基于PLC的車廂環境模擬控制系統設計

李曉艷

(陜西鐵路工程職業技術學院 電氣與信息工程系， 陜西 渭南 714000)

0 引言

列車車廂的控制系統主要是研究其溫度、濕度和光照強度，此外設計了安全裝置如煙霧報警系統，車門狀態顯示操作系統。目前列車車廂的溫濕度調節都是通過空調設施進行恒定值調節，但是若車廂載客過大時車廂溫濕度可能升高，引起旅客身體不適，若列車某節車廂載客量不大或無人時，溫濕度仍持續保持不變，這就在某種程度上耗費了機車的能源。同時車廂載客量過大時，會造成車廂空氣渾濁，難以滿足旅客的要求。當列車行駛通過隧道或者晝夜交替時段，車廂的照明系統不能及時地發生變化。而目前列車車廂都是趨于整節列車調節，還不能滿足對某一節車廂進行單獨控制。本文介紹的因此按照實際情況對相應的車廂進行溫度以及空氣質量和光照強度進行調節控制，使旅客所處的環境為最佳狀態。除以上的功能外若發生火災或其他緊急事件時可以通過控制系統通知隨車乘務員進行及時處理；并通過呼叫功能使旅客與乘務員之間進行良好的溝通，極大程度地改善了旅客在旅途中的便利性。

1 控制系統的結構與原理

為了使本系統能夠隨意安裝在車廂乘務室內而不占據空間，以及考慮到成本與抗干擾性和運行可靠，因此本系統采用S7-200PLC主控制器[1]，上位機采用體積較小、易操作、可視化程度高的觸摸屏[2-3]，以及其他附屬器件，該系統的功能結構由三部分組成：車廂環境舒適度、車廂環境安全度和乘客的便利度，如圖1所示。

圖1 車廂系統的功能結構

以每一節車廂為一個基礎單元，那么該基礎單元的邏輯控制，如圖2所示。

圖2 基礎單元邏輯控制

該系統的器件主要有：可編程控制器S7-200PLC[4]，CPU選擇為226，具有兩個RS-485接口，供電電壓為DC24 V，24路DC24 V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2 W，輸入電壓DC5 V，注意輸入電流不大于20 mA，輸入電壓為DC24 V，輸入電流不大于60 mA，威綸系列觸摸屏TK6071ip，具有4線模擬電阻式[5]，內存為128 MB，COM連接口COM1(RS232，2 W)，COM2(RS485，4 W)，輸入電壓為24 V；以及空氣溫濕度傳感器，光照傳感器，煙霧傳感器，報警燈，照明等，風扇，輕觸式開關，空氣開關。

2 控制系統硬件設計

為了滿足本系統所提出的三大功能，主要從以下幾個控制系統進行研究：溫度控制系統、照明系統、煙霧報警系統[6]，由于列車長途運行，車廂環境對旅客的安全與舒適極為重要，那么對系統的安全性和可靠性以及可操作性性要求極高，因此對于系統的器件選擇和之間的連接尤為重要。

2.1 溫度控制系統

通過數據采集器件(溫濕度傳感器、光照傳感器)，將所采集的物理量轉換為電信號傳遞到控制器中[7-8]，通過預先的設定值進行比較，根據差值進行相應地控制，始終使車廂環境符合人體的需要。溫濕度傳感器采用電容式聚合體測濕元件和一個能隙式測溫元件，并與一個 14 位的A/D 轉換器構成串行接口電路，溫度測量精度為0.5℃，將其采集的物理量轉換成模擬量輸入到PLC模擬量輸入模塊。

2.2 照明控制系統

光照傳感器根據車廂的實際情況選用亮電阻(@101ux)，18-50 kΩ, 暗電阻(Min)2 MΩ，尤其適用說明可以根據電阻值來換算出光照值，并將其采集的物理量轉換成模擬量輸入到PLC模擬量輸入模塊[9-11]。

2.3 煙霧報警系統

煙霧傳感器采用工業級傳感器，工作電壓：12 V，排煙熱損失：0～99.9%，檢測面積：20 平方米，報警輸出：繼電器常閉/常開[12]。

根據對以上系統器件的選擇，依據PLC與外圍負載進行輸入/輸出點的配置[13]，并設計出系統電路，如圖3所示。

圖3 系統硬件電路接線圖

根據各個器件的性能，需要引入DC24 V正負極電源接線端子排，以及24 V的穩壓電源。

3 控制系統軟件設計

3.1 溫度控制系統

根據硬件的結構與功能，通過PLC中PID控制環節與設定值進行比較，當溫度超出設定值范圍時，其空調系統開啟對車廂進行升溫或者制冷，若溫度超過一定限定值時，報警系統將發生報警并由乘務員開啟附加風機進行降溫[14]，其系統功能，如圖4所示。

圖4 溫度控制系統功能圖

3.2 照明控制系統

當光照值低于正常范圍時啟動或關閉照明燈，并相應地閉合或打開車窗窗簾，由于列車在夜間運行時，可以根據旅客休息時間，通過設定時間繼電器對照明燈進行關閉控制，并同時關閉車窗窗簾，其系統功能，如圖5所示。

圖5 照明控制系統功能圖

3.3 煙霧報警系統

當車廂出現火災時險情或者探測到車廂內有可燃、有害氣體時，通過煙霧傳感器將其采集的物理量轉換成模擬量輸入到PLC模擬量輸入模塊，并啟動報警裝置，乘務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氣體，則啟動空調裝置和附加風機對車廂內的氣體迅速排出，其系統功能，如圖6所示。

圖6 煙霧報警系統功能圖

4 控制系統功能實現

根據系統的功能及其軟硬軟件設計思想，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的操作程序。

4.1 溫度控制系統

對當前環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，根據溫度控制系統的介紹[15]，與溫度換算公式：溫度=讀取值/260.0-40.0(單位：℃)，編寫轉換程序。

使當前溫度值與用戶設定值進行比較，當前溫度值大于用戶設定值時，啟動空調裝置制冷(本文通過報警燈開啟模擬空調的制冷)；當前溫度值小于用戶設定值時，啟動空調裝置升溫(本文通過報警燈閃爍模擬空調的升溫)。溫度超過警戒值時，即溫度過高報警顯示界面，如圖7所示。

圖7 溫度過高報警界面

通過觸摸屏設計[3]模擬溫度過高報警系統界面，實現開關控制溫度變化的曲線圖以及溫度過高報警的效果。初始化界面為加熱狀態，溫度從0度開始升高，頻率為每秒變化0.5度，當溫度大于30度時，觸發報警信息顯示；啟動空調制冷，當前狀態變為制冷，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，報警信息不顯示。

4.2 照明控制系統

對當前車廂的光照通過光照傳感器進行采集，光照強度換算公式：光照強度=讀取值(單位：Lux)。輸入設定光照值(這里以500為例)，當環境光照值(PLC采集)大于輸入的設定值時，照明燈不亮；當環境光照值(PLC采集)小于輸入的設定值時(這里以1000為例)，此時照明燈點亮。

5 總結

本文利用S7-200PLC與觸摸屏TK6071ip的相互通信連接，針對對列車車廂環境，如溫度、光照、煙霧報警系統進行準確地I/O地址分配與觸摸屏的連接通信，設計出軟件與硬件系統，模擬系統的演示結果表明該系統的設計方案具有一定的可行性。同時，該系統還可以通過良好的人機交互功能，對系統參數進行相關設定，從而實現對整個控制系統的精確控制與監視，使列車車廂環境達到安全、舒適的效果，該設計方案對相關工程技術人員具有一定的參考作用。