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(fù)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(fù)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(dǎo)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?yán)鲜诫姎獗O(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(fù)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(fēng)”,、“強風(fēng)”,、“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(yù)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(fēng)機與冷凝風(fēng)機的過載故障,、壓縮機的壓力故障與過流故障、空氣預(yù)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(yù)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(yù)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(yù)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,。控制柜正常工作時,，由直流電源設(shè)備提供直流控制電源,，當(dāng)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(fù)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(dāng)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(fù)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(yù)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(yán)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(fù)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(rèn)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(yù)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(yán)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(dǎo)線盡量相互隔離，簡化了配線復(fù)雜度,，節(jié)約了大量導(dǎo)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(dǎo)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,。