摘要：本文闡述了OMRON的CPM2A系列PLC及其擴展模塊、NT系列與NS系列可編程終端在我國鐵道客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，詳細分析了上述OMRON自動化產(chǎn)品在鐵道客車低壓電氣屏柜及車載網(wǎng)絡(luò)終端中的設(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)鍵詞：鐵道客車； 電氣控制； 監(jiān)控系統(tǒng)； 低壓電氣屏柜； PLC； 觸摸屏 1.引言 隨著我國鐵道行業(yè)跨越式發(fā)展進程的不斷推進，鐵道客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)增加了許多新設(shè)備、采用了許多新工藝，系統(tǒng)的復雜性不斷增大，原有的電氣監(jiān)控系統(tǒng)僅是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，如供電電源選擇控制部分、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，已無法滿足鐵道客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)快速發(fā)展的需要，鐵道客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計改進勢在必行。 在鐵道客車電氣行業(yè)領(lǐng)導機構(gòu)的大力組織協(xié)調(diào)下，相關(guān)行業(yè)設(shè)計工廠與科研院所共同研發(fā)設(shè)計了新型的鐵道客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)，即鐵道客車低壓電氣綜合控制屏柜（以下簡稱綜合控制柜）。控制柜用于AC380V或DC600V供電的空調(diào)旅客列車，將客車老式電氣監(jiān)控系統(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)。典型的綜合控制柜采用OMRON的PLC（CPM2A-CPU61）、PLC的I/O擴展模塊CPM1A-20EDR1、通訊適配器CPM1-CIF01、NT系列可編程終端NT31或NT631等構(gòu)成控制核心，采用NS系列可編程終端NS10作為列車網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控終端，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； （3）客車應(yīng)急供電電源的監(jiān)控保護、轉(zhuǎn)換控制； （4）客車照明系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換控制； （5）客車車載網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)。 根據(jù)不同鐵道客車類型，實際的綜合控制柜控制核心硬件配置還采用過OMRON的PLC主機CPM2A-30CDR-D，模擬量擴展模塊CPM1A-DA001等。 綜合控制柜的PLC通過微型可編程序終端NT31（以下簡稱觸摸屏）接受各種指令并自動執(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，綜合控制柜具有檢測、控制、診斷保護、信息提示、聯(lián)網(wǎng)通訊功能，實現(xiàn)供電及控制系統(tǒng)的綜合控制，PLC通過適配器與車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的串行通訊實現(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)。 2.新型電氣監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)成 新型鐵道客車電氣監(jiān)控系統(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-ST122-EV2或NT31-ST123-EV3）、通訊適配器CPM1-CIF01等為控制核心，采用NS系列可編程終端NS10作為列車網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控終端，由供電電源控制部分、空調(diào)機組控制部分、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，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如附圖所示，各個功能單元的控制方案分析如下： 2.1 控制核心部分 （1）PLC主機CPM2A-CPU61CPM2A-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，對出現(xiàn)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。 （2）觸摸屏NT31NT31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，由通訊接口和PLC的外設(shè)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： 122×92mm2。。 （3）開關(guān)量擴展I/O單元CPM1A-20EDR1CPM1A-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-CIF01CPM1-CIF01是通訊轉(zhuǎn)換模塊，實現(xiàn)PLC與車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的 串行通訊。 （5）可編程終端NS10NS系列觸摸屏是工業(yè)級的IT人機界面，具有高亮度、寬視 角；多語言支持（16種）、用于梯形圖監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳送、存儲的CF卡；豐富的宏語言功能；具有Ethernet和Controller Link網(wǎng)絡(luò)接口，USB打印驅(qū)動；增強網(wǎng)絡(luò)功能等特點。在電氣監(jiān)控系統(tǒng)中，選用NS10作為列車網(wǎng)絡(luò)的終端實現(xiàn)對車載網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控。 2.2 供電電源控制部分 綜合控制柜的供電電源取自兩路貫通全列客車的供電母線，可實現(xiàn)手動或自動選擇其中一路供電，實時監(jiān)測供電電源的電壓、電流、漏電電流等電氣參數(shù)。在PLC自動控制供電的情況下，可實現(xiàn)根據(jù)車廂編號的均衡供電，保證電氣負載基本均衡分配到兩路供電母線上，同時可實現(xiàn)供電電源的輸出過壓、輸出欠壓、輸出三相電壓不平衡等故障的判斷、保護轉(zhuǎn)換、報警提示、故障數(shù)據(jù)記錄等控制功能與客車電氣系統(tǒng)的在線絕緣監(jiān)測保護控制功能。 2.3 空調(diào)機組控制部分 客車供電實現(xiàn)后，綜合控制柜可手動或自動控制空調(diào)機組選擇“弱風”、“強風”、“半冷”、“半暖”、“全冷”、“全暖”等工況及在各個工況之間進行轉(zhuǎn)換，同時可實時監(jiān)測車內(nèi)溫度、外界環(huán)境溫度、空調(diào)壓縮機或空氣預熱器的工作電流、機組工作時間等運行參數(shù)并進行記錄，同時可實現(xiàn)通風機與冷凝風機的過載故障、壓縮機的壓力故障與過流故障、空氣預熱器的內(nèi)部超溫故障等故障的判斷、保護轉(zhuǎn)換、報警提示、故障數(shù)據(jù)記錄等功能。 在PLC自動控制空調(diào)機組的情況下，PLC根據(jù)供電狀態(tài)、車內(nèi)溫度實測值與在NT31觸摸屏參數(shù)設(shè)定界面預先設(shè)定的“制冷”、“制暖”溫度設(shè)定值的比較結(jié)果，控制空調(diào)機組自動選擇各個工況，根據(jù)自動控制溫度曲線、溫度回差等控制機組在各個工況之間轉(zhuǎn)換，同時可實現(xiàn)空調(diào)壓縮機與預熱器的過流故障、過載故障、三相電流不平衡故障、缺相故障等故障的電子軟保護與報警提示、轉(zhuǎn)換控制功能，還可根據(jù)壓縮機與預熱器的運行時間自動調(diào)節(jié)其工作時間的均衡性。 2.4 應(yīng)急電源控制部分 綜合控制柜的應(yīng)急電源由直流電源設(shè)備與蓄電池組成?？刂乒裾９ぷ鲿r，由直流電源設(shè)備提供直流控制電源，當電源設(shè)備故障或無主電路供電時，由蓄電池組提供直流電源。為保證重要直流負載的供電，防止蓄電池的過放電，控制柜具有欠壓報警提示、保護控制功能。當PLC檢測到本車蓄電池電壓低于欠壓保護設(shè)定值時，觸摸屏應(yīng)顯示相應(yīng)故障信息，提示用戶；欠壓保護控制信號由直流電源設(shè)備給出，可切斷低供電等級的負載。 2.5 照明控制部分 綜合控制柜的照明控制部分可實現(xiàn)客車車廂內(nèi)的終夜照明燈、半夜照明燈、應(yīng)急照明燈的控制與轉(zhuǎn)換。 2.6聯(lián)網(wǎng)通訊部分 綜合控制柜的聯(lián)網(wǎng)通訊部分由多個車載網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備組成，PLC通過適配器與車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的串行通訊實現(xiàn)與本車智能電氣設(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，通過控制柜NT31觸摸屏監(jiān)視車載網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，向其他客車發(fā)送供 電與空調(diào)的控制命令，同時列車網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控終端NS10可方便監(jiān)控全列客車的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)信息，發(fā)送網(wǎng)絡(luò)控制命令，大大方便了列車乘務(wù)人員對列車電氣系統(tǒng)的監(jiān)控與管理。 3.控制核心PLC、NT31等的應(yīng)用設(shè)計、程序編制調(diào)試技巧總結(jié) 電氣監(jiān)控系統(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、可編程終端的功能、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)鐵道客車電氣系統(tǒng)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。綜合控制柜的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： （1）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)電氣監(jiān)控系統(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； （2）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； （3）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)； （4）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； （5）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，對于復雜或重要操作盡量提供操作幫助說明界面； （6）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。 4.新型電氣監(jiān)控系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新 新型鐵道客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)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\NS10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)了鐵道客車電氣監(jiān)控系統(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。 5.新型電氣監(jiān)控系統(tǒng)的推廣運用 新型鐵道客車電氣監(jiān)控系統(tǒng)從2002年投入實際運用以來，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，并在鐵道客車電氣行業(yè)相關(guān)領(lǐng)導機構(gòu)的組織下，被確定為我國自主研發(fā)新造客車的綜合控制柜的統(tǒng)型產(chǎn)品。從2002年至今，綜合控制柜已在新造鐵道客車中成功裝車運用4000余套，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，整體運用情況詳見附表。 6.結(jié)束語 以O(shè)MRON自動化產(chǎn)品為控制核心的新型鐵道客車電氣監(jiān)控系統(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，為保證我國鐵道客車第五次大提速的順利進行做出了卓越貢獻，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。