1 引言
控制系統(tǒng)的控制對象較為簡單—本文以上海新奧托實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的一個車輛運(yùn)行模擬控制系統(tǒng)為對象，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了一般I/O模塊的PLC控制。為有效利用資源，在此，考慮將高密度I/O單元引入到系統(tǒng)中來。系統(tǒng)模型雖然十分簡單，但是在改造過程中還是應(yīng)該基于系統(tǒng)的硬件組成及其工作原理進(jìn)行必要的可行性分析，實(shí)驗(yàn)，然后才能給出合理的改造方案。

2 硬件組成
(1) 控制對象
控制對象即本實(shí)驗(yàn)裝置是由上海新奧托實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的一個車輛運(yùn)行模擬控制系統(tǒng)，它由6個手動/自動道叉、1-2臺火車模型、2個站臺、2對紅/綠信號燈以及3段供電的軌道和沿途共設(shè)置的22個紅外信號檢測元件所組成。其中，供電軌道存在供電電壓和供電電壓方向兩個控制因素。其模型示意圖如圖1所示。

圖1 車輛運(yùn)行控制系統(tǒng)模型圖

其中，火車模型的運(yùn)行是靠兩段軌道的上輸出的直流電壓來供電，且運(yùn)行的方向和速度則是通過對輸出電壓的方向和大小進(jìn)行無極調(diào)節(jié)和控制來實(shí)現(xiàn)的--這就說明了理論上在同一段軌道上，兩輛火車的運(yùn)行速度及其方向是完全一樣的，系統(tǒng)中同時有兩輛火車運(yùn)行時，不存在碰撞或者追尾的問題。22個紅外信號檢測元件主要是對火車的位置實(shí)時監(jiān)控，作為系統(tǒng)的控制信號輸入到控制器上。在兩個站臺的出/入口和內(nèi)側(cè)軌道的一端共設(shè)有6個手動/自動叉道，通過給定的脈沖信號來選擇軌道,但是要注意脈沖寬度不能太大,否則，就會損壞叉道。這樣，就可以對系統(tǒng)的信號進(jìn)行一個初步的統(tǒng)計(jì):
·輸入信號: 22個光電檢測信號;
·輸出信號: 23個數(shù)字量;
3對模擬量。
(2) 原有控制系統(tǒng)
基于以上的分析，我們設(shè)定在本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中要實(shí)現(xiàn)如下基本功能:
· 站前鳴笛，以提醒工作人員接站;進(jìn)站時速度減慢，直至停下。出站時也要鳴笛。
·一次只能有一輛火車停在站臺，若已有火車停下，其他要進(jìn)站火車只能在站外等候進(jìn)站;否則須繞道(外圍軌道)而行，以免發(fā)生撞車事故。
·紅/綠燈作為火車能否出站的標(biāo)記:綠燈即通行，紅燈不通行。
為了實(shí)現(xiàn)上述功能，并基于上述對系統(tǒng)控制信號的統(tǒng)計(jì)，在原有控制系統(tǒng)中我們用了相應(yīng)的I/O模塊:2個ID212模塊，1個OC224和1個OC225模塊和1個DA004模塊。

3 系統(tǒng)改造
原有系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對系統(tǒng)的控制。但是在以上的分析中我們可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中控制信號多為數(shù)字量，而且點(diǎn)數(shù)相對較多，為了充分利用實(shí)驗(yàn)室資源，決定將高密度I/O單元引入到系統(tǒng)中來，對原有系統(tǒng)進(jìn)行改造。我們采用的高密度單元都為32點(diǎn)，這樣原有系統(tǒng)的兩個輸入、輸出模塊都可以分別采用一個。具體改造如下:
(1) 輸入模塊改造
系統(tǒng)共有22點(diǎn)數(shù)字量輸入，在此，只要采用1個32點(diǎn)的高密度單元就可以了。結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有狀況，我們選用1個ID215模塊來代替原有系統(tǒng)的兩個ID212模塊。在原系統(tǒng)中，ID212的COM端接地，在此，由于ID215是雙向晶體管輸入，即它的COM為接地或者5～24VDC均可，所以，在改造過程中不存在電路轉(zhuǎn)換的問題，改造方案是可行的----將原信號線直接接到新的高密度模塊上來即可。
(2) 輸出模塊改造
系統(tǒng)的輸出點(diǎn)數(shù)也較多，共23點(diǎn)。我們決定采用OD215來代替原有的OD225和OD224，這里，OD215用作32點(diǎn)靜態(tài)輸出用的晶體管輸出單元，其電路配置如圖2所示。

圖2 高密度模塊OD215的電路配置
由以上的電路配置圖可以知道，OD215和ID215不同，它的COM端只能接地，但是在原系統(tǒng)中，由其硬件電路決定了OC224以及OC225的COM端必須接2～24VDC，所以，這里就不能直接換接了。同時，由OD215模塊的性能可知，其最大開關(guān)能力為5VDC＋10%35mA(280mA/公共端，1.12A/單元，輸出電阻4.7kΩ)，在改造過程中還是要考慮到模塊的最大負(fù)荷能力，以免燒壞模塊。系統(tǒng)中共有23點(diǎn)數(shù)字量輸出:12個叉道控制信號;6個方向控制信號;1個蜂鳴器外加4個紅/綠燈信號(其中前19個信號都是繼電器輸出)。
·紅/綠燈電路改造
在對紅/綠燈電路進(jìn)行改造之前，首先要得出電路的工作原理。實(shí)驗(yàn)表明，系統(tǒng)的紅/綠燈電路本身存在一個門檻電壓的問題，也就是說只有達(dá)到一定的電壓值時，紅/綠燈才會發(fā)光。同時結(jié)合模塊性能，對原有電路進(jìn)行改造是可行的。
首先考慮到要在原有系統(tǒng)中增加一個上拉電阻R1，這樣就可以解決OD215和OC224以及OC225的COM端的矛盾了，整個系統(tǒng)處于“負(fù)邏輯”的控制狀態(tài)，這里所接的上拉電阻的阻值要盡可能的大(首選一般在1k~5k之間)。這樣在此路信號為高電平的時候，模塊中單路電流才會很小，控制在35mA之內(nèi)不會超過模塊的限流電流值;同時還要考慮到紅/綠燈電路的門檻電壓的問題。多次實(shí)驗(yàn)表明:在上拉電阻R1小到將近500Ω的時候，才能保證紅/綠燈電路的正常工作;同時在模塊的輸出側(cè)增加一個電阻模塊R2分流以避免模塊中單路電流過大，從而保護(hù)了模塊。這樣一來，改造后的系統(tǒng)便可保證原有系統(tǒng)既正常又安全的工作。系統(tǒng)的改造電路如圖3所示。圖3中:R1=500Ω，R2=170Ω，模塊輸出為高電平時，紅/綠燈電壓約為3V，沒有超過其門檻電壓，不導(dǎo)通;輸出為低電平時，紅/綠燈電壓約為7V，正常工作。
·繼電器電路改造

圖3 紅/綠燈電路部分改造

對系統(tǒng)中繼電器電路部分的改造相對簡單多了。和紅/綠燈電路改造步驟一樣，首先直接在電路中串連一個電阻，首選在1k~5k之間。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:只要在每路輸出電路中串連一個1.2kΩ的上拉電阻，這樣在此路信號為高電平的時候，模塊中單路電流才會很小，控制在24mA之內(nèi)不會超過模塊的限流電流值，即可保證原系統(tǒng)此類繼電器輸出部分即正常又安全的工作。其改造電路如圖4所示。

圖4 繼電器電路部分改造

至此基本完成了對原有控制系統(tǒng)的高密度I/O單元的改造，在紅/綠燈的改造過程中我們可以發(fā)現(xiàn)模塊的單路電流都接近其單路電流的限流值，考慮到模塊的安全性、使用壽命以及優(yōu)化控制系統(tǒng)的思想，在接線過程中就將4路紅/綠燈信號分散到了模塊的不同的公共端。

4 系統(tǒng)軟件改造
對系統(tǒng)的硬件改造在實(shí)質(zhì)上并沒有改變原有系統(tǒng)軟件的控制思想，所不同的是，系統(tǒng)的硬件改造中所引用的高密度I/O單元都是特殊功能模塊，輸入輸出點(diǎn)的地址表示有所不同，在改造過程中需要將原有地址和現(xiàn)有地址一一對應(yīng)進(jìn)行改造;同時，還需要注意的是OD215是采用負(fù)邏輯的方式輸出的，在原有PLC程序中需要對其作出相應(yīng)的調(diào)整。在原有由組態(tài)王開發(fā)的系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控畫面也需要修改原有程序中的某些地址以滿足對現(xiàn)有系統(tǒng)的實(shí)施監(jiān)控的目的。

5 結(jié)束語
在確定了對系統(tǒng)進(jìn)行改造的方案以后，通過一段時間的硬件連接、軟件改造以及調(diào)試，系統(tǒng)已經(jīng)能夠達(dá)到如期的控制效果，并能安全有效地實(shí)現(xiàn)控制任務(wù)。同時有效利用了實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有資源，說明了在某些系統(tǒng)中引入高密度控制單元的可行性并體現(xiàn)了控制系統(tǒng)的控制水平。