高鐵動車組列車獨立空調控制系統設計

孫 興，包西平

（徐州工業職業技術學院，江蘇徐州 221140）

0 引言

高鐵出行中，空調系統作為動車的一個重要子系統在車輛中扮演著重要角色。空調的功能根據地域的不同，所發揮的功能也不盡不同。由于南北的氣候差異較大，動車組空調是一體的，空調的溫度值是設定的固定值，并不會根據動車組所含有的人口數量而進行更改，而且也沒有更改溫度的操作面板，所以動車組空調無法正常工作到適宜溫度，讓人感到忽冷忽熱。空調一般都是全冷和半冷，通風量也只有一兩擋的調節。因此動車的獨立空調系統非常重要。

本文的設計就是針對以上問題，加以修改、創新所完成的。具體涉及到動車組獨立空調，根據需求在一塊操作面板上更改空調的適宜溫度。

1 模擬動車組獨立空調運行總體方案

1.1 動車獨立空調關鍵技術

在該設計中，主要運用了PLC 技術、傳感器技術、變頻器技術、以太網通訊技術、MCGS觸摸屏等技術結合，實現動車空調的獨立性和自動化。在手動模式下，通過各個部件的獨立按鈕來手動調節各個部件的運行方式，達到適合人們需求的溫度；在自動模式下，根據溫度傳感器來感知當前溫度，并發送到上位機MCGS 觸摸屏上，通過上位機發送一系列指令，來使各個部件產生一系列動作來達到適宜的溫度。觸摸屏作為一種直觀方便的人機交互方式，在工業控制中得到了廣泛的應用[1]。

1.2 總體設計方案

主控為西門子PLC S7-1200，通過硬件、軟件的設計來模擬動車獨立空調運行的控制要求。PLC 主要是用能夠編寫程序的存儲器來實現一系列的可操作運算，包含邏輯、數字和算術運算等，輸入和輸出由數字化和模擬化2種方式實現，能夠控制生產過程中的各類機械[2]。硬件主要是驅動部分，也就是執行元件，輸入部分主要有外部按鈕控制、接近開關、MCGS觸摸屏、溫度傳感器。

使用博圖軟件書寫梯形圖進行軟件的編程來實現控制要求。通過模擬實物調試完成所設計的功能。

圖1 所示為智能窗簾控制裝置連接示意圖。圖中，控制器的作用主要是數據的接收、處理、發送；MCGS 觸摸屏采集溫度信息下發到控制器，并給控制器下發控制命令來實現空調運轉的自動模式。按鍵裝置為整個系統的手動控制，采用獨立式按鈕可以更便捷地控制各個模擬部件的運轉，防止由于溫度傳感器的損壞而導致機器的無法正常運行。接近開關的作用反饋給控制器限位保護信號，防止模擬動車運行的電機運轉超程。所采用的接近開關型號為OBM-D04NK，這種接近開關所能檢測的物體必須是金屬物體[3]。

圖1 智能窗簾控制裝置連接示意圖

2 模擬動車組獨立空調硬件設計

2.1 硬件系統

系統的硬件結構框圖如圖2 所示。使用的控制器是西門子PLC S7-1200，控制的對象是模擬通風機（M4）、模擬壓縮機（M1）、模擬冷凝機（M2、M3）、模擬動車運行電機（伺服電機M5）。

控制方法是通過交換機使MCGS 上位機與每個PLC 之間通過以太網的方式進行通訊連接。當有2個以上通信設備時，系統將運行網絡連接，這時就要利用以太網加以完成[4]。本次設計中由于通訊設備較多，所以選用交換機作為通訊轉換工具。從廣義上來分析，在通信系統里對于信息交換功能實現的設備，就是交換機[5]。

在自動狀態下，MCGS上位機采集當前溫度值，并根據設定溫度范圍直接下發命令到各個控制器。然后通過控制器來控制各個機器的運行程度，在5～20 ℃范圍內，壓縮機以15 Hz 的頻率運行。在20～30 ℃范圍內，壓縮機以30 Hz 的頻率運行。當大于30℃時，壓縮機以50 Hz的頻率運行。冷凝機1先運行5 s，然后冷凝機1和2同時運行。

在手動模式下，通過外部按鈕，來選擇調控各個機器的運行模式。當“手動模式當前車溫”設定為小于18 ℃或者“自動模式溫度”顯示為18 ℃時，空調系統進入通風模式。通風機以低速的方式運行4 s，6 s 后電機切換高速的方式運行，并且此時壓縮機的指示燈常亮。壓縮機以30 Hz 的頻率運行，此時壓縮機的代表燈常亮。冷凝機1先運行5 s，然后冷凝機2運行5 s，2個冷凝機交替運行。

圖2 硬件結構

在模擬調試中，車輛電機在B地位置啟動，先向C地運行，到達后向A地運行，到達A地后向B地運行，來回往返運動。接近開關用來作為模擬動車運行的限位反饋，以達到正常的運行范圍。無論為高溫模式還是低溫模式，無論是手動模式還是主動模式，只要是溫度達到適合人體的舒適溫度18～23 ℃，所有的運行電機立即停止運行。當動車選擇停止運行時，按下停止按鈕，所有的運行電機立即停止運行工作。

2.2 核心電路

根據系統的功能要求，對PLC的I/O口進行配置[6]。

主要電路的設計：PLC1 控制模擬通風機I/O 接線圖、PLC2控制模擬壓縮機、模擬冷凝機I/O接線圖、PLC3控制伺服電機（模擬動車運行）I/O接線圖、主電路圖。

如圖3所示為PLC1控制模擬通風機I/O接線圖，PLC的電源接口及輸出端都使用交流220 V供電；輸入端采用直流24 V供電。PLC用來控制模擬壓縮機的運行。當SB1閉合后，PLC的輸入I0.0 得電，Q0.0 輸出，此時線圈KM1 得電；當線圈KM1 得電后，KM1 常閉斷開；過一段時間，斷開Q0.0 的輸出，輸出Q0.1、Q0.2，此時KM2、KM3 線圈得電，KM1 線圈失電。

圖3 PLC1控制模擬通風機I/O接線圖

圖4 所示為PLC2 控制模擬壓縮機、模擬冷凝機I/O 接線圖。PLC2控制模擬壓縮機、模擬冷凝機I/O接線圖。PLC的電源接口使用交流220 V 供電；輸入端采用直流24 V 供電；西門子SM1223 擴展模塊是一種數字輸入輸出模塊，兩者通過35 mmDIN導軌進行連接，可以很好地解決PLC上的輸入與輸出不夠的問題。并且SM1223輸入、輸出模塊的數字輸入開關均提供了增量編碼器脈沖信號的快速計數器的功能擴展模塊，輸入端采用24 V 直流供電，輸出端采用交流220 V 供電。PLC通過連接變頻器[7]來控制模擬壓縮機的運行速度。擴展模塊用來控制模擬冷凝機1和模擬冷凝機2的運行。

圖4 PLC2控制模擬壓縮機、模擬冷凝機I/O接線圖

模式1：當SB1 閉合后，PLC 的輸入I0.0 得電，Q0.0 輸出；再次按下SB1，斷開Q0.0 輸出，Q0.1 輸出；第三次按下SB1，斷開Q0.1輸出，Q0.2輸出；按下按鈕SB2，停止Q的所有輸出。

模式2：當SB1 閉合后，Q8.1 輸出；再次按下，Q8.2輸出。

圖5 PLC3 控制伺服電機（模擬動車運行）I/O接線圖

圖5所示為PLC3控制伺服電機（模擬動車運行）I/O接線圖。PLC的電源接口使用直流24 V 供電；輸入端和輸出端皆采用直流24 V 供電；PLC 通過連接伺服電機控制器來間接控制伺服電機，用來模擬動車的運行。輸入信號SQ1、SQ2、SQ3 控制I0.1、I0.2、I0.3 的輸入，從而控制Q0.1、Q0.2的輸出。

圖6 所示為主電路圖，其中電機M4、M1、M2、M3 并聯使用，模擬通風機（M4）為雙速電機，模擬壓縮機（M1）、模擬冷凝機（M2、M3）為交流三相異步電動機。值，發送到MCGS 上位機上；然后根據上位機里面設定的軟件程序，實現自動模式。在不同的溫度條件下來控制各個部件的運行方式，以達到最佳運行效果。

圖6 主電路圖

（1）當繼電器KM1 閉合后，電機M4 低速的方式進行運行。當過一段時間KM2KM3 閉合，KM1 斷開，電機M4 以高速的方式運行。

（2）電機M1由三菱變頻器控制啟動與停止和運行頻率。

（3）當繼電器KM4、KM5 閉合后，電機M2、M3 以50Hz的頻率正常運行。

2.3 功能模塊

溫度模塊選擇溫度傳感器型號 為RS-WS-N01-1。 本 設 計中，通過上位機MCGS 觸摸屏的RS485 口，并且采用Modbus 協議與溫度傳感器進行通訊讀取測量數值，連接方式如圖7 所示。其重要參數如表1所示。

圖7 溫度傳感器與MCGS通訊連接圖

表1 重要參數表

通過傳感器采集到的溫度

3 模擬動車組獨立空調系統軟件設計

3.1 開發環境

本文所采用的開發環境為TIA博途，TIA博途作為未來軟件工程組態包的基礎，可對西門子全集成自動化中所涉及的自動化和驅動產品進行組態、編程和調試[8]。用戶可方便地將變量從可編程控制器拖放到人機界面設備的畫面中。然后在人機界面內即時分配變量，并在后臺自動建立控制器與人機界面的連接，無需手動組態。

3.2 軟件開發和程序運行流程

圖8 所示為上電運行流程圖。先做上電檢查，觀察系統運行是否正常，不正常重新檢查再上電，正常的話選擇運行模式。在自動模式下，觀察MCGS 觸摸屏是否采集到當前溫度值，有則根據程序設定控制模擬通風機、模擬冷凝機1、模擬冷凝機2、模擬壓縮機的運行。無則重新檢查并上電。在手動狀態下，檢查模擬通風機控制按鈕、模擬冷凝機控制按鈕、模擬壓縮機控制按鈕是否正常，若正常工作直接控制各自對應的機器，不正常工作則重新檢查并上電工作。

圖8 程序總流程圖

3.3 主程序編寫

圖9 所示為手動狀態下的部分博途軟件下載程序。圖中為模擬壓縮機的控制程序，當進行壓縮機調試時，M0.0 常開閉合，當啟動按鈕I0.0 閉合后。I0.0 常開每閉合1 次，則MW11寄存器加1。當MW11寄存器中的值為1時，點M2.0置位；當MW11 寄存器中的值為2 時，點M2.1 置位；當MW11寄存器中的值為3時，點M2.2置位。當點M0.0得電后，定時器DB4 開始定時，1 s 時間到，輸出M1.6。此時，點M1.6 得電，定時器DB7開始計時，1 s時間到輸出點M1.5，點M1.5常閉斷開。點M1.6與點M1.5相互影響，每1 s的時間閉合1次。當點M1.1 或點M1.0 或M1.6 閉合后，Q0.4 線圈得電。由于選擇壓縮機調試，所以點M0.0 常開閉合，當點M2.2 常開閉合后，輸出Q0.5線圈得電。當線圈Q0.0、線圈Q0.3或線圈Q0.5得電后，常開閉合后，線圈Q0.1得電。

圖10 所示為上位機MCGS 的部分軟件程序。圖為顯示及手自動模式的控制程序，當溫度大于45 ℃時，顯示器只顯示45 ℃；當溫度小于5 ℃，顯示器只顯示5 ℃。“If MS＝1”為自動模式，“If MS＝0”為手動模式。手自動模式下，溫度大于30 ℃時，程序控制壓縮機以50 Hz的頻率運行。冷凝機1先運行5 s，然后冷凝機1和2同時運行。溫度小于30 ℃時，冷凝機1先運行5 s，然后冷凝機2運行5 s，2個冷凝機進行交替運行。

圖10 觸摸屏程序部分截圖

4 結束語

本文研究的重點是動車組空調的獨立性以及自動化。關于控制部分主要是本文中第2節的硬件設計和第3節的軟件設計，成功地完成動車組獨立空調的模擬設計，能夠實現自動模式以及手動模式的運行。根據本次的研究，因為采用手、自動2種模式，且各個模式運行互不干擾，展現出空調的獨立性。自動模式下，通過溫度傳感器的采集、程序的運行，使獨立空調更加自動化。