列車優化運行控制實驗模型的PLC控制系統

分類：技術教程日期：2007-03-28 00:00:00

1 引言
目前，高校建設的PLC實驗室普遍存在著缺乏控制對象的問題。我校PLC實驗室從上海新奧托實業有限公司購買了列車模型來作為PLC的被控對象。列車模型在軌道上運行，列車軌道提供0～10V電壓供列車模型使用，軌道電壓的大小可以調節列車運行速度，電壓的極性可以控制列車運行的方向。配置的光電位置檢測開關可以檢測列車的當前位置，對軌道的叉道進行控制可以改變列車的行進路線。可以看出，在列車模型上可以進行數字量、模擬量控制。而且，如果在列車軌道上同時運行多輛列車，則可以優化控制算法。本文主要介紹列車PLC控制系統的設計與調試，為將來控制算法的優化提供一個平臺。

2 對象與控制要求分析
本次設計所使用的列車，是由上海新奧托實業有限公司提供的。該模型由工作臺、列車軌道、列車模型、光電位置檢測開關、驅動電路板、蜂鳴器、紅綠燈以及其他一些附件組成。在列車軌道上設置了2個車站(1＃站、2＃站)，列車軌道分為3段(外圍軌道、1＃站軌道、2＃站軌道)，每段軌道的電壓大小、電壓極性可以分別進行控制。為了使列車沿不同路線行進，在該模型中還設置了6個電動叉道。此列車PLC控制系統共有22點開關量輸入信號、23點開關量控制輸出信號和3路模擬量輸出信號。
為了確定列車模型在軌道上的位置，在列車上設置了22個光電位置檢測開關，當列車模型經過該檢測開關時，該光電開關輸出信號“1”，否則輸出信號為“0”。這22個光電位置檢測開關作為PLC控制系統的開關量輸入信號。
該列車PLC控制系統的23點開關量輸出信號的分配如下:12點用于軌道電動道叉控制(每個叉道正、反控制共需要2點);6點用于三段軌道的電壓極性控制(每段軌道正、反控制共需要2點);1點用于控制火車鳴笛的蜂鳴器;4點用于車站的紅、綠燈(1＃站、2#站)。
該列車PLC控制系統的3路模擬量輸出信號分別控制火車三段軌道的電壓(0-10V)，進而控制列車在該軌道上的運行速度。
在進行控制系統設計時，發現光電位置檢測開關工作不正常，經過我們的努力該問題得到了完滿的解決。這個問題具有一定的典型性，我們有必要對它進行一定的分析。光電位置檢測開關信號處理電路如圖1所示，此電路圖大體可以分為三部分:放大電路、比較電路和輸出電路。當列車經過該光電開關時，發光管發出的光被列車擋住，接收不到發光管發出的光;當列車離開該光電開關時，光敏元件則可以接收發光管發出的光。在這兩種狀態下A點電壓信號的變化值為1V左右。A點信號經放大級放大后進入比較器“＋”，調節比較器“－”端門檻電壓為合適的值，則列車擋住和不擋住該光電開關時，比較器翻轉，可以得出光電開關的狀態。
在實驗時，發現處理電路的OUT端輸出的并不是期望的高電平或低電平信號，而是一列方波信號(此時，處理電路中B點未加濾波電容)。經過逐級分析，得出了原因的所在:處理電路中的光敏元件由于受到外界雜散光的影響，A點信號中存在一定的交流分量，該交流分量經過放大級的放大后引起了比較器的連續翻轉，故在輸出級OUT端出現方波信號。可以看出，在電路中增加濾波環節來濾除進入比較器之前的交流分量是可用的方法。我們對該處理電路進行了改進，在B點增加了一個4.7μ的濾波電容，改進后的處理電路工作非常正常。

我們采用OMRON C200HG PLC來作為該列車的現場控制裝置。PLC與上位機之間以RS-232進行通信，在上位機上用組態王編制控制系統的監控畫面，監視模型的運行狀態并可以用監控系統對模型進行遠程控制。在該列車的軌道上有兩列列車同時運行，基本的控制規則分析如下:
(1) 列車進站前鳴笛，以提醒工作人員接站;進站時速度按照預定的速度曲線減慢，直至停下。
(2) 一次只能有一列列車進站停車，若有列車停在站內，其他列車只能在站外等候進站。
(3) 以紅綠燈作為列車能否出站的標記:綠燈通行，紅燈不通行，出站時亦要鳴笛。
(4) 若有列車停在車站，其他不用進站的列車可以繞道而行，避免發生撞車。
(5) 用監控系統來調度列車的運行。如可以在監控系統中設置某列列車應該在某個車站停車，以及停車時間等。
(6) 在監控界面上反映列車的位置及運行狀況。

3 控制系統硬件、軟件設計
該列車PLC控制系統的輸入/輸出點數比較少，在選擇輸入輸出模塊時沒有采用高密度模塊，而是選用了常用的16點或8點輸入/輸出模塊。控制系統共有22點開關量輸入信號，都是布置在軌道上的光電位置檢測開關，選用兩塊ID212模塊(2×16點)來處理開關量輸入信號。開關量輸入信號類型單一，比較簡單，在這里不再詳述。

表1 開關量輸出信號分配情況

該列車PLC控制系統有23點開關量輸出信號。從對象實驗得出，所有的被控點都是高電平(24V)有效，這樣一來，輸出模塊的COM端應該接24V。從以上分析可知，OD系列的輸出模塊不能在這里使用，故這里選用了OC225(16點)和OC224(8點)兩個開關量輸出模塊。表1詳細的給出此系統開關量輸出點的分配情況。該PLC控制系統有3路模擬量輸出信號，分別控制火車三段軌道的電壓(0-10V)，進而控制列車在該軌道上的運行速度。在這里我們選用DA003模塊，該模塊具有直接輸出0～10V電壓的能力。