孫 興,包西平
(徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇徐州 221140)
高鐵出行中,空調(diào)系統(tǒng)作為動(dòng)車的一個(gè)重要子系統(tǒng)在車輛中扮演著重要角色??照{(diào)的功能根據(jù)地域的不同,所發(fā)揮的功能也不盡不同。由于南北的氣候差異較大,動(dòng)車組空調(diào)是一體的,空調(diào)的溫度值是設(shè)定的固定值,并不會(huì)根據(jù)動(dòng)車組所含有的人口數(shù)量而進(jìn)行更改,而且也沒有更改溫度的操作面板,所以動(dòng)車組空調(diào)無法正常工作到適宜溫度,讓人感到忽冷忽熱??照{(diào)一般都是全冷和半冷,通風(fēng)量也只有一兩擋的調(diào)節(jié)。因此動(dòng)車的獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)非常重要。
本文的設(shè)計(jì)就是針對(duì)以上問題,加以修改、創(chuàng)新所完成的。具體涉及到動(dòng)車組獨(dú)立空調(diào),根據(jù)需求在一塊操作面板上更改空調(diào)的適宜溫度。
在該設(shè)計(jì)中,主要運(yùn)用了PLC 技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻器技術(shù)、以太網(wǎng)通訊技術(shù)、MCGS觸摸屏等技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)動(dòng)車空調(diào)的獨(dú)立性和自動(dòng)化。在手動(dòng)模式下,通過各個(gè)部件的獨(dú)立按鈕來手動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)部件的運(yùn)行方式,達(dá)到適合人們需求的溫度;在自動(dòng)模式下,根據(jù)溫度傳感器來感知當(dāng)前溫度,并發(fā)送到上位機(jī)MCGS 觸摸屏上,通過上位機(jī)發(fā)送一系列指令,來使各個(gè)部件產(chǎn)生一系列動(dòng)作來達(dá)到適宜的溫度。觸摸屏作為一種直觀方便的人機(jī)交互方式,在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。
主控為西門子PLC S7-1200,通過硬件、軟件的設(shè)計(jì)來模擬動(dòng)車獨(dú)立空調(diào)運(yùn)行的控制要求。PLC 主要是用能夠編寫程序的存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)一系列的可操作運(yùn)算,包含邏輯、數(shù)字和算術(shù)運(yùn)算等,輸入和輸出由數(shù)字化和模擬化2種方式實(shí)現(xiàn),能夠控制生產(chǎn)過程中的各類機(jī)械[2]。硬件主要是驅(qū)動(dòng)部分,也就是執(zhí)行元件,輸入部分主要有外部按鈕控制、接近開關(guān)、MCGS觸摸屏、溫度傳感器。
使用博圖軟件書寫梯形圖進(jìn)行軟件的編程來實(shí)現(xiàn)控制要求。通過模擬實(shí)物調(diào)試完成所設(shè)計(jì)的功能。
圖1 所示為智能窗簾控制裝置連接示意圖。圖中,控制器的作用主要是數(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送;MCGS 觸摸屏采集溫度信息下發(fā)到控制器,并給控制器下發(fā)控制命令來實(shí)現(xiàn)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)模式。按鍵裝置為整個(gè)系統(tǒng)的手動(dòng)控制,采用獨(dú)立式按鈕可以更便捷地控制各個(gè)模擬部件的運(yùn)轉(zhuǎn),防止由于溫度傳感器的損壞而導(dǎo)致機(jī)器的無法正常運(yùn)行。接近開關(guān)的作用反饋給控制器限位保護(hù)信號(hào),防止模擬動(dòng)車運(yùn)行的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)超程。所采用的接近開關(guān)型號(hào)為OBM-D04NK,這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是金屬物體[3]。
圖1 智能窗簾控制裝置連接示意圖
系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。使用的控制器是西門子PLC S7-1200,控制的對(duì)象是模擬通風(fēng)機(jī)(M4)、模擬壓縮機(jī)(M1)、模擬冷凝機(jī)(M2、M3)、模擬動(dòng)車運(yùn)行電機(jī)(伺服電機(jī)M5)。
控制方法是通過交換機(jī)使MCGS 上位機(jī)與每個(gè)PLC 之間通過以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通訊連接。當(dāng)有2個(gè)以上通信設(shè)備時(shí),系統(tǒng)將運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)連接,這時(shí)就要利用以太網(wǎng)加以完成[4]。本次設(shè)計(jì)中由于通訊設(shè)備較多,所以選用交換機(jī)作為通訊轉(zhuǎn)換工具。從廣義上來分析,在通信系統(tǒng)里對(duì)于信息交換功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)備,就是交換機(jī)[5]。
在自動(dòng)狀態(tài)下,MCGS上位機(jī)采集當(dāng)前溫度值,并根據(jù)設(shè)定溫度范圍直接下發(fā)命令到各個(gè)控制器。然后通過控制器來控制各個(gè)機(jī)器的運(yùn)行程度,在5~20 ℃范圍內(nèi),壓縮機(jī)以15 Hz 的頻率運(yùn)行。在20~30 ℃范圍內(nèi),壓縮機(jī)以30 Hz 的頻率運(yùn)行。當(dāng)大于30℃時(shí),壓縮機(jī)以50 Hz的頻率運(yùn)行。冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s,然后冷凝機(jī)1和2同時(shí)運(yùn)行。
在手動(dòng)模式下,通過外部按鈕,來選擇調(diào)控各個(gè)機(jī)器的運(yùn)行模式。當(dāng)“手動(dòng)模式當(dāng)前車溫”設(shè)定為小于18 ℃或者“自動(dòng)模式溫度”顯示為18 ℃時(shí),空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入通風(fēng)模式。通風(fēng)機(jī)以低速的方式運(yùn)行4 s,6 s 后電機(jī)切換高速的方式運(yùn)行,并且此時(shí)壓縮機(jī)的指示燈常亮。壓縮機(jī)以30 Hz 的頻率運(yùn)行,此時(shí)壓縮機(jī)的代表燈常亮。冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s,然后冷凝機(jī)2運(yùn)行5 s,2個(gè)冷凝機(jī)交替運(yùn)行。
圖2 硬件結(jié)構(gòu)
在模擬調(diào)試中,車輛電機(jī)在B地位置啟動(dòng),先向C地運(yùn)行,到達(dá)后向A地運(yùn)行,到達(dá)A地后向B地運(yùn)行,來回往返運(yùn)動(dòng)。接近開關(guān)用來作為模擬動(dòng)車運(yùn)行的限位反饋,以達(dá)到正常的運(yùn)行范圍。無論為高溫模式還是低溫模式,無論是手動(dòng)模式還是主動(dòng)模式,只要是溫度達(dá)到適合人體的舒適溫度18~23 ℃,所有的運(yùn)行電機(jī)立即停止運(yùn)行。當(dāng)動(dòng)車選擇停止運(yùn)行時(shí),按下停止按鈕,所有的運(yùn)行電機(jī)立即停止運(yùn)行工作。
根據(jù)系統(tǒng)的功能要求,對(duì)PLC的I/O口進(jìn)行配置[6]。
主要電路的設(shè)計(jì):PLC1 控制模擬通風(fēng)機(jī)I/O 接線圖、PLC2控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)I/O接線圖、PLC3控制伺服電機(jī)(模擬動(dòng)車運(yùn)行)I/O接線圖、主電路圖。
如圖3所示為PLC1控制模擬通風(fēng)機(jī)I/O接線圖,PLC的電源接口及輸出端都使用交流220 V供電;輸入端采用直流24 V供電。PLC用來控制模擬壓縮機(jī)的運(yùn)行。當(dāng)SB1閉合后,PLC的輸入I0.0 得電,Q0.0 輸出,此時(shí)線圈KM1 得電;當(dāng)線圈KM1 得電后,KM1 常閉斷開;過一段時(shí)間,斷開Q0.0 的輸出,輸出Q0.1、Q0.2,此時(shí)KM2、KM3 線圈得電,KM1 線圈失電。
圖3 PLC1控制模擬通風(fēng)機(jī)I/O接線圖
圖4 所示為PLC2 控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)I/O 接線圖。PLC2控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)I/O接線圖。PLC的電源接口使用交流220 V 供電;輸入端采用直流24 V 供電;西門子SM1223 擴(kuò)展模塊是一種數(shù)字輸入輸出模塊,兩者通過35 mmDIN導(dǎo)軌進(jìn)行連接,可以很好地解決PLC上的輸入與輸出不夠的問題。并且SM1223輸入、輸出模塊的數(shù)字輸入開關(guān)均提供了增量編碼器脈沖信號(hào)的快速計(jì)數(shù)器的功能擴(kuò)展模塊,輸入端采用24 V 直流供電,輸出端采用交流220 V 供電。PLC通過連接變頻器[7]來控制模擬壓縮機(jī)的運(yùn)行速度。擴(kuò)展模塊用來控制模擬冷凝機(jī)1和模擬冷凝機(jī)2的運(yùn)行。
圖4 PLC2控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)I/O接線圖
模式1:當(dāng)SB1 閉合后,PLC 的輸入I0.0 得電,Q0.0 輸出;再次按下SB1,斷開Q0.0 輸出,Q0.1 輸出;第三次按下SB1,斷開Q0.1輸出,Q0.2輸出;按下按鈕SB2,停止Q的所有輸出。
模式2:當(dāng)SB1 閉合后,Q8.1 輸出;再次按下,Q8.2輸出。
圖5 PLC3 控制伺服電機(jī)(模擬動(dòng)車運(yùn)行)I/O接線圖
圖5所示為PLC3控制伺服電機(jī)(模擬動(dòng)車運(yùn)行)I/O接線圖。PLC的電源接口使用直流24 V 供電;輸入端和輸出端皆采用直流24 V 供電;PLC 通過連接伺服電機(jī)控制器來間接控制伺服電機(jī),用來模擬動(dòng)車的運(yùn)行。輸入信號(hào)SQ1、SQ2、SQ3 控制I0.1、I0.2、I0.3 的輸入,從而控制Q0.1、Q0.2的輸出。
圖6 所示為主電路圖,其中電機(jī)M4、M1、M2、M3 并聯(lián)使用,模擬通風(fēng)機(jī)(M4)為雙速電機(jī),模擬壓縮機(jī)(M1)、模擬冷凝機(jī)(M2、M3)為交流三相異步電動(dòng)機(jī)。值,發(fā)送到MCGS 上位機(jī)上;然后根據(jù)上位機(jī)里面設(shè)定的軟件程序,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式。在不同的溫度條件下來控制各個(gè)部件的運(yùn)行方式,以達(dá)到最佳運(yùn)行效果。
圖6 主電路圖
(1)當(dāng)繼電器KM1 閉合后,電機(jī)M4 低速的方式進(jìn)行運(yùn)行。當(dāng)過一段時(shí)間KM2KM3 閉合,KM1 斷開,電機(jī)M4 以高速的方式運(yùn)行。
(2)電機(jī)M1由三菱變頻器控制啟動(dòng)與停止和運(yùn)行頻率。
(3)當(dāng)繼電器KM4、KM5 閉合后,電機(jī)M2、M3 以50Hz的頻率正常運(yùn)行。
溫度模塊選擇溫度傳感器型號(hào) 為RS-WS-N01-1。 本 設(shè) 計(jì)中,通過上位機(jī)MCGS 觸摸屏的RS485 口,并且采用Modbus 協(xié)議與溫度傳感器進(jìn)行通訊讀取測量數(shù)值,連接方式如圖7 所示。其重要參數(shù)如表1所示。
圖7 溫度傳感器與MCGS通訊連接圖
表1 重要參數(shù)表
通過傳感器采集到的溫度
本文所采用的開發(fā)環(huán)境為TIA博途,TIA博途作為未來軟件工程組態(tài)包的基礎(chǔ),可對(duì)西門子全集成自動(dòng)化中所涉及的自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試[8]。用戶可方便地將變量從可編程控制器拖放到人機(jī)界面設(shè)備的畫面中。然后在人機(jī)界面內(nèi)即時(shí)分配變量,并在后臺(tái)自動(dòng)建立控制器與人機(jī)界面的連接,無需手動(dòng)組態(tài)。
圖8 所示為上電運(yùn)行流程圖。先做上電檢查,觀察系統(tǒng)運(yùn)行是否正常,不正常重新檢查再上電,正常的話選擇運(yùn)行模式。在自動(dòng)模式下,觀察MCGS 觸摸屏是否采集到當(dāng)前溫度值,有則根據(jù)程序設(shè)定控制模擬通風(fēng)機(jī)、模擬冷凝機(jī)1、模擬冷凝機(jī)2、模擬壓縮機(jī)的運(yùn)行。無則重新檢查并上電。在手動(dòng)狀態(tài)下,檢查模擬通風(fēng)機(jī)控制按鈕、模擬冷凝機(jī)控制按鈕、模擬壓縮機(jī)控制按鈕是否正常,若正常工作直接控制各自對(duì)應(yīng)的機(jī)器,不正常工作則重新檢查并上電工作。
圖8 程序總流程圖
圖9 所示為手動(dòng)狀態(tài)下的部分博途軟件下載程序。圖中為模擬壓縮機(jī)的控制程序,當(dāng)進(jìn)行壓縮機(jī)調(diào)試時(shí),M0.0 常開閉合,當(dāng)啟動(dòng)按鈕I0.0 閉合后。I0.0 常開每閉合1 次,則MW11寄存器加1。當(dāng)MW11寄存器中的值為1時(shí),點(diǎn)M2.0置位;當(dāng)MW11 寄存器中的值為2 時(shí),點(diǎn)M2.1 置位;當(dāng)MW11寄存器中的值為3時(shí),點(diǎn)M2.2置位。當(dāng)點(diǎn)M0.0得電后,定時(shí)器DB4 開始定時(shí),1 s 時(shí)間到,輸出M1.6。此時(shí),點(diǎn)M1.6 得電,定時(shí)器DB7開始計(jì)時(shí),1 s時(shí)間到輸出點(diǎn)M1.5,點(diǎn)M1.5常閉斷開。點(diǎn)M1.6與點(diǎn)M1.5相互影響,每1 s的時(shí)間閉合1次。當(dāng)點(diǎn)M1.1 或點(diǎn)M1.0 或M1.6 閉合后,Q0.4 線圈得電。由于選擇壓縮機(jī)調(diào)試,所以點(diǎn)M0.0 常開閉合,當(dāng)點(diǎn)M2.2 常開閉合后,輸出Q0.5線圈得電。當(dāng)線圈Q0.0、線圈Q0.3或線圈Q0.5得電后,常開閉合后,線圈Q0.1得電。
圖10 所示為上位機(jī)MCGS 的部分軟件程序。圖為顯示及手自動(dòng)模式的控制程序,當(dāng)溫度大于45 ℃時(shí),顯示器只顯示45 ℃;當(dāng)溫度小于5 ℃,顯示器只顯示5 ℃。“If MS=1”為自動(dòng)模式,“If MS=0”為手動(dòng)模式。手自動(dòng)模式下,溫度大于30 ℃時(shí),程序控制壓縮機(jī)以50 Hz的頻率運(yùn)行。冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s,然后冷凝機(jī)1和2同時(shí)運(yùn)行。溫度小于30 ℃時(shí),冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s,然后冷凝機(jī)2運(yùn)行5 s,2個(gè)冷凝機(jī)進(jìn)行交替運(yùn)行。
圖10 觸摸屏程序部分截圖
本文研究的重點(diǎn)是動(dòng)車組空調(diào)的獨(dú)立性以及自動(dòng)化。關(guān)于控制部分主要是本文中第2節(jié)的硬件設(shè)計(jì)和第3節(jié)的軟件設(shè)計(jì),成功地完成動(dòng)車組獨(dú)立空調(diào)的模擬設(shè)計(jì),能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)模式以及手動(dòng)模式的運(yùn)行。根據(jù)本次的研究,因?yàn)椴捎檬?、自?dòng)2種模式,且各個(gè)模式運(yùn)行互不干擾,展現(xiàn)出空調(diào)的獨(dú)立性。自動(dòng)模式下,通過溫度傳感器的采集、程序的運(yùn)行,使獨(dú)立空調(diào)更加自動(dòng)化。