引言

　　舉世矚目的青藏鐵路以其特殊的地理環(huán)境條件，給鐵道客車電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來了許多新的課題，如青藏鐵路高海拔、低氣壓、環(huán)境溫度低、溫差變化大等環(huán)境地理?xiàng)l件將對核心控制部件、低壓電器部件等的絕緣與介電強(qiáng)度、電氣間隙與爬電距離、溫升等性能參數(shù)產(chǎn)生一定的影響。

　　對青藏鐵路客車電氣系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性、可靠性等產(chǎn)生重要影響的低壓電氣屏柜控制系統(tǒng)面臨著以上問題，設(shè)計(jì)過程中根據(jù)對控制系統(tǒng)的分析與研究，遵循低壓電器控制系統(tǒng)的安全設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)、節(jié)能設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)原則，采取合理對策，歷經(jīng)多次試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了青藏鐵路特殊環(huán)境條件對電氣控制系統(tǒng)的影響，設(shè)計(jì)開發(fā)了以PLC與觸摸屏（或稱“HMI”）為控制核心的青藏鐵路客車電氣綜合控制柜（以下簡稱“控制柜”）。

　　新型青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)，將客車?yán)鲜诫姎饪刂葡到y(tǒng)的各個(gè)電氣監(jiān)控部分進(jìn)行了優(yōu)化整合，集成到統(tǒng)一的低壓電氣屏柜內(nèi)?？刂乒癫捎靡設(shè)MRON的PLC（CPM2A-CPU61）、PLC的I/O擴(kuò)展模塊CPM1A-20EDR1、RS232通訊適配器CPM1-CIF01、NT系列可編程終端NT31等為基礎(chǔ)架構(gòu)的控制核心，實(shí)現(xiàn)了以下以幾點(diǎn)主要設(shè)計(jì)工藝：

　?、?客車供電電源的選擇、轉(zhuǎn)換、故障判斷保護(hù)等自動控制、手動控制。

　?、?客車空調(diào)機(jī)組的工況選擇、轉(zhuǎn)換、故障判斷保護(hù)等自動控制、手動控制。

　　③ 客車制氧系統(tǒng)的配電控制與監(jiān)控。

　?、?客車應(yīng)急供電電源的監(jiān)控保護(hù)、轉(zhuǎn)換控制。

　?、?客車照明系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換控制。

　?、?客車車載網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。

　　控制柜的PLC（CPM2A-CPU61）通過RS232-C端口實(shí)現(xiàn)與觸摸屏NT31（以下簡稱HMI）通訊，接受HMI發(fā)送的各種指令并自動執(zhí)行相應(yīng)的操作步驟，對電氣系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障及時(shí)進(jìn)行診斷、指示并保護(hù)，控制柜具有檢測、控制、診斷保護(hù)、信息提示、聯(lián)網(wǎng)通訊功能，實(shí)現(xiàn)電氣系統(tǒng)的綜合控制。PLC通過外圍端口的RS232-C適配器與車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行串行通訊，實(shí)現(xiàn)與本車裝備的智能電氣設(shè)備的通訊及實(shí)現(xiàn)客車與客車之間的相互聯(lián)網(wǎng)通訊，并為逐步實(shí)現(xiàn)車對地、地對車的計(jì)算機(jī)聯(lián)網(wǎng)通訊打下了技術(shù)基礎(chǔ)。

青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用方案簡介

　　青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型

　　1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)更新必要性

　　老式的鐵路客車電氣控制系統(tǒng)采用普通的繼電接觸控制系統(tǒng)，各個(gè)電氣監(jiān)控部分分散獨(dú)立，如供電電源控制部分、空調(diào)機(jī)組控制部分、客車照明轉(zhuǎn)換控制部分、應(yīng)急電源控制部分等都是獨(dú)立的低壓電氣屏柜，布線量大，走線復(fù)雜，電磁兼容性差，自動化程度低，空調(diào)控制精度不高，系統(tǒng)集成度差、生產(chǎn)成本高、操作不便、維護(hù)困難等，已無法滿足青藏客車電氣控制系統(tǒng)的需要，新型青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)勢在必行。

　　隨著工控自動化水平的飛速發(fā)展，PLC與HMI在各個(gè)工控行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，PLC以其方便易掌握的編程指令及可擴(kuò)展的輸入/輸出模塊、成熟的抗干擾技術(shù)而深受廣大工程設(shè)計(jì)人員歡迎，故擬設(shè)計(jì)由PLC與HMI構(gòu)成基礎(chǔ)控制架構(gòu)的青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)。

　　1.2 可編程序控制器PLC的發(fā)展與現(xiàn)狀

　　1968年美國通用汽車公司提出取代繼電器控制裝置的要求，第二年，美國數(shù)字公司研制出了基于集成電路和電子技術(shù)的控制裝置，使得電氣控制功能實(shí)現(xiàn)程序化，這就是第一代可編程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。上世紀(jì)80年代，個(gè)人計(jì)算機(jī)發(fā)展起來，也簡稱為PC，為了方便，也為了反映或可編程控制器的功能特點(diǎn)，美國A-B公司將可編程序控制器定名為可編程序邏輯控制器Programmable Logic Controller（PLC）。

　　上世紀(jì)80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時(shí)期，年增長率一直保持為30～40%。在這時(shí)期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運(yùn)算能力、人機(jī)接口能力和網(wǎng)絡(luò)能力得到大幅度提高，現(xiàn)在已有第五代PLC產(chǎn)品了。

　　目前，世界上有200多廠家生產(chǎn)300多品種PLC產(chǎn)品，按地域分成三大系列：一是美國系列，一是歐洲系列，一是日本系列。美國和歐洲的PLC技術(shù)是分別獨(dú)立研究開發(fā)的，因此二者的PLC產(chǎn)品有明顯的差異性，而日本的PLC技術(shù)是由美國引進(jìn)的，對美系PLC產(chǎn)品有一定的繼承性，但日本的主推產(chǎn)品定位在小型PLC。日本的小型PLC最具特色，在小型機(jī)領(lǐng)域中頗具盛名，某些用歐美的中型機(jī)或大型機(jī)才能實(shí)現(xiàn)的控制，日本的小型機(jī)就可以解決。在開發(fā)較復(fù)雜的控制系統(tǒng)方面明顯優(yōu)于歐美的小型機(jī)，所以格外受用戶歡迎。日本有眾多PLC制造商，如歐姆龍、三菱、松下、日立、富士、東芝等，在世界小型PLC市場上，日系產(chǎn)品約占70%左右的市場份額。

　　1.3 控制系統(tǒng)核心選型原則

　　我們經(jīng)仔細(xì)分析控制系統(tǒng)的功能要求，首先確定小型PLC就能滿足控制需求，經(jīng)對比世界著名的幾個(gè)PLC品牌，由于日系PLC在編程語言方面更適合亞洲人的邏輯思維方式，所以首選日系PLC。在日本眾多PLC制造商中，歐姆龍自動化集團(tuán)的PLC是引領(lǐng)工業(yè)自動化產(chǎn)品和應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)的代表，其進(jìn)入中國市場的時(shí)間早、產(chǎn)品性能可靠穩(wěn)定、編程簡易、調(diào)試方便、現(xiàn)場監(jiān)控能力出色，是自控領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。歐姆龍?jiān)谥袊斜椴既珖奈锪鳌N售和技術(shù)支持，可及時(shí)為客戶提供最直接的服務(wù)?；谝陨显颍覀兪走x了日本歐姆龍公司的PLC與HMI及其擴(kuò)展模塊、附件等為青藏鐵路客車電氣控制柜的控制核心部件。

　　青藏鐵路客車電氣控制核心硬件系統(tǒng)構(gòu)成

　　青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)以O(shè)MRON的CPM2A-CPU61可編程控制器、12/8點(diǎn)的I/O擴(kuò)展模塊（CPM1A-20EDR1）、觸摸屏（NT31-ST123-EV3）、通訊適配器CPM1-CIF01等組成控制核心架構(gòu)，由供電電源控制部分、空調(diào)機(jī)組控制部分、制氧系統(tǒng)配電控制部分、應(yīng)急電源控制部分、照明控制部分、聯(lián)網(wǎng)通訊部分等幾大功能單元有機(jī)結(jié)合而成，其青藏鐵路客車電氣系統(tǒng)功能框圖如圖1-a所示，控制核心部分示意圖如圖1-b所示，青藏鐵路客車電氣控制柜外形圖如圖1-c所示，各個(gè)功能單元的控制方案分析如下：

　　1 PLC主機(jī)CPM2A-CPU61

　　CPM2A系列是OMRON公司在CPM1A基礎(chǔ)上推出的升級換代產(chǎn)品，它與CPM1A相比，在程序容量、指令種類、指令執(zhí)行時(shí)間、數(shù)據(jù)存儲、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器數(shù)量諸方面都有明顯進(jìn)步，并新加了RS232通訊端口，支持Host Link、無協(xié)議、1：1NT鏈接、1:1PC鏈接等通訊方式，特別是高速計(jì)數(shù)器、脈沖輸出和同步脈沖控制功能的增加給設(shè)備的自動化控制提供了很大便利。

　　CPM2A-CUP61主機(jī)對整個(gè)電氣系統(tǒng)進(jìn)行自動控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測電氣系統(tǒng)運(yùn)行過程中的參數(shù)并對其進(jìn)行分析，對故障自動處理，通過顯示觸摸屏NT31實(shí)現(xiàn)人機(jī)對話，響應(yīng)顯示觸摸屏輸入的命令、參數(shù)，將故障信息、運(yùn)行記錄通過顯示觸摸屏顯示等。其硬件配置情況如下：

　　模擬量輸入點(diǎn)： 17點(diǎn)（0～10V）

　　溫度輸入點(diǎn)： 1點(diǎn)（PT100）

　　開關(guān)量輸入點(diǎn)： 12點(diǎn)（直流24V，8mA），

　　開關(guān)量輸出點(diǎn)： 16點(diǎn)（繼電器輸出）

　　輸出端最大開關(guān)能力：2A，250VAC（cosφ=1）;2A，24V

　　輸出端最小開關(guān)能力：10mA，5VDC

　　值得稱道的是CPM2A-CUP61主機(jī)集成了多達(dá)17路模擬量輸入點(diǎn)（0～10V），1路溫度輸入點(diǎn)（PT100），這在各個(gè)世界著名PLC廠商提供的小型機(jī)中是獨(dú)一無二的（其他廠商多為提供模擬量擴(kuò)展模塊），極大的縮減了控制核心的安裝體積、提高了控制系統(tǒng)的性價(jià)比。

　　2 HMI主機(jī)NT31-ST123-EV3

　　NT31-ST123-EV3采用全中文液晶顯示觸摸屏（帶背光），具有字符類型和圖象類型顯示，由RS232通訊接口和PLC的RS232接口進(jìn)行通訊。主要功能是現(xiàn)場參數(shù)設(shè)定，電源轉(zhuǎn)換、空調(diào)機(jī)組等功能單元運(yùn)行工況的人為控制，運(yùn)行工況狀態(tài)與電氣參數(shù)的顯示與記錄，實(shí)時(shí)報(bào)告各功能單元的故障現(xiàn)象、記錄故障參數(shù)等。其技術(shù)規(guī)格如下:

　　字符、圖象類型顯示：20×15個(gè)漢字

　　液晶顯示器規(guī)格： 320×240點(diǎn)

　　有效顯示面積： 122×92mm²

　　3 開關(guān)量擴(kuò)展I/O單元CPM1A-20EDR1

　　CPM1A-20EDR1可提供12點(diǎn)的開關(guān)量輸入點(diǎn)、8點(diǎn)的繼電器輸出點(diǎn)，可擴(kuò)展系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)，根據(jù)不同客車類型可選擇一塊或兩塊。

　　4 適配器CPM1-CIF01

　　CPM1-CIF01是RS232通訊轉(zhuǎn)換模塊，實(shí)現(xiàn)PLC與車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的串行通訊。

　　青藏鐵路客車電氣控制核心軟件編程

　　1. PLC主機(jī)CPM2A-CPU61應(yīng)用程序編制

　　應(yīng)用CX-Programmer軟件對CPM2A-CPU61進(jìn)行應(yīng)用程序編制， CX-Programmer軟件在指令編寫、地址搜索、條文注釋、軟件保護(hù)、功能塊編制、多種編程語言、調(diào)試監(jiān)控等方面為用戶提供了高水平的應(yīng)用平臺，尤其是功能塊的調(diào)用及多種編程語言的靈活性給方案設(shè)計(jì)提供了極大的便利。

　　PLC的軟件編制中，根據(jù)需要將供電電源轉(zhuǎn)換控制、空調(diào)機(jī)組控制、制氧系統(tǒng)配電控制、應(yīng)急電源轉(zhuǎn)換控制、照明控制、車載網(wǎng)絡(luò)通訊等功能單元分不同的程序段進(jìn)行編制。供電電源轉(zhuǎn)換控制部分程序示例見圖2，其他功能單元的程序不再羅列。

　　CX-Programmer軟件的一個(gè)突出特點(diǎn)是具有“顯示地址引用工具”工具欄，可在程序段下方同時(shí)顯示某變量在程序中的所有應(yīng)用，極大地方便了程序編制與調(diào)試?！帮@示地址引用工具”工具欄應(yīng)用示意見圖3。

　　2. HMI主機(jī)NT31-ST123-EV3應(yīng)用程序編制

　　應(yīng)用NT系列支持工具軟件對NT31-ST121-EV3進(jìn)行應(yīng)用程序編制， NT系列支持工具軟件在固定顯示、圖像和庫數(shù)據(jù)支持、燈對象、觸摸開關(guān)、數(shù)字顯示、字符串顯示、曲線圖、報(bào)警列表、報(bào)警歷史、數(shù)字值輸入、字符串輸入等方面為用戶提供了友好的應(yīng)用平臺。

　　NT31的軟件編制中，根據(jù)需要將供電系統(tǒng)信息、空調(diào)制氧系統(tǒng)信息、應(yīng)急電源信息、照明控制信息、車載網(wǎng)絡(luò)通訊信息等功能單元分不同的畫面進(jìn)行編制。應(yīng)用了數(shù)字、字符串顯示與輸入對象、圖像與庫數(shù)據(jù)對象、觸摸開關(guān)控制對象、報(bào)警列表、報(bào)警歷史、窗口鍵盤等編制了友好的人機(jī)操作界面，顯示直觀、操作方便。應(yīng)用畫面部分?jǐn)?shù)據(jù)示例見圖4-a、4-b、4-c、4-d、4-e、4-f、4-g。

　　控制核心PLC、HMI等的應(yīng)用設(shè)計(jì)、程序編制調(diào)試技巧總結(jié)

　　青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型和成本估算時(shí)，詳細(xì)分析了應(yīng)用環(huán)境要求、工藝過程的特點(diǎn)、控制要求，明確了控制任務(wù)和范圍，確定了所需的操作和動作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲器容量、確定PLC、HMI的功能、外部設(shè)備特性等，最后選擇設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。根據(jù)青藏鐵路的特殊應(yīng)用環(huán)境要求，OMRON的CPM2A-CPU61及NT31等控制產(chǎn)品正是以其強(qiáng)大的功能性、成熟穩(wěn)定的可靠性、出色的性價(jià)比等特點(diǎn)才從眾多同類控制產(chǎn)品中脫穎而出被選用。

　　控制柜的PLC、NT31等在程序編制調(diào)試過程中，積累總結(jié)的心得體會介紹如下：

　　l 應(yīng)先規(guī)劃各個(gè)功能單元的程序流程圖，使功能單元的程序設(shè)計(jì)思路清晰，同時(shí)根據(jù)電氣控制系統(tǒng)的總體控制邏輯，將各個(gè)功能單元的程序流程圖有機(jī)的結(jié)合在一起，仔細(xì)處理功能單元之間的聯(lián)系點(diǎn)。

　　l 編程方法上應(yīng)充分運(yùn)用子功能模塊的子程序模式化。通過調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)相同或類似子功能模塊的程序編制，增強(qiáng)了程序的可讀性與可移植性，減小了程序大小，提高了程序的運(yùn)行效率。

　　l 編程方法上還應(yīng)充分考慮尋址方式的選用，例如在編制空調(diào)控制程序的壓縮機(jī)與空氣預(yù)熱器的運(yùn)行時(shí)間記錄子程序時(shí)，合理運(yùn)用了間接尋址方式操作數(shù)據(jù)區(qū)，節(jié)約了大量的程序步數(shù)。

　　l 編程過程中對模擬量的處理應(yīng)多考慮應(yīng)用一些軟件濾波方法，尤其在電磁干擾嚴(yán)重的環(huán)境中應(yīng)用更應(yīng)注意模擬量采集的軟件濾波處理。

　　l 可編程終端的界面程序編制應(yīng)注意庫、圖像燈、間接字符串、窗口鍵盤等對象的應(yīng)用，界面要編制的清晰簡潔、邏輯合理、易于操作，對于復(fù)雜或重要操作盡量提供操作幫助說明界面。

　　l 調(diào)試過程中應(yīng)對各功能單元控制邏輯理解透徹，盡量模擬實(shí)際運(yùn)用中所有可能出現(xiàn)的工況，查找程序錯(cuò)誤時(shí)要縱觀應(yīng)用程序整體，仔細(xì)分析所有相關(guān)點(diǎn)，認(rèn)真參閱相關(guān)產(chǎn)品的操作手冊，注意相關(guān)編程操作注意事項(xiàng)等。

　　青藏客車電氣控制系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新

　　青藏鐵路客車電氣控制屏柜與老型的相比，從單純的繼電接觸控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)橐設(shè)MRON高功能性、高可靠性的PLC、人機(jī)界面觸摸屏NT31等為控制核心的自動控制系統(tǒng)，主要解決的技術(shù)難題與實(shí)現(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新如下：

　　1.綜合控制柜實(shí)現(xiàn)了電氣控制系統(tǒng)的小型化、智能化、集成化和系統(tǒng)化。

　　2.綜合控制柜根據(jù)預(yù)設(shè)參數(shù)實(shí)現(xiàn)自動控制，減輕了操作人員的工作強(qiáng)度，最大限度的避免由于人為誤操作引起的事故，便于操作和維護(hù)。

　　3.綜合控制柜對整車電氣系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行保護(hù)動作，避免了由于保護(hù)不及時(shí)而引起的嚴(yán)重后果。

　　4.綜合控制柜可對軸溫、煙火報(bào)警器、車門等智能電氣設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和顯示。

　　5.綜合控制柜充分考慮了整車各個(gè)電氣功能部件的協(xié)調(diào)工作，使整個(gè)電氣系統(tǒng)工作更加安全可靠。

　　6.綜合控制柜根據(jù)電氣系統(tǒng)布線的有關(guān)規(guī)范和實(shí)際存在的問題，不同系統(tǒng)、不同電壓等級、不同電流類別的導(dǎo)線盡量相互隔離，簡化了配線復(fù)雜度，節(jié)約了大量導(dǎo)線，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上盡量減少相互間的電磁干擾。

　　7.綜合控制柜的控制方案以自動為主，同時(shí)考慮控制系統(tǒng)故障的應(yīng)急措施，包括極端情況下的手動應(yīng)急措施。

　　8.控制柜減少了原有客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)的電器元件，簡化了調(diào)試流程，功能得以提升，大大提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)制造成本。

　　青藏客車電氣控制系統(tǒng)的推廣運(yùn)用

　　青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)從2006年投入實(shí)際運(yùn)用2年多以來，裝車300余套，經(jīng)受住了青藏鐵路特殊運(yùn)用環(huán)境的考驗(yàn)，運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，操作維護(hù)方便，功能完善強(qiáng)大，得到最終用戶的一致好評，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，在將來會有更廣闊的應(yīng)用空間，整體運(yùn)用情況見表1。

結(jié)束語

　　以O(shè)MRON自動化產(chǎn)品為控制核心的青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)是我國鐵道客車電氣技術(shù)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革新，是我國自主研發(fā)的鐵道客車電氣技術(shù)的先進(jìn)代表，為保證舉世矚目的青藏鐵路的順利開通做出了卓越貢獻(xiàn)，推動了鐵道客車電氣行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，具有非常廣闊的推廣運(yùn)用前景。

　　在工業(yè)自動化領(lǐng)域日新月異的飛速發(fā)展中，希望歐姆龍自動化集團(tuán)等工控自動化產(chǎn)品制造商在保持產(chǎn)品兼容性的基礎(chǔ)上不斷推陳出新，不斷應(yīng)用先進(jìn)技術(shù)提升PLC、HMI等工控產(chǎn)品的產(chǎn)品性能、提高產(chǎn)品的性價(jià)比，為工控領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步提供有力支撐。