PLC下的車廂環(huán)境模擬控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
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摘要：隨著高速鐵路的快速發(fā)展，旅客對(duì)車廂環(huán)境的安全性與舒適度的需求逐漸提高，因此對(duì)車廂環(huán)境控制技術(shù)也提出了更高的要求，車廂環(huán)境控制向著獨(dú)立化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、可視化的方向發(fā)展。介紹了車廂環(huán)境控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理，重點(diǎn)介紹了溫度、照明、煙霧報(bào)警控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)問題，模擬系統(tǒng)的演示結(jié)果表明該控制系統(tǒng)具備一定可行性。
關(guān)鍵詞：車廂；plc；觸摸屏；傳感器；環(huán)境
引言
列車車廂的控制系統(tǒng)主要是研究其溫度、濕度和光照強(qiáng)度，此外設(shè)計(jì)了安全裝置如煙霧報(bào)警系統(tǒng)，車門狀態(tài)顯示操作系統(tǒng)。目前列車車廂的溫濕度調(diào)節(jié)都是通過空調(diào)設(shè)施進(jìn)行恒定值調(diào)節(jié)，但是若車廂載客過大時(shí)車廂溫濕度可能升高，引起旅客身體不適，若列車某節(jié)車廂載客量不大或無人時(shí)，溫濕度仍持續(xù)保持不變，這就在某種程度上耗費(fèi)了機(jī)車的能源。同時(shí)車廂載客量過大時(shí)，會(huì)造成車廂空氣渾濁，難以滿足旅客的要求。當(dāng)列車行駛通過隧道或者晝夜交替時(shí)段，車廂的照明系統(tǒng)不能及時(shí)地發(fā)生變化。而目前列車車廂都是趨于整節(jié)列車調(diào)節(jié)，還不能滿足對(duì)某一節(jié)車廂進(jìn)行單獨(dú)控制。本文介紹的因此按照實(shí)際情況對(duì)相應(yīng)的車廂進(jìn)行溫度以及空氣質(zhì)量和光照強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，使旅客所處的環(huán)境為最佳狀態(tài)。除以上的功能外若發(fā)生火災(zāi)或其他緊急事件時(shí)可以通過控制系統(tǒng)通知隨車乘務(wù)員進(jìn)行及時(shí)處理；并通過呼叫功能使旅客與乘務(wù)員之間進(jìn)行良好的溝通，極大程度地改善了旅客在旅途中的便利性。
1控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與原理
為了使本系統(tǒng)能夠隨意安裝在車廂乘務(wù)室內(nèi)而不占據(jù)空間，以及考慮到成本與抗干擾性和運(yùn)行可靠，因此本系統(tǒng)采用S7－200PLC主控制器［1］，上位機(jī)采用體積較小、易操作、可視化程度高的觸摸屏［2－3］，以及其他附屬器件，該系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)由三部分組成：車廂環(huán)境舒適度、車廂環(huán)境安全度和乘客的便利度，如圖1所示。以每一節(jié)車廂為一個(gè)基礎(chǔ)單元，那么該基礎(chǔ)單元的邏輯控制，如圖2所示。該系統(tǒng)的器件主要有：可編程控制器S7－200PLC，CPU選擇為226，具有兩個(gè)RS－485接口，供電電壓為DC24V，24路DC24V輸入，16路晶體管輸出；西門子模擬量輸入模塊，具有4路模擬量輸入，其功耗2W，輸入電壓DC5V，注意輸入電流不大于20mA，輸入電壓為DC24V，輸入電流不大于60mA，威綸系列觸摸屏TK6071ip，具有4線模擬電阻式［5］，內(nèi)存為128MB，COM連接口COM1（RS232，2W），COM2（RS485，4W），輸入電壓為24V；以及空氣溫濕度傳感器，光照傳感器，煙霧傳感器，報(bào)警燈，照明等，風(fēng)扇，輕觸式開關(guān)，空氣開關(guān)。
2控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
為了滿足本系統(tǒng)所提出的三大功能，主要從以下幾個(gè)控制系統(tǒng)進(jìn)行研究：溫度控制系統(tǒng)、照明系統(tǒng)、煙霧報(bào)警系統(tǒng)［6］，由于列車長(zhǎng)途運(yùn)行，車廂環(huán)境對(duì)旅客的安全與舒適極為重要，那么對(duì)系統(tǒng)的安全性和可靠性以及可操作性性要求極高，因此對(duì)于系統(tǒng)的器件選擇和之間的連接尤為重要。
2．1溫度控制系統(tǒng)
通過數(shù)據(jù)采集器件（溫濕度傳感器、光照傳感器），將所采集的物理量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳遞到控制器中［7－8］，通過預(yù)先的設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)差值進(jìn)行相應(yīng)地控制，始終使車廂環(huán)境符合人體的需要。溫濕度傳感器采用電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)能隙式測(cè)溫元件，并與一個(gè)14位的A／D轉(zhuǎn)換器構(gòu)成串行接口電路，溫度測(cè)量精度為0．5℃，將其采集的物理量轉(zhuǎn)換成模擬量輸入到PLC模擬量輸入模塊。
2．2照明控制系統(tǒng)
光照傳感器根據(jù)車廂的實(shí)際情況選用亮電阻（＠101ux），18－50kΩ，暗電阻（Min）2MΩ，尤其適用說明可以根據(jù)電阻值來換算出光照值，并將其采集的物理量轉(zhuǎn)換成模擬量輸入到PLC模擬量輸入模塊［9－11］。
2．3煙霧報(bào)警系統(tǒng)
煙霧傳感器采用工業(yè)級(jí)傳感器，工作電壓：12V，排煙熱損失：0～99．9％，檢測(cè)面積：20平方米，報(bào)警輸出：繼電器常閉／常開［12］。根據(jù)對(duì)以上系統(tǒng)器件的選擇，依據(jù)PLC與外圍負(fù)載進(jìn)行輸入／輸出點(diǎn)的配置［13］，并設(shè)計(jì)出系統(tǒng)電路，如圖3所示。圖3系統(tǒng)硬件電路接線圖根據(jù)各個(gè)器件的性能，需要引入DC24V正負(fù)極電源接線端子排，以及24V的穩(wěn)壓電源。
3控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1溫度控制系統(tǒng)
根據(jù)硬件的結(jié)構(gòu)與功能，通過PLC中PID控制環(huán)節(jié)與設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)溫度超出設(shè)定值范圍時(shí)，其空調(diào)系統(tǒng)開啟對(duì)車廂進(jìn)行升溫或者制冷，若溫度超過一定限定值時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)將發(fā)生報(bào)警并由乘務(wù)員開啟附加風(fēng)機(jī)進(jìn)行降溫［14］，其系統(tǒng)功能，如圖4所示。3．2照明控制系統(tǒng)當(dāng)光照值低于正常范圍時(shí)啟動(dòng)或關(guān)閉照明燈，并相應(yīng)地閉合或打開車窗窗簾，由于列車在夜間運(yùn)行時(shí)，可以根據(jù)旅客休息時(shí)間，通過設(shè)定時(shí)間繼電器對(duì)照明燈進(jìn)行關(guān)閉控制，并同時(shí)關(guān)閉車窗窗簾，其系統(tǒng)功能，如圖5所示。
3．3煙霧報(bào)警系統(tǒng)
當(dāng)車廂出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)險(xiǎn)情或者探測(cè)到車廂內(nèi)有可燃、有害氣體時(shí)，通過煙霧傳感器將其采集的物理量轉(zhuǎn)換成模擬量輸入到PLC模擬量輸入模塊，并啟動(dòng)報(bào)警裝置，乘務(wù)員通過廣播疏散旅客，并通過判斷如果是有害氣體或者可燃?xì)怏w，則啟動(dòng)空調(diào)裝置和附加風(fēng)機(jī)對(duì)車廂內(nèi)的氣體迅速排出，其系統(tǒng)功能，如圖6所示。
4控制系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)
根據(jù)系統(tǒng)的功能及其軟硬軟件設(shè)計(jì)思想，與硬件接線圖，通過可編程控制器S7－200PLC與威綸系列觸摸屏TK6071ip的通信連接，利用PLC梯形圖和觸摸屏的宏指令得出系統(tǒng)的操作程序。
4．1溫度控制系統(tǒng)
對(duì)當(dāng)前環(huán)境的溫度值通過溫度傳感器采集，并由PLC處理，編寫PLC200溫度采集處理程序如圖所示，根據(jù)溫度控制系統(tǒng)的介紹［15］，與溫度換算公式：溫度＝讀取值／260．0－40．0（單位：℃），編寫轉(zhuǎn)換程序。使當(dāng)前溫度值與用戶設(shè)定值進(jìn)行比較，當(dāng)前溫度值大于用戶設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)空調(diào)裝置制冷（本文通過報(bào)警燈開啟模擬空調(diào)的制冷）；當(dāng)前溫度值小于用戶設(shè)定值時(shí)，啟動(dòng)空調(diào)裝置升溫（本文通過報(bào)警燈閃爍模擬空調(diào)的升溫）。溫度超過警戒值時(shí)，即溫度過高報(bào)警顯示界面，如圖7所示。通過觸摸屏設(shè)計(jì)3模擬溫度過高報(bào)警系統(tǒng)界面，實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制溫度變化的曲線圖以及溫度過高報(bào)警的效果。初始化界面為加熱狀態(tài)，溫度從0度開始升高，頻率為每秒變化0．5度，當(dāng)溫度大于30度時(shí)，觸發(fā)報(bào)警信息顯示；啟動(dòng)空調(diào)制冷，當(dāng)前狀態(tài)變?yōu)橹评?，溫度開始下降，頻率為每秒變化0．5度，如圖7所示，溫度小于30時(shí)，報(bào)警信息不顯示。
4．2照明控制系統(tǒng)
對(duì)當(dāng)前車廂的光照通過光照傳感器進(jìn)行采集，光照強(qiáng)度換算公式：光照強(qiáng)度＝讀取值（單位：Lux）。輸入設(shè)定光照值（這里以500為例），當(dāng)環(huán)境光照值（PLC采集）大于輸入的設(shè)定值時(shí)，照明燈不亮；當(dāng)環(huán)境光照值（PLC采集）小于輸入的設(shè)定值時(shí)（這里以1000為例），此時(shí)照明燈點(diǎn)亮。
5總結(jié)
本文利用S7－200PLC與觸摸屏TK6071ip的相互通信連接，針對(duì)對(duì)列車車廂環(huán)境，如溫度、光照、煙霧報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行準(zhǔn)確地I／O地址分配與觸摸屏的連接通信，設(shè)計(jì)出軟件與硬件系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)的演示結(jié)果表明該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案具有一定的可行性。同時(shí)，該系統(tǒng)還可以通過良好的人機(jī)交互功能，對(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行相關(guān)設(shè)定，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的精確控制與監(jiān)視，使列車車廂環(huán)境達(dá)到安全、舒適的效果，該設(shè)計(jì)方案對(duì)相關(guān)工程技術(shù)人員具有一定的參考作用。
作者：李曉艷 單位：陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程系