摘 要：本文闡述了以O(shè)MRON的CPM2A系列PLC及其擴展模塊、NT系列可編程終端HMI為控制核心的青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)的典型應(yīng)用案例，詳細分析了上述OMRON自動化產(chǎn)品在青藏鐵路客車電氣控制屏柜中的設(shè)計工藝原理、編程與調(diào)試技巧、故障處理方法等典型應(yīng)用解決方案。 關(guān)鍵字：青藏鐵路 電氣控制 低壓電氣屏柜 PLC HMI觸摸屏 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)境地理條件將對核心控制部件、低壓電器部件等的絕緣與介電強度、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、可靠性設(shè)計、節(jié)能設(shè)計等設(shè)計原則，采取合理對策，歷經(jīng)多次試驗驗證，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)，將客車老式電氣控制系統(tǒng)的各個電氣監(jiān)控部分進行了優(yōu)化整合，集成到統(tǒng)一的低壓電氣屏柜內(nèi)。控制柜采用以O(shè)MRON的PLC（CPM2A-CPU61）、PLC的I/O擴展模塊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，實現(xiàn)了以下以幾點主要設(shè)計工藝： 　　① 客車供電電源的選擇、轉(zhuǎn)換、故障判斷保護等自動控制、手動控制。 　　② 客車空調(diào)機組的工況選擇、轉(zhuǎn)換、故障判斷保護等自動控制、手動控制。 　?、?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、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)的實現(xiàn)。 　　控制柜的PLC（CPM2A-CPU61）通過RS232-C端口實現(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)運行中出現(xiàn)的各種故障及時進行診斷、指示并保護，控制柜具有檢測、控制、診斷保護、信息提示、聯(lián)網(wǎng)通訊功能，實現(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)備進行串行通訊，實現(xiàn)與本車裝備的智能電氣設(shè)備的通訊及實現(xiàn)客車與客車之間的相互聯(lián)網(wǎng)通訊，并為逐步實現(xiàn)車對地、地對車的計算機聯(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)計選型 　　1.1 控制系統(tǒng)設(shè)計更新必要性 　　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)，各個電氣監(jiān)控部分分散獨立，如供電電源控制部分、空調(diào)機組控制部分、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)計人員歡迎，故擬設(shè)計由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80年代，個人計算機發(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，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80年代至90年代中期，是PLC發(fā)展最快的時期，年增長率一直保持為30～40%。在這時期，PLC在處理模擬量能力、數(shù)字運算能力、人機接口能力和網(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，在小型機領(lǐng)域中頗具盛名，某些用歐美的中型機或大型機才能實現(xiàn)的控制，日本的小型機就可以解決。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，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，歐姆龍自動化集團的PLC是引領(lǐng)工業(yè)自動化產(chǎn)品和應(yīng)用先進技術(shù)的代表，其進入中國市場的時間早、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。歐姆龍在中國有遍布全國的物流、銷售和技術(shù)支持，可及時為客戶提供最直接的服務(wù)?；谝陨显?，我們首選了日本歐姆龍公司的PLC與HMI及其擴展模塊、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點的I/O擴展模塊（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，各個功能單元的控制方案分析如下： 　　1 PLC主機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)行時間、數(shù)據(jù)存儲、定時器/計數(shù)器數(shù)量諸方面都有明顯進步，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主機對整個電氣系統(tǒng)進行自動控制，實時監(jiān)測電氣系統(tǒng)運行過程中的參數(shù)并對其進行分析，對故障自動處理，通過顯示觸摸屏NT31實現(xiàn)人機對話，響應(yīng)顯示觸摸屏輸入的命令、參數(shù)，將故障信息、運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： 17點（0～10V） 　　溫度輸入點： 1點（PT100） 　　開關(guān)量輸入點： 12點（直流24V，8mA）， 　　開關(guān)量輸出點： 16點（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主機集成了多達17路模擬量輸入點（0～10V），1路溫度輸入點（PT100），這在各個世界著名PLC廠商提供的小型機中是獨一無二的（其他廠商多為提供模擬量擴展模塊），極大的縮減了控制核心的安裝體積、提高了控制系統(tǒng)的性價比。 [align=center] 圖1-a：青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)功能框圖 圖1-b：青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)控制核心架構(gòu)示意圖 圖1-c：青藏鐵路客車電氣控制柜外形圖[/align] 　　2 HMI主機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)機組等功能單元運行工況的人為控制，運行工況狀態(tài)與電氣參數(shù)的顯示與記錄，實時報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個漢字 　　液晶顯示器規(guī)格： 320×240點 　　有效顯示面積： 122×92mm[sup]2[/sup] 　　3 開關(guān)量擴展I/O單元CPM1A-20EDR1 　　CPM1A-20EDR1可提供12點的開關(guān)量輸入點、8點的繼電器輸出點，可擴展系統(tǒng)的控制點數(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CPM2A-CPU61應(yīng)用程序編制 　　應(yīng)用CX-Programmer軟件對CPM2A-CPU61進行應(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、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軟件的一個突出特點是具有“顯示地址引用工具”工具欄，可在程序段下方同時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。 [align=center] 圖2：供電電源轉(zhuǎn)換控制部分程序示例 圖3：“顯示地址引用工具”工具欄應(yīng)用示例[/align] 　　2. HMI主機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、報警列表、報警歷史、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、報警列表、報警歷史、窗口鍵盤等編制了友好的人機操作界面，顯示直觀、操作方便。應(yīng)用畫面部分數(shù)據(jù)示例見圖4-a、4-b、4-c、4-d、4-e、4-f、4-g。 [align=center] 圖4－a：青藏客車電氣控制柜HMI主畫面 [/align] 　　控制核心PLC、HMI等的應(yīng)用設(shè)計、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)計選型和成本估算時，詳細分析了應(yīng)用環(huán)境要求、工藝過程的特點、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)品正是以其強大的功能性、成熟穩(wěn)定的可靠性、出色的性價比等特點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)劃各個功能單元的程序流程圖，使功能單元的程序設(shè)計思路清晰，同時根據(jù)電氣控制系統(tǒng)的總體控制邏輯，將各個功能單元的程序流程圖有機的結(jié)合在一起，仔細處理功能單元之間的聯(lián)系點。 　　l 編程方法上應(yīng)充分運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)控制程序的壓縮機與空氣預(yù)熱器的運行時間記錄子程序時，合理運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，盡量模擬實際運用中所有可能出現(xiàn)的工況，查找程序錯誤時要縱觀應(yīng)用程序整體，仔細分析所有相關(guān)點，認真參閱相關(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)難題與實現(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新如下： 　　1.綜合控制柜實現(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)實現(xiàn)自動控制，減輕了操作人員的工作強度，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。 　　3.綜合控制柜對整車電氣系統(tǒng)參數(shù)進行實時監(jiān)測，出現(xiàn)故障時及時進行保護動作，避免了由于保護不及時而引起的嚴重后果。 　　4.綜合控制柜可對軸溫、煙火報警器、車門等智能電氣設(shè)備的狀態(tài)進行監(jiān)視和顯示。 　　5.綜合控制柜充分考慮了整車各個電氣功能部件的協(xié)調(diào)工作，使整個電氣系統(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、不同電流類別的導線盡量相互隔離，簡化了配線復(fù)雜度，節(jié)約了大量導線，結(jié)構(gòu)設(shè)計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)的推廣運用 　　青藏鐵路客車電氣控制系統(tǒng)從2006年投入實際運用2年多以來，裝車300余套，經(jīng)受住了青藏鐵路特殊運用環(huán)境的考驗，運行安全、穩(wěn)定、可靠，操作維護方便，功能完善強大，得到最終用戶的一致好評，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會效益，在將來會有更廣闊的應(yīng)用空間，整體運用情況見表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，推動了鐵道客車電氣行業(yè)的發(fā)展進步，具有非常廣闊的推廣運用前景。 　　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)品的性價比，為工控領(lǐng)域的技術(shù)進步提供有力支撐。 參考文獻 　　1、 OMRON公司的CPM2A編程手冊、CPM2A操作手冊 　　2、 OMRON公司的NT31/NT31C操作手冊 　　3、 宮淑珍等.可編程控制器原理及應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2002