劉晉宏

摘要：文章采用PLC與HMI設(shè)計(jì)一種動(dòng)車組車廂的交互式調(diào)溫控制系統(tǒng)，以FX3U系列PLC為控制器，利用測(cè)溫傳感器、變頻器、HMI等技術(shù)，完成車廂內(nèi)獨(dú)立的人機(jī)交互調(diào)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。研究表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，調(diào)溫方便快捷，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：PLC;HMI;溫度傳感器;AD模塊

中圖分類號(hào)：U266 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.039

文章編號(hào)：1673-4874（2019）10-0139-04

0引言

隨著我國(guó)高鐵的快速發(fā)展和城市軌道交通的大規(guī)模建設(shè)，無(wú)論是高速動(dòng)車還是城市軌道交通運(yùn)營(yíng)車輛，人們對(duì)乘坐車廂的舒適性要求越來(lái)越高，其中車廂溫度則是很重要的一個(gè)影響指標(biāo)。長(zhǎng)時(shí)間坐動(dòng)車的旅客總感覺(jué)夏天是越坐越冷，冬天是越坐越熱，對(duì)此多有不適。由于列車車廂內(nèi)溫度系統(tǒng)為準(zhǔn)集中式空調(diào)系統(tǒng)，車廂內(nèi)溫度基本是恒定的，不能隨便調(diào)節(jié)或者乘務(wù)員能調(diào)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(nèi)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)節(jié)，進(jìn)行人機(jī)交互的調(diào)溫控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有重要意義。

1系統(tǒng)的工作原理

在CRH動(dòng)車組的車廂均配置有獨(dú)立的空調(diào)系統(tǒng)，空調(diào)裝置（壓縮機(jī)、冷凝機(jī)）設(shè)置在車輛地板下，空氣處理單元（通風(fēng)排風(fēng)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(jìn)行通風(fēng)換氣，空調(diào)系統(tǒng)的電氣和控制設(shè)備安裝在車輛電器柜內(nèi)。人機(jī)交互界面采用昆侖通態(tài)MCGS（TPC7062K）觸摸屏，實(shí)現(xiàn)溫度控制系統(tǒng)的電機(jī)測(cè)試和調(diào)節(jié)控制，驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)、空調(diào)工作模式、設(shè)定溫度等狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)監(jiān)控、顯示、實(shí)時(shí)輸入、分權(quán)限登陸，操作方便，便于檢查維護(hù)。

系統(tǒng)工作原理：運(yùn)行車廂空調(diào)系統(tǒng)HMI設(shè)備在操作上有“正常模式”和“維護(hù)模式”兩種模式可以選擇?！罢ＤＪ健笔浅藙?wù)員操作的模式，在該模式下可進(jìn)行溫度設(shè)定與制冷工況、通風(fēng)工況和加熱工況三種送風(fēng)模式的監(jiān)控;“維護(hù)模式”是檢修人員操作模式，在該模式下可通過(guò)人機(jī)界面顯示空調(diào)系統(tǒng)電機(jī)的狀態(tài)信息和進(jìn)行單臺(tái)電機(jī)測(cè)試。車廂溫度設(shè)定范圍為20℃-29℃，當(dāng)車廂環(huán)境溫度低于設(shè)定溫度，空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行在加熱工況;若等于設(shè)定溫度，空調(diào)系統(tǒng)按通風(fēng)工況運(yùn)行;若高于設(shè)定溫值，空調(diào)就切換到制冷工況模式。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

車廂調(diào)溫控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。在車廂內(nèi)布置有兩個(gè)溫度傳感器，通過(guò)它們檢測(cè)的溫度平均后得到車廂內(nèi)溫度，并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換模塊傳送給PLC，PLC經(jīng)過(guò)與觸摸屏設(shè)定的溫度進(jìn)行比較，決定空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入何種工況模式及控制設(shè)備的運(yùn)行頻率。

2.1溫度傳感器

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(guò)測(cè)量電阻而實(shí)現(xiàn)測(cè)量溫度的一種傳感器。測(cè)溫電阻的選型應(yīng)注意其限定范圍，如表1所示。

銅熱電阻，溫度特性偏差小，價(jià)格便宜，但電阻率較小，體積上無(wú)法實(shí)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(jià)格低廉，但在300℃左右存在臨界點(diǎn)，因而其使用上限溫度較低。

鎳鈷熱電阻，用來(lái)測(cè)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(dāng)Pt100在0℃時(shí)，它的阻值為100Ω，它的阻值會(huì)隨著溫度上升而成勻速增長(zhǎng)。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(cè)量。

2.2A/D轉(zhuǎn)換模塊

A/D轉(zhuǎn)換模塊根據(jù)選取PLC的類型進(jìn)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(zhuǎn)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(guò)向特殊軟元件寫入數(shù)值，可以設(shè)定平均次數(shù)或者指定輸入模式。

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

通過(guò)利用特殊輔助繼電器M8260的狀態(tài)，可以設(shè)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(cè)定溫度，D8261存放通道2測(cè)定溫度。在測(cè)定溫度中，保存即時(shí)值，或者按照平均次數(shù)中設(shè)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(diǎn)數(shù)不多，與觸摸屏通訊，僅控制4臺(tái)電機(jī)。從性價(jià)比、技術(shù)性能、維護(hù)方便性等方面考慮，可采用FX3U-16MR/ES-A，內(nèi)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(fēng)機(jī)，以及通風(fēng)機(jī)等設(shè)備。PLC的模擬量輸出模塊與變頻器模擬量輸入端相連接，實(shí)現(xiàn)電機(jī)0-50Hz變頻調(diào)速運(yùn)行。

2.4 HMI上位機(jī)

采用北京昆侖通態(tài)MCGS觸摸屏（TPC7062K），通過(guò)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(shè)定，觸摸屏上可實(shí)時(shí)監(jiān)控當(dāng)前溫度、驅(qū)動(dòng)電機(jī)狀態(tài)、空調(diào)工作模式等信息。

2.5 變頻器

采用三菱E740變頻器進(jìn)行模擬量調(diào)速控制壓縮機(jī)的運(yùn)行速度?？刂谱冾l器的信號(hào)來(lái)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(shè)計(jì)

3.1設(shè)計(jì)思路

車廂的當(dāng)前溫度通過(guò)溫度傳感器和模擬量模塊的處理，利用PLC與上位機(jī)MCGS的通信，在觸摸屏上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，觸摸屏針對(duì)乘務(wù)員和檢修員組態(tài)有兩種工作模式。針對(duì)旅客對(duì)當(dāng)前車廂溫度的要求，乘務(wù)員憑權(quán)限登錄“正常模式”，在正常模式下可進(jìn)行20℃-29℃范圍內(nèi)的溫度設(shè)定，PLC根據(jù)HMI輸入的溫度值與當(dāng)前值比較，決定啟動(dòng)相應(yīng)的送風(fēng)模式，并實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前工況。檢修員憑權(quán)限登錄“維護(hù)模式”，在該模式下可通過(guò)人機(jī)界面監(jiān)測(cè)空調(diào)系統(tǒng)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)和進(jìn)行單臺(tái)電機(jī)的調(diào)試。系統(tǒng)的關(guān)鍵在于對(duì)當(dāng)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(shè)計(jì)

首頁(yè)界面設(shè)計(jì)內(nèi)容（如圖2所示）。選擇“正常模式”按鈕，自動(dòng)彈出“用戶登入”窗口，用戶名下拉選“乘務(wù)員”，輸入預(yù)設(shè)密碼“123"方可進(jìn)入“正常模式”界面，密碼錯(cuò)誤則不能進(jìn)入相應(yīng)界面，設(shè)置完成后可返回首頁(yè)界面。選擇“維護(hù)模式”按鈕，自動(dòng)彈出“用戶登入”窗口，用戶名下拉選“檢修員”，輸入預(yù)設(shè)密碼“456”方可進(jìn)入“維護(hù)模式”界面，密碼錯(cuò)誤不能進(jìn)入相應(yīng)界面，可在調(diào)試過(guò)程點(diǎn)苗按鈕返回。

“正常模式”界面組態(tài)包含設(shè)定溫度輸入框、車內(nèi)溫度顯示框及制冷工況、通風(fēng)工況和加熱工況運(yùn)行狀態(tài)指示燈、返回按鈕等構(gòu)件。“維護(hù)模式”界面組態(tài)包含選擇電機(jī)調(diào)試的列表對(duì)話框、冷凝風(fēng)機(jī)1、冷凝風(fēng)機(jī)2、壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)等運(yùn)行狀態(tài)指示燈，以及壓縮機(jī)當(dāng)前運(yùn)行頻率顯示、返回按鈕等構(gòu)件。

其中圖2中的構(gòu)件“正常模式”按鈕用到的腳本程序如下：

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

用戶窗口.正常模式.Open（）

ENDIF

“維護(hù)模式”按鈕構(gòu)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(hù)模式.Open（）

ENDIF

3.3PLC程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)程序可采用三菱Gxdeveloper編程軟件的梯形圖以及SFC來(lái)實(shí)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(fù)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(shí)進(jìn)入工作模式選擇等待狀態(tài)。

3.3.1“正常模式”控制程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）程序初始化。

（2）MCGS設(shè)定溫度。

（3）車廂溫度當(dāng)前值的采集。

（4）溫度當(dāng)前值與設(shè)定值的比較：

①若當(dāng)前值>設(shè)定值，啟動(dòng)制冷工況模式，通風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，3S后切換到高速運(yùn)行并保持;制冷系統(tǒng)壓縮機(jī)以10HZ啟動(dòng)運(yùn)行，每隔3S頻率增加5HZ，直到壓縮機(jī)50HZ運(yùn)行并保持;3S后冷凝風(fēng)機(jī)1運(yùn)行并保持，3S后冷凝風(fēng)機(jī)2運(yùn)行并保持，全冷工況啟動(dòng)完畢進(jìn)入運(yùn)行狀況，MCGS制冷模式指示燈亮，并實(shí)時(shí)顯示車廂當(dāng)前溫度。

②若當(dāng)前值<設(shè)定值，啟動(dòng)加熱工況模式，開(kāi)啟電輔熱，通風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行，3S后切換到高速運(yùn)行并保持;制熱系統(tǒng)壓縮機(jī)以10HZ啟動(dòng)運(yùn)行，每隔3S頻率增加5HZ，直到壓縮機(jī)30HZ運(yùn)行并保持，MCGS加熱工況模式指示燈亮，并實(shí)時(shí)顯示車廂當(dāng)前溫度。

③若當(dāng)前值：設(shè)定值，空調(diào)系統(tǒng)按通風(fēng)工況運(yùn)行，通風(fēng)機(jī)低速運(yùn)行后切換到高速運(yùn)行，冷凝風(fēng)機(jī)1和冷凝風(fēng)機(jī)2間隔5S交替運(yùn)行，MCGS通風(fēng)工況模式指示燈亮，并實(shí)時(shí)顯示車廂當(dāng)前溫度。

（5）執(zhí)行D/A轉(zhuǎn)換，模擬量輸出控制變頻器進(jìn)行壓縮機(jī)調(diào)速。

3.3.2 “維護(hù)模式”控制程序設(shè)計(jì)要點(diǎn)

（1）程序初始化。

（2）判斷選擇的調(diào)試電機(jī)。

（3）根據(jù)性能測(cè)試要求調(diào)試各電機(jī)。

4 試驗(yàn)結(jié)果

為驗(yàn)證本設(shè)計(jì)的控制效果，采用摩擦Pt100感應(yīng)頭改變測(cè)量溫度來(lái)測(cè)試控制系統(tǒng)的可行性。系統(tǒng)啟動(dòng)后，在MCGS觸摸屏上采用不同的溫度值設(shè)定，均能使系統(tǒng)在不同工況的運(yùn)行要求下啟動(dòng)相應(yīng)電機(jī)，較好地實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互情況下空調(diào)控制系統(tǒng)的電機(jī)運(yùn)行控制。

5 結(jié)語(yǔ)

采用PLC和HMI設(shè)計(jì)的動(dòng)車空調(diào)調(diào)溫控制系統(tǒng)，完全符合空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入不同工況模式下各種電機(jī)運(yùn)行控制需求，可實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)獨(dú)立的人機(jī)交互溫控要求，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，控制方便快捷，可以在實(shí)際環(huán)境中完善推廣應(yīng)用。