變為以OMRON高功能性、高可靠性的PLC、人機界面觸摸屏NT31等為控制核心的自動控制系統，主要解決的技術難題與實現的技術創新如下：

　　1.綜合控制柜實現了電氣控制系統的小型化、智能化、集成化和系統化。

　　2.綜合控制柜根據預設參數實現自動控制，減輕了操作人員的工作強度，最大限度的避免由于人為誤操作引起的事故，便于操作和維護。

　　3.綜合控制柜對整車電氣系統參數進行實時監測，出現故障時及時進行保護動作，避免了由于保護不及時而引起的嚴重后果。

　　4.綜合控制柜可對軸溫、煙火報警器、車門等智能電氣設備的狀態進行監視和顯示。

　　5.綜合控制柜充分考慮了整車各個電氣功能部件的協調工作，使整個電氣系統工作更加安全可靠。

　　6.綜合控制柜根據電氣系統布線的有關規范和實際存在的問題，不同系統、不同電壓等級、不同電流類別的導線盡量相互隔離，簡化了配線復雜度，節約了大量導線，結構設計上盡量減少相互間的電磁干擾。

　　7.綜合控制柜的控制方案以自動為主，同時考慮控制系統故障的應急措施，包括極端情況下的手動應急措施。

　　8.控制柜減少了原有客車電氣監控系統的電器元件，簡化了調試流程，功能得以提升，大大提高了生產效率，降低了生產制造成本。

　　青藏客車電氣控制系統的推廣運用

　　青藏鐵路客車電氣控制系統從2006年投入實際運用2年多以來，裝車300余套，經受住了青藏鐵路特殊運用環境的考驗，運行安全、穩定、可靠，操作維護方便，功能完善強大，得到最終用戶的一致好評，取得了良好的經濟效益和社會效益，在將來會有更廣闊的應用空間，整體運用情況見表1。

結束語

　　以OMRON自動化產品為控制核心的青藏鐵路客車電氣控制系統是我國鐵道客車電氣技術領域的一次重大技術革新，是我國自主研發的鐵道客車電氣技術的先進代表，為保證舉世矚目的青藏鐵路的順利開通做出了卓越貢獻，推動了鐵道客車電氣行業的發展進步，具有非常廣闊的推廣運用前景。

　　在工業自動化領域日新月異的飛速發展中，希望歐姆龍自動化集團等工控自動化產品制造商在保持產品兼容性的基礎上不斷推陳出新，不斷應用先進技術提升PLC、HMI等工控產品的產品性能、提高產品的性價比，為工控領域的技術進步提供有力支撐。