可編程控制器在地鐵客室溫度控制中的應(yīng)用研究

李雪亞

摘要：本文模擬地鐵運行環(huán)境，采用可編程控制器控制地鐵客室中的2臺空調(diào)，實現(xiàn)客室空調(diào)系統(tǒng)的啟、停、通風(fēng)、自動或指定溫度控制及半冷、全冷、緊急通風(fēng)諸工況的自動化控制，并詳述其實現(xiàn)的方法，對解決當(dāng)前地鐵客室自動化溫度控制具有一定的借鑒意義。

關(guān)鍵詞：PLC 地鐵空調(diào) 客室溫度控制

1 概述

近年來，隨著我國城市化的發(fā)展，城市人口尤其是大型城市人口迅速增長，城市規(guī)模越來越大，人們越住越遠，交通瓶頸問題日益突出，很多城市都成為“堵城”，給人們的工作生活帶來諸多不便。

地鐵作為公共交通工具有著安全、準(zhǔn)時、舒適、快速等特點，受到普遍歡迎。根據(jù)國家發(fā)改委的統(tǒng)計，2014年，我國地鐵投資達到2200億元，比2013年增長400億元。地鐵將成為大型城市居民日后出行的主要公共交通工具。地鐵由于載客量大，人多擁擠，其客室溫度控制對乘客乘坐體驗至關(guān)重要，根據(jù)北京、上海等城市地鐵運行研究表明，一旦發(fā)生空調(diào)故障或空調(diào)溫度調(diào)整不及時，往往受到巨量的旅客投訴。采用PLC技術(shù)對地鐵車輛客室進行溫度控制是目前常用的好方法。

2 可編程控制器的工作原理[1]

當(dāng)PLC投入運行后，其工作過程一般分為三個階段，即輸入采樣、用戶程序執(zhí)行和輸出刷新三個階段。完成上述三個階段稱作一個掃描周期。在整個運行期間，PLC的CPU以一定的掃描速度重復(fù)執(zhí)行上述三個階段。

PLC的掃描工作過程如圖1所示。

一般來說，PLC的掃描周期包括自診斷、通訊等，一個掃描周期等于自診斷、通訊、輸入采樣、用戶程序執(zhí)行、輸出刷新等所有時間的總和。

3 系統(tǒng)控制要求

采用PLC對地鐵客室溫度進行控制，從而保障在地鐵運行中，客室溫度處于一個舒適的范圍內(nèi)。

本控制系統(tǒng)是客室空調(diào)系統(tǒng)的控制中心，2臺空調(diào)分別位于客室的前端及末端，根據(jù)設(shè)定的規(guī)則，使空調(diào)按設(shè)定的程序進行工作，完成通風(fēng)及制冷的手動或自動運行。

4 可編程控制器的選型

本系統(tǒng)采用西門子S7-200PLC控制，中央處理單元為CPU224，帶有兩個擴展模塊：數(shù)字量擴展模塊EM223和模擬量擴展模塊EM231。利用EM231熱電阻模塊采集車內(nèi)溫度信號，通過與PLC內(nèi)部設(shè)定溫度比較后，實現(xiàn)通風(fēng)、制冷各工況。

本系統(tǒng)使用CPU224及其擴展模塊面板上自帶的小燈來提示運行和故障情況。執(zhí)行元件采用施耐德接觸器，保護元件采用施耐德空氣斷路器及熱繼電器。

5 系統(tǒng)控制流程（如圖2）

根據(jù)控制要求，給出系統(tǒng)控制流程圖。

6 控制程序的設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)控制流程圖，給出各模塊的程序設(shè)計。

先閉合主回路開關(guān)，然后閉合控制回路DC110V開關(guān)7Q，空調(diào)系統(tǒng)即自動進入工作狀態(tài)。由傳感器檢測到車內(nèi)溫度，與PLC內(nèi)部設(shè)定的溫度比較后，自動進行通風(fēng)、半冷、全冷、預(yù)冷的工作狀態(tài)。

溫度設(shè)定通過溫度選擇開關(guān)SA2實現(xiàn)。

SA2共分六檔：分別為自動，19℃，21℃，23℃，25℃，27℃。

自動檔時PLC內(nèi)部設(shè)定溫度為24℃。各檔回差值均為1.5℃。

以設(shè)定制冷溫度為24℃為例說明控制過程。

將SA2打到“自動”檔，即24℃，空調(diào)操作流程如下：

①系統(tǒng)自檢。閉合DC110V電源開關(guān)7Q，PLC自檢成功后，Q0.1點動作，向RIOM送出“自檢成功”信號。當(dāng)“ON/OFF”指令為高電平，EM223的I2.2點有輸入，系統(tǒng)允許啟動。當(dāng)“ON/OFF”指令為低電平，EM223的I2.2點無輸入，系統(tǒng)不允許啟動，即系統(tǒng)停機。

②溫度控制?？蛇x擇控制溫度，自動模式為24℃，其他還可選擇19℃、21℃、23℃、25℃、27℃。按照設(shè)定溫度與采集溫度對比后，執(zhí)行相應(yīng)控制。

③通風(fēng)。執(zhí)行通風(fēng)操作。此時，EM223的Q2.0，Q2.1，Q3.0，Q3.1動作，接觸器EFK11，EFK12，EFK21，EFK22吸合，兩機組的通風(fēng)機運轉(zhuǎn)。EM223上四點的指示燈亮。

④半冷。由EM231檢測兩個溫度傳感器PT100的溫度值，取其平均值作為室溫。當(dāng)溫度升高，≥25.5℃時，發(fā)出“需要啟動”信號。當(dāng)接收到“機組1允許啟動信號”（I2.3）后，EM223的Q2.2（Q2.3）輸出點動作，接觸器CFK11（CFK12）吸合，機組1的一臺冷凝風(fēng)機CF11（CF12）運轉(zhuǎn)。延時45S后，EM223的Q2.4輸出點動作，接觸器CPK11吸合，第一臺機組的壓縮機CP1的線圈1投入運行。延時0.5S后，EM223的Q2.5輸出點動作，接觸器CPK12吸合，線圈2投入。當(dāng)接收到“機組2允許啟動信號”（I2.4）后，EM223的Q3.2（Q3.3）輸出點動作，接觸器CFK21（CFK22）吸合，機組2的一臺冷凝風(fēng)機CF21 （CF22）運轉(zhuǎn)。延時45S后，EM223的Q3.4輸出點動作，接觸器CPK21吸合，第二臺機組的壓縮機CP2的線圈1投入運行。延時0.5S后，EM223的Q3.5輸出點動作，接觸器CPK22吸合，線圈2投入。半冷時壓縮機電磁閥不動作，系統(tǒng)保持半載狀態(tài)。

當(dāng)溫度下降到24℃以下時，冷凝風(fēng)機及壓縮機均停止運行，僅通風(fēng)機保持運轉(zhuǎn)。

⑤全冷。在半冷狀態(tài)下，當(dāng)溫度繼續(xù)升高，≥27.5℃時，EM223的Q2.3（Q2.2）和Q3.3（Q3.2）輸出點動作，兩機組的另一臺冷凝風(fēng)機CF12（CF11）和CF22（CF21）投入運行，即此時四臺冷凝風(fēng)機均工作，同時EM223的Q2.6和Q3.6輸出點動作，此時兩機組的壓縮機電磁閥動作，系統(tǒng)全載運行，機組處于全冷狀態(tài)。

當(dāng)溫度降到26℃以下時，壓縮機電磁閥斷開，且兩機組各停一臺冷凝風(fēng)機CF11（CF12）和CF21（CF22），系統(tǒng)重又進入半載狀態(tài)，此時機組又執(zhí)行半冷操作。當(dāng)溫度重新回升到≥27.5℃時，四臺冷凝風(fēng)機及電磁閥重又運行，系統(tǒng)又處于全冷狀態(tài)。如此反復(fù)。

如系統(tǒng)一起機室溫即≥27.5℃，則發(fā)出“需要啟動”信號，機組1的兩臺冷凝風(fēng)機CF11，CF12運轉(zhuǎn)。延時45S后，第一臺機組的壓縮機電磁閥動作。此時機組1進入全冷狀態(tài)。當(dāng)接收到“機組2允許啟動信號”（I2.4）后，第二臺機組的壓縮機電磁閥動作。此時機組2進入全冷狀態(tài)。

接收到允許啟動信號后，PLC將“需要啟動”信號復(fù)位。如果接收到允許啟動信號并且在冷凝風(fēng)機運行后的1.6S內(nèi)，機組1或機組2的允許啟動信號消失，則“需要啟動”信號保持高電平，等待再一次接收允許啟動信號。

當(dāng)溫度降到26℃以下時，電磁閥均斷開，且兩機組各停一臺冷凝風(fēng)機CF11（CF12）和CF21（CF22），系統(tǒng)重又進入半載狀態(tài)，此時機組又執(zhí)行半冷操作。當(dāng)溫度重新回升到≥27.5℃時，四臺冷凝風(fēng)機及電磁閥重又運行，系統(tǒng)又處于全冷狀態(tài)。如此反復(fù)。

⑥緊急通風(fēng)。如PLC控制器發(fā)生故障，則無論兩個輔助逆變器正常與否，緊急逆變器均會啟動，執(zhí)行緊急通風(fēng)。

7 結(jié)論

通過本系統(tǒng)的設(shè)計和測試，我們認識到，對于復(fù)雜系統(tǒng)的控制，如果采用繼電控制，不僅系統(tǒng)繁瑣、調(diào)試困難，故障概率大，而且對以后的維護也帶來困難。采用PLC進行控制，除解決以上問題外，還有以下特點。

①控制條理清楚，接線簡單明了。

②用軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繼電控制，減少了設(shè)計上的困難，減少了系統(tǒng)故障。

③模塊化設(shè)計，便于調(diào)試。

④編程圖形化，使之一目了然。

日后，隨著對PLC硬件系統(tǒng)和通訊方式的深入了解，還可以豐富遠程控制指令，以應(yīng)對運行過程中的突發(fā)狀況，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定可靠，性能更加完善。

參考文獻：

[1]戴仙金.西門子S7-200系列PLC應(yīng)用與開發(fā)[M].中國水利水電出版社，2007.

[2]西門子中國有限公司.深入淺出西門子S7-200PLC（第三版） [M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[3]柳梁.編程控制器（PLC）入門PLC及其硬件組成[J].計算機時代，1996（5）.