1 引言
目前，高校建設(shè)的PLC實(shí)驗(yàn)室普遍存在著缺乏控制對象的問題。我校PLC實(shí)驗(yàn)室從上海新奧托實(shí)業(yè)有限公司購買了列車模型來作為PLC的被控對象。列車模型在軌道上運(yùn)行，列車軌道提供0～10V電壓供列車模型使用，軌道電壓的大小可以調(diào)節(jié)列車運(yùn)行速度，電壓的極性可以控制列車運(yùn)行的方向。配置的光電位置檢測開關(guān)可以檢測列車的當(dāng)前位置，對軌道的叉道進(jìn)行控制可以改變列車的行進(jìn)路線。可以看出，在列車模型上可以進(jìn)行數(shù)字量、模擬量控制。而且，如果在列車軌道上同時(shí)運(yùn)行多輛列車，則可以優(yōu)化控制算法。本文主要介紹列車PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與調(diào)試，為將來控制算法的優(yōu)化提供一個(gè)平臺。

2 對象與控制要求分析
本次設(shè)計(jì)所使用的列車，是由上海新奧托實(shí)業(yè)有限公司提供的。該模型由工作臺、列車軌道、列車模型、光電位置檢測開關(guān)、驅(qū)動電路板、蜂鳴器、紅綠燈以及其他一些附件組成。在列車軌道上設(shè)置了2個(gè)車站(1＃站、2＃站)，列車軌道分為3段(外圍軌道、1＃站軌道、2＃站軌道)，每段軌道的電壓大小、電壓極性可以分別進(jìn)行控制。為了使列車沿不同路線行進(jìn)，在該模型中還設(shè)置了6個(gè)電動叉道。此列車PLC控制系統(tǒng)共有22點(diǎn)開關(guān)量輸入信號、23點(diǎn)開關(guān)量控制輸出信號和3路模擬量輸出信號。
為了確定列車模型在軌道上的位置，在列車上設(shè)置了22個(gè)光電位置檢測開關(guān)，當(dāng)列車模型經(jīng)過該檢測開關(guān)時(shí)，該光電開關(guān)輸出信號“1”，否則輸出信號為“0”。這22個(gè)光電位置檢測開關(guān)作為PLC控制系統(tǒng)的開關(guān)量輸入信號。
該列車PLC控制系統(tǒng)的23點(diǎn)開關(guān)量輸出信號的分配如下:12點(diǎn)用于軌道電動道叉控制(每個(gè)叉道正、反控制共需要2點(diǎn));6點(diǎn)用于三段軌道的電壓極性控制(每段軌道正、反控制共需要2點(diǎn));1點(diǎn)用于控制火車鳴笛的蜂鳴器;4點(diǎn)用于車站的紅、綠燈(1＃站、2#站)。
該列車PLC控制系統(tǒng)的3路模擬量輸出信號分別控制火車三段軌道的電壓(0-10V)，進(jìn)而控制列車在該軌道上的運(yùn)行速度。
在進(jìn)行控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，發(fā)現(xiàn)光電位置檢測開關(guān)工作不正常，經(jīng)過我們的努力該問題得到了完滿的解決。這個(gè)問題具有一定的典型性，我們有必要對它進(jìn)行一定的分析。光電位置檢測開關(guān)信號處理電路如圖1所示，此電路圖大體可以分為三部分:放大電路、比較電路和輸出電路。當(dāng)列車經(jīng)過該光電開關(guān)時(shí)，發(fā)光管發(fā)出的光被列車擋住，接收不到發(fā)光管發(fā)出的光;當(dāng)列車離開該光電開關(guān)時(shí)，光敏元件則可以接收發(fā)光管發(fā)出的光。在這兩種狀態(tài)下A點(diǎn)電壓信號的變化值為1V左右。A點(diǎn)信號經(jīng)放大級放大后進(jìn)入比較器“＋”，調(diào)節(jié)比較器“－”端門檻電壓為合適的值，則列車擋住和不擋住該光電開關(guān)時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)，可以得出光電開關(guān)的狀態(tài)。
在實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)處理電路的OUT端輸出的并不是期望的高電平或低電平信號，而是一列方波信號(此時(shí)，處理電路中B點(diǎn)未加濾波電容)。經(jīng)過逐級分析，得出了原因的所在:處理電路中的光敏元件由于受到外界雜散光的影響，A點(diǎn)信號中存在一定的交流分量，該交流分量經(jīng)過放大級的放大后引起了比較器的連續(xù)翻轉(zhuǎn)，故在輸出級OUT端出現(xiàn)方波信號。可以看出，在電路中增加濾波環(huán)節(jié)來濾除進(jìn)入比較器之前的交流分量是可用的方法。我們對該處理電路進(jìn)行了改進(jìn)，在B點(diǎn)增加了一個(gè)4.7μ的濾波電容，改進(jìn)后的處理電路工作非常正常。

我們采用OMRON C200HG PLC來作為該列車的現(xiàn)場控制裝置。PLC與上位機(jī)之間以RS-232進(jìn)行通信，在上位機(jī)上用組態(tài)王編制控制系統(tǒng)的監(jiān)控畫面，監(jiān)視模型的運(yùn)行狀態(tài)并可以用監(jiān)控系統(tǒng)對模型進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。在該列車的軌道上有兩列列車同時(shí)運(yùn)行，基本的控制規(guī)則分析如下:
(1) 列車進(jìn)站前鳴笛，以提醒工作人員接站;進(jìn)站時(shí)速度按照預(yù)定的速度曲線減慢，直至停下。
(2) 一次只能有一列列車進(jìn)站停車，若有列車停在站內(nèi)，其他列車只能在站外等候進(jìn)站。
(3) 以紅綠燈作為列車能否出站的標(biāo)記:綠燈通行，紅燈不通行，出站時(shí)亦要鳴笛。
(4) 若有列車停在車站，其他不用進(jìn)站的列車可以繞道而行，避免發(fā)生撞車。
(5) 用監(jiān)控系統(tǒng)來調(diào)度列車的運(yùn)行。如可以在監(jiān)控系統(tǒng)中設(shè)置某列列車應(yīng)該在某個(gè)車站停車，以及停車時(shí)間等。
(6) 在監(jiān)控界面上反映列車的位置及運(yùn)行狀況。

3 控制系統(tǒng)硬件、軟件設(shè)計(jì)
該列車PLC控制系統(tǒng)的輸入/輸出點(diǎn)數(shù)比較少，在選擇輸入輸出模塊時(shí)沒有采用高密度模塊，而是選用了常用的16點(diǎn)或8點(diǎn)輸入/輸出模塊。控制系統(tǒng)共有22點(diǎn)開關(guān)量輸入信號，都是布置在軌道上的光電位置檢測開關(guān)，選用兩塊ID212模塊(2×16點(diǎn))來處理開關(guān)量輸入信號。開關(guān)量輸入信號類型單一，比較簡單，在這里不再詳述。

表1 開關(guān)量輸出信號分配情況

該列車PLC控制系統(tǒng)有23點(diǎn)開關(guān)量輸出信號。從對象實(shí)驗(yàn)得出，所有的被控點(diǎn)都是高電平(24V)有效，這樣一來，輸出模塊的COM端應(yīng)該接24V。從以上分析可知，OD系列的輸出模塊不能在這里使用，故這里選用了OC225(16點(diǎn))和OC224(8點(diǎn))兩個(gè)開關(guān)量輸出模塊。表1詳細(xì)的給出此系統(tǒng)開關(guān)量輸出點(diǎn)的分配情況。該P(yáng)LC控制系統(tǒng)有3路模擬量輸出信號，分別控制火車三段軌道的電壓(0-10V)，進(jìn)而控制列車在該軌道上的運(yùn)行速度。在這里我們選用DA003模塊，該模塊具有直接輸出0～10V電壓的能力。

控制規(guī)則由PLC軟件來實(shí)現(xiàn)。其中，列車的進(jìn)出站控制是列車運(yùn)行控制中最重要而難以解決的問題。在系統(tǒng)調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)列車進(jìn)出站過程中是兩列列車最容易發(fā)生事故的地方，解決該問題是極為重要的。列車進(jìn)出站的程序框圖如圖2所示。

4 結(jié)束語
在列車的自動控制系統(tǒng)中選用OMRON C200HG PLC為現(xiàn)場控制裝置。經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行、調(diào)試后，本系統(tǒng)能迅速、準(zhǔn)確地完成該實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷目刂迫蝿?wù)，對列車實(shí)現(xiàn)自動控制。用組態(tài)王開發(fā)地監(jiān)控系統(tǒng)可以對實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行準(zhǔn)確地監(jiān)控。該控制系統(tǒng)的成功設(shè)計(jì)為列車的下一步完善奠定了基礎(chǔ)。