基于PLC與HMI的動車調溫控制系統(tǒng)的設計研究

劉晉宏

摘要：文章采用PLC與HMI設計一種動車組車廂的交互式調溫控制系統(tǒng)，以FX3U系列PLC為控制器，利用測溫傳感器、變頻器、HMI等技術，完成車廂內獨立的人機交互調溫系統(tǒng)的設計。研究表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，調溫方便快捷，具有良好的推廣應用價值。

關鍵詞：PLC;HMI;溫度傳感器;AD模塊

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.039

文章編號：1673-4874（2019）10-0139-04

0引言

隨著我國高鐵的快速發(fā)展和城市軌道交通的大規(guī)模建設，無論是高速動車還是城市軌道交通運營車輛，人們對乘坐車廂的舒適性要求越來越高，其中車廂溫度則是很重要的一個影響指標。長時間坐動車的旅客總感覺夏天是越坐越冷，冬天是越坐越熱，對此多有不適。由于列車車廂內溫度系統(tǒng)為準集中式空調系統(tǒng)，車廂內溫度基本是恒定的，不能隨便調節(jié)或者乘務員能調節(jié)的范圍很小。因此根據(jù)旅客需求，解決車廂溫度在一定范圍內實現(xiàn)獨立調節(jié)，進行人機交互的調溫控制系統(tǒng)設計具有重要意義。

1系統(tǒng)的工作原理

在CRH動車組的車廂均配置有獨立的空調系統(tǒng)，空調裝置（壓縮機、冷凝機）設置在車輛地板下，空氣處理單元（通風排風裝置）位于車輛兩端的天花板和車頂之間，隨著氣壓、溫度變化進行通風換氣，空調系統(tǒng)的電氣和控制設備安裝在車輛電器柜內。人機交互界面采用昆侖通態(tài)MCGS（TPC7062K）觸摸屏，實現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的電機測試和調節(jié)控制，驅動電機狀態(tài)、空調工作模式、設定溫度等狀態(tài)信息的實時監(jiān)控、顯示、實時輸入、分權限登陸，操作方便，便于檢查維護。

系統(tǒng)工作原理：運行車廂空調系統(tǒng)HMI設備在操作上有“正常模式”和“維護模式”兩種模式可以選擇?！罢ＤＪ健笔浅藙諉T操作的模式，在該模式下可進行溫度設定與制冷工況、通風工況和加熱工況三種送風模式的監(jiān)控;“維護模式”是檢修人員操作模式，在該模式下可通過人機界面顯示空調系統(tǒng)電機的狀態(tài)信息和進行單臺電機測試。車廂溫度設定范圍為20℃-29℃，當車廂環(huán)境溫度低于設定溫度，空調系統(tǒng)運行在加熱工況;若等于設定溫度，空調系統(tǒng)按通風工況運行;若高于設定溫值，空調就切換到制冷工況模式。

2 系統(tǒng)的硬件設計

車廂調溫控制系統(tǒng)硬件結構如圖1所示。在車廂內布置有兩個溫度傳感器，通過它們檢測的溫度平均后得到車廂內溫度，并通過A/D轉換模塊傳送給PLC，PLC經(jīng)過與觸摸屏設定的溫度進行比較，決定空調系統(tǒng)進入何種工況模式及控制設備的運行頻率。

2.1溫度傳感器

本系統(tǒng)設計中選用Pt100三線式熱電阻，是利用金屬或金屬氧化物的電阻值根據(jù)溫度變化而發(fā)生改變的特性，通過測量電阻而實現(xiàn)測量溫度的一種傳感器。測溫電阻的選型應注意其限定范圍，如表1所示。

銅熱電阻，溫度特性偏差小，價格便宜，但電阻率較小，體積上無法實現(xiàn)小型化，在高溫下容易氧化，它的使用上限溫度為150℃。

鎳熱電阻，電阻值變化較大，價格低廉，但在300℃左右存在臨界點，因而其使用上限溫度較低。

鎳鈷熱電阻，用來測量極低溫度。

Pt100屬于鉑熱電阻，其阻值跟溫度的變化成正比。工作原理：當Pt100在0℃時，它的阻值為100Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長。由于Pt100在溫度影響下的電阻值變化較大，且穩(wěn)定性和精度較高，因而被廣泛用于工業(yè)測量。

2.2A/D轉換模塊

A/D轉換模塊根據(jù)選取PLC的類型進行選型。本系統(tǒng)PLC以FX3U為控制核心，因而選擇FX3U-4AD-PT-ADP（4通道鉑電阻輸入）模塊較為理想。鉑電阻（3線式）數(shù)字量輸出范圍為-500～+2500，使用PT-ADP獲取模擬量數(shù)據(jù)的工作原理為：

（1）輸入的模擬量數(shù)據(jù)被轉換成數(shù)字值，并被保存在FX3U可編程控制器的特殊軟元件中。

（2）通過向特殊軟元件寫入數(shù)值，可以設定平均次數(shù)或者指定輸入模式。

（3）依照從基本單元開始的連接順序，分配特殊軟元件，每個模塊分配特殊輔助繼電器、特殊數(shù)據(jù)寄存器各10個。

通過利用特殊輔助繼電器M8260的狀態(tài)，可以設定PT-ADP的溫度單位。M8260置為ON：華氏（°F），若置為OFF：攝氏（℃）。

將PT-ADP中輸入的溫度數(shù)據(jù)，保存到特殊數(shù)據(jù)寄存器中。FX3U可編程控制器中特殊數(shù)據(jù)寄存器D8260存放通道1測定溫度，D8261存放通道2測定溫度。在測定溫度中，保存即時值，或者按照平均次數(shù)中設定的次數(shù)而得到的平均值。

2.3 PLC控制單元

本系統(tǒng)涉及的I/O點數(shù)不多，與觸摸屏通訊，僅控制4臺電機。從性價比、技術性能、維護方便性等方面考慮，可采用FX3U-16MR/ES-A，內置8入/8出（繼電器），AC電源供電。輸入部分主要連接MCGS、FX3U-4AD-PT-ADP等單元，輸出部分連接FX3U-3A-ADP控制變頻器、冷凝風機，以及通風機等設備。PLC的模擬量輸出模塊與變頻器模擬量輸入端相連接，實現(xiàn)電機0-50Hz變頻調速運行。

2.4 HMI上位機

采用北京昆侖通態(tài)MCGS觸摸屏（TPC7062K），通過RS-232數(shù)據(jù)線將其與FX3U PLC控制器通信。溫度控制系統(tǒng)的工作模式和車廂溫度等信息可由觸摸屏設定，觸摸屏上可實時監(jiān)控當前溫度、驅動電機狀態(tài)、空調工作模式等信息。

2.5 變頻器

采用三菱E740變頻器進行模擬量調速控制壓縮機的運行速度?？刂谱冾l器的信號來自PLC的模擬量FX3U-3A-ADP輸出模塊，頻率控制范圍為0-50HN.

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1設計思路

車廂的當前溫度通過溫度傳感器和模擬量模塊的處理，利用PLC與上位機MCGS的通信，在觸摸屏上實時顯示出來，觸摸屏針對乘務員和檢修員組態(tài)有兩種工作模式。針對旅客對當前車廂溫度的要求，乘務員憑權限登錄“正常模式”，在正常模式下可進行20℃-29℃范圍內的溫度設定，PLC根據(jù)HMI輸入的溫度值與當前值比較，決定啟動相應的送風模式，并實時顯示當前工況。檢修員憑權限登錄“維護模式”，在該模式下可通過人機界面監(jiān)測空調系統(tǒng)電機的運行狀態(tài)和進行單臺電機的調試。系統(tǒng)的關鍵在于對當前溫度的采集處理以及控制變頻器的模擬量輸出。

3.2 MCGS組態(tài)設計

首頁界面設計內容（如圖2所示）。選擇“正常模式”按鈕，自動彈出“用戶登入”窗口，用戶名下拉選“乘務員”，輸入預設密碼“123"方可進入“正常模式”界面，密碼錯誤則不能進入相應界面，設置完成后可返回首頁界面。選擇“維護模式”按鈕，自動彈出“用戶登入”窗口，用戶名下拉選“檢修員”，輸入預設密碼“456”方可進入“維護模式”界面，密碼錯誤不能進入相應界面，可在調試過程點苗按鈕返回。

“正常模式”界面組態(tài)包含設定溫度輸入框、車內溫度顯示框及制冷工況、通風工況和加熱工況運行狀態(tài)指示燈、返回按鈕等構件?！熬S護模式”界面組態(tài)包含選擇電機調試的列表對話框、冷凝風機1、冷凝風機2、壓縮機、通風機等運行狀態(tài)指示燈，以及壓縮機當前運行頻率顯示、返回按鈕等構件。

其中圖2中的構件“正常模式”按鈕用到的腳本程序如下：

IF！Logon（）=0AND ！strComp（！Get-CurrentUser（），”乘務員”）=0THEN

用戶窗口.正常模式.Open（）

ENDIF

“維護模式”按鈕構件用到的腳本程序如下：

IF！LogOn（）=0AND ！strComp（！Get-CurrentUser（），”檢修員”）=0THEN

用戶窗口.維護模式.Open（）

ENDIF

3.3PLC程序設計

系統(tǒng)程序可采用三菱Gxdeveloper編程軟件的梯形圖以及SFC來實現(xiàn)，主程序工作流程如圖3所示。在主程序中，系統(tǒng)通電后，首先初始化復位狀態(tài)步、輔助繼電器和寄存器，執(zhí)行AD模塊以及DA模塊處理程序，同時進入工作模式選擇等待狀態(tài)。

3.3.1“正常模式”控制程序設計要點

（1）程序初始化。

（2）MCGS設定溫度。

（3）車廂溫度當前值的采集。

（4）溫度當前值與設定值的比較：

①若當前值>設定值，啟動制冷工況模式，通風機低速運行，3S后切換到高速運行并保持;制冷系統(tǒng)壓縮機以10HZ啟動運行，每隔3S頻率增加5HZ，直到壓縮機50HZ運行并保持;3S后冷凝風機1運行并保持，3S后冷凝風機2運行并保持，全冷工況啟動完畢進入運行狀況，MCGS制冷模式指示燈亮，并實時顯示車廂當前溫度。

②若當前值<設定值，啟動加熱工況模式，開啟電輔熱，通風機低速運行，3S后切換到高速運行并保持;制熱系統(tǒng)壓縮機以10HZ啟動運行，每隔3S頻率增加5HZ，直到壓縮機30HZ運行并保持，MCGS加熱工況模式指示燈亮，并實時顯示車廂當前溫度。

③若當前值：設定值，空調系統(tǒng)按通風工況運行，通風機低速運行后切換到高速運行，冷凝風機1和冷凝風機2間隔5S交替運行，MCGS通風工況模式指示燈亮，并實時顯示車廂當前溫度。

（5）執(zhí)行D/A轉換，模擬量輸出控制變頻器進行壓縮機調速。

3.3.2 “維護模式”控制程序設計要點

（1）程序初始化。

（2）判斷選擇的調試電機。

（3）根據(jù)性能測試要求調試各電機。

4 試驗結果

為驗證本設計的控制效果，采用摩擦Pt100感應頭改變測量溫度來測試控制系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)啟動后，在MCGS觸摸屏上采用不同的溫度值設定，均能使系統(tǒng)在不同工況的運行要求下啟動相應電機，較好地實現(xiàn)了人機交互情況下空調控制系統(tǒng)的電機運行控制。

5 結語

采用PLC和HMI設計的動車空調調溫控制系統(tǒng)，完全符合空調系統(tǒng)進入不同工況模式下各種電機運行控制需求，可實現(xiàn)車廂內獨立的人機交互溫控要求，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，控制方便快捷，可以在實際環(huán)境中完善推廣應用。