基于PLC與HMI的動車調溫控制系統的設計研究

劉晉宏

摘要：文章采用PLC與HMI設計一種動車組車廂的交互式調溫控制系統，以FX3U系列PLC為控制器，利用測溫傳感器、變頻器、HMI等技術，完成車廂內獨立的人機交互調溫系統的設計。研究表明，該系統運行穩定，調溫方便快捷，具有良好的推廣應用價值。

關鍵詞：PLC;HMI;溫度傳感器;AD模塊

中圖分類號：U266 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.039

文章編號：1673-4874（2019）10-0139-04

0引言

隨著我國高鐵的快速發展和城市軌道交通的大規模建設，無論是高速動車還是城市軌道交通運營車輛，人們對乘坐車廂的舒適性要求越來越高，其中車廂溫度則是很重要的一個影響指標。長時間坐動車的旅客總感覺夏天是越坐越冷，冬天是越坐越熱，對此多有不適。由于列車車廂內溫度系統為準集中式空調系統，車廂內溫度基本是恒定的，不能隨便調節或者乘務員能調節的范圍很小。因此根據旅客需求，解決車廂溫度在一定范圍內實現獨立調節，進行人機交互的調溫控制系統設計具有重要意義。

1系統的工作原理

在CRH動車組的車廂均配置有獨立的空調系統，空調裝置（壓縮機、冷凝機）設置在車輛地板下，空氣處理單元（通風排風裝置）位于車輛兩端的天花板和車頂之間，隨著氣壓、溫度變化進行通風換氣，空調系統的電氣和控制設備安裝在車輛電器柜內。人機交互界面采用昆侖通態MCGS（TPC7062K）觸摸屏，實現溫度控制系統的電機測試和調節控制，驅動電機狀態、空調工作模式、設定溫度等狀態信息的實時監控、顯示、實時輸入、分權限登陸，操作方便，便于檢查維護。

系統工作原理：運行車廂空調系統HMI設備在操作上有“正常模式”和“維護模式”兩種模式可以選擇。“正常模式”是乘務員操作的模式，在該模式下可進行溫度設定與制冷工況、通風工況和加熱工況三種送風模式的監控;“維護模式”是檢修人員操作模式，在該模式下可通過人機界面顯示空調系統電機的狀態信息和進行單臺電機測試。車廂溫度設定范圍為20℃-29℃，當車廂環境溫度低于設定溫度，空調系統運行在加熱工況;若等于設定溫度，空調系統按通風工況運行;若高于設定溫值，空調就切換到制冷工況模式。

2 系統的硬件設計

車廂調溫控制系統硬件結構如圖1所示。在車廂內布置有兩個溫度傳感器，通過它們檢測的溫度平均后得到車廂內溫度，并通過A/D轉換模塊傳送給PLC，PLC經過與觸摸屏設定的溫度進行比較，決定空調系統進入何種工況模式及控制設備的運行頻率。

2.1溫度傳感器

本系統設計中選用Pt100三線式熱電阻，是利用金屬或金屬氧化物的電阻值根據溫度變化而發生改變的特性，通過測量電阻而實現測量溫度的一種傳感器。測溫電阻的選型應注意其限定范圍，如表1所示。

銅熱電阻，溫度特性偏差小，價格便宜，但電阻率較小，體積上無法實現小型化，在高溫下容易氧化，它的使用上限溫度為150℃。

鎳熱電阻，電阻值變化較大，價格低廉，但在300℃左右存在臨界點，因而其使用上限溫度較低。

鎳鈷熱電阻，用來測量極低溫度。

Pt100屬于鉑熱電阻，其阻值跟溫度的變化成正比。工作原理：當Pt100在0℃時，它的阻值為100Ω，它的阻值會隨著溫度上升而成勻速增長。由于Pt100在溫度影響下的電阻值變化較大，且穩定性和精度較高，因而被廣泛用于工業測量。

2.2A/D轉換模塊

A/D轉換模塊根據選取PLC的類型進行選型。本系統PLC以FX3U為控制核心，因而選擇FX3U-4AD-PT-ADP（4通道鉑電阻輸入）模塊較為理想。鉑電阻（3線式）數字量輸出范圍為-500～+2500，使用PT-ADP獲取模擬量數據的工作原理為：

（1）輸入的模擬量數據被轉換成數字值，并被保存在FX3U可編程控制器的特殊軟元件中。

（2）通過向特殊軟元件寫入數值，可以設定平均次數或者指定輸入模式。

（3）依照從基本單元開始的連接順序，分配特殊軟元件，每個模塊分配特殊輔助繼電器、特殊數據寄存器各10個。

通過利用特殊輔助繼電器M8260的狀態，可以設定PT-ADP的溫度單位。M8260置為ON：華氏（°F），若置為OFF：攝氏（℃）。

將PT-ADP中輸入的溫度數據，保存到特殊數據寄存器中。FX3U可編程控制器中特殊數據寄存器D8260存放通道1測定溫度，D8261存放通道2測定溫度。在測定溫度中，保存即時值，或者按照平均次數中設定的次數而得到的平均值。

2.3 PLC控制單元

本系統涉及的I/O點數不多，與觸摸屏通訊，僅控制4臺電機。從性價比、技術性能、維護方便性等方面考慮，可采用FX3U-16MR/ES-A，內置8入/8出（繼電器），AC電源供電。輸入部分主要連接MCGS、FX3U-4AD-PT-ADP等單元，輸出部分連接FX3U-3A-ADP控制變頻器、冷凝風機，以及通風機等設備。PLC的模擬量輸出模塊與變頻器模擬量輸入端相連接，實現電機0-50Hz變頻調速運行。

2.4 HMI上位機

采用北京昆侖通態MCGS觸摸屏（TPC7062K），通過RS-232數據線將其與FX3U PLC控制器通信。溫度控制系統的工作模式和車廂溫度等信息可由觸摸屏設定，觸摸屏上可實時監控當前溫度、驅動電機狀態、空調工作模式等信息。

2.5 變頻器

采用三菱E740變頻器進行模擬量調速控制壓縮機的運行速度。控制變頻器的信號來自PLC的模擬量FX3U-3A-ADP輸出模塊，頻率控制范圍為0-50HN.

3 系統軟件設計

3.1設計思路

車廂的當前溫度通過溫度傳感器和模擬量模塊的處理，利用PLC與上位機MCGS的通信，在觸摸屏上實時顯示出來，觸摸屏針對乘務員和檢修員組態有兩種工作模式。針對旅客對當前車廂溫度的要求，乘務員憑權限登錄“正常模式”，在正常模式下可進行20℃-29℃范圍內的溫度設定，PLC根據HMI輸入的溫度值與當前值比較，決定啟動相應的送風模式，并實時顯示當前工況。檢修員憑權限登錄“維護模式”，在該模式下可通過人機界面監測空調系統電機的運行狀態和進行單臺電機的調試。系統的關鍵在于對當前溫度的采集處理以及控制變頻器的模擬量輸出。

3.2 MCGS組態設計

首頁界面設計內容（如圖2所示）。選擇“正常模式”按鈕，自動彈出“用戶登入”窗口，用戶名下拉選“乘務員”，輸入預設密碼“123"方可進入“正常模式”界面，密碼錯誤則不能進入相應界面，設置完成后可返回首頁界面。選擇“維護模式”按鈕，自動彈出“用戶登入”窗口，用戶名下拉選“檢修員”，輸入預設密碼“456”方可進入“維護模式”界面，密碼錯誤不能進入相應界面，可在調試過程點苗按鈕返回。

“正常模式”界面組態包含設定溫度輸入框、車內溫度顯示框及制冷工況、通風工況和加熱工況運行狀態指示燈、返回按鈕等構件。“維護模式”界面組態包含選擇電機調試的列表對話框、冷凝風機1、冷凝風機2、壓縮機、通風機等運行狀態指示燈，以及壓縮機當前運行頻率顯示、返回按鈕等構件。

其中圖2中的構件“正常模式”按鈕用到的腳本程序如下：

IF！Logon（）=0AND ！strComp（！Get-CurrentUser（），”乘務員”）=0THEN

用戶窗口.正常模式.Open（）

ENDIF

“維護模式”按鈕構件用到的腳本程序如下：

IF！LogOn（）=0AND ！strComp（！Get-CurrentUser（），”檢修員”）=0THEN

用戶窗口.維護模式.Open（）

ENDIF

3.3PLC程序設計

系統程序可采用三菱Gxdeveloper編程軟件的梯形圖以及SFC來實現，主程序工作流程如圖3所示。在主程序中，系統通電后，首先初始化復位狀態步、輔助繼電器和寄存器，執行AD模塊以及DA模塊處理程序，同時進入工作模式選擇等待狀態。

3.3.1“正常模式”控制程序設計要點

（1）程序初始化。

（2）MCGS設定溫度。

（3）車廂溫度當前值的采集。

（4）溫度當前值與設定值的比較：

①若當前值>設定值，啟動制冷工況模式，通風機低速運行，3S后切換到高速運行并保持;制冷系統壓縮機以10HZ啟動運行，每隔3S頻率增加5HZ，直到壓縮機50HZ運行并保持;3S后冷凝風機1運行并保持，3S后冷凝風機2運行并保持，全冷工況啟動完畢進入運行狀況，MCGS制冷模式指示燈亮，并實時顯示車廂當前溫度。

②若當前值<設定值，啟動加熱工況模式，開啟電輔熱，通風機低速運行，3S后切換到高速運行并保持;制熱系統壓縮機以10HZ啟動運行，每隔3S頻率增加5HZ，直到壓縮機30HZ運行并保持，MCGS加熱工況模式指示燈亮，并實時顯示車廂當前溫度。

③若當前值：設定值，空調系統按通風工況運行，通風機低速運行后切換到高速運行，冷凝風機1和冷凝風機2間隔5S交替運行，MCGS通風工況模式指示燈亮，并實時顯示車廂當前溫度。

（5）執行D/A轉換，模擬量輸出控制變頻器進行壓縮機調速。

3.3.2 “維護模式”控制程序設計要點

（1）程序初始化。

（2）判斷選擇的調試電機。

（3）根據性能測試要求調試各電機。

4 試驗結果

為驗證本設計的控制效果，采用摩擦Pt100感應頭改變測量溫度來測試控制系統的可行性。系統啟動后，在MCGS觸摸屏上采用不同的溫度值設定，均能使系統在不同工況的運行要求下啟動相應電機，較好地實現了人機交互情況下空調控制系統的電機運行控制。

5 結語

采用PLC和HMI設計的動車空調調溫控制系統，完全符合空調系統進入不同工況模式下各種電機運行控制需求，可實現車廂內獨立的人機交互溫控要求，該系統運行穩定，控制方便快捷，可以在實際環境中完善推廣應用。