高鐵動(dòng)車組列車獨(dú)立空調(diào)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

孫 興，包西平

（徐州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇徐州 221140）

0 引言

高鐵出行中，空調(diào)系統(tǒng)作為動(dòng)車的一個(gè)重要子系統(tǒng)在車輛中扮演著重要角色?？照{(diào)的功能根據(jù)地域的不同，所發(fā)揮的功能也不盡不同。由于南北的氣候差異較大，動(dòng)車組空調(diào)是一體的，空調(diào)的溫度值是設(shè)定的固定值，并不會(huì)根據(jù)動(dòng)車組所含有的人口數(shù)量而進(jìn)行更改，而且也沒有更改溫度的操作面板，所以動(dòng)車組空調(diào)無法正常工作到適宜溫度，讓人感到忽冷忽熱?？照{(diào)一般都是全冷和半冷，通風(fēng)量也只有一兩擋的調(diào)節(jié)。因此動(dòng)車的獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)非常重要。

本文的設(shè)計(jì)就是針對(duì)以上問題，加以修改、創(chuàng)新所完成的。具體涉及到動(dòng)車組獨(dú)立空調(diào)，根據(jù)需求在一塊操作面板上更改空調(diào)的適宜溫度。

1 模擬動(dòng)車組獨(dú)立空調(diào)運(yùn)行總體方案

1.1 動(dòng)車獨(dú)立空調(diào)關(guān)鍵技術(shù)

在該設(shè)計(jì)中，主要運(yùn)用了PLC 技術(shù)、傳感器技術(shù)、變頻器技術(shù)、以太網(wǎng)通訊技術(shù)、MCGS觸摸屏等技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)動(dòng)車空調(diào)的獨(dú)立性和自動(dòng)化。在手動(dòng)模式下，通過各個(gè)部件的獨(dú)立按鈕來手動(dòng)調(diào)節(jié)各個(gè)部件的運(yùn)行方式，達(dá)到適合人們需求的溫度；在自動(dòng)模式下，根據(jù)溫度傳感器來感知當(dāng)前溫度，并發(fā)送到上位機(jī)MCGS 觸摸屏上，通過上位機(jī)發(fā)送一系列指令，來使各個(gè)部件產(chǎn)生一系列動(dòng)作來達(dá)到適宜的溫度。觸摸屏作為一種直觀方便的人機(jī)交互方式，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用[1]。

1.2 總體設(shè)計(jì)方案

主控為西門子PLC S7-1200，通過硬件、軟件的設(shè)計(jì)來模擬動(dòng)車獨(dú)立空調(diào)運(yùn)行的控制要求。PLC 主要是用能夠編寫程序的存儲(chǔ)器來實(shí)現(xiàn)一系列的可操作運(yùn)算，包含邏輯、數(shù)字和算術(shù)運(yùn)算等，輸入和輸出由數(shù)字化和模擬化2種方式實(shí)現(xiàn)，能夠控制生產(chǎn)過程中的各類機(jī)械[2]。硬件主要是驅(qū)動(dòng)部分，也就是執(zhí)行元件，輸入部分主要有外部按鈕控制、接近開關(guān)、MCGS觸摸屏、溫度傳感器。

使用博圖軟件書寫梯形圖進(jìn)行軟件的編程來實(shí)現(xiàn)控制要求。通過模擬實(shí)物調(diào)試完成所設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)的接收、處理、發(fā)送；MCGS 觸摸屏采集溫度信息下發(fā)到控制器，并給控制器下發(fā)控制命令來實(shí)現(xiàn)空調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的自動(dòng)模式。按鍵裝置為整個(gè)系統(tǒng)的手動(dòng)控制，采用獨(dú)立式按鈕可以更便捷地控制各個(gè)模擬部件的運(yùn)轉(zhuǎn)，防止由于溫度傳感器的損壞而導(dǎo)致機(jī)器的無法正常運(yùn)行。接近開關(guān)的作用反饋給控制器限位保護(hù)信號(hào)，防止模擬動(dòng)車運(yùn)行的電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)超程。所采用的接近開關(guān)型號(hào)為OBM-D04NK，這種接近開關(guān)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(dòng)車組獨(dú)立空調(diào)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示。使用的控制器是西門子PLC S7-1200，控制的對(duì)象是模擬通風(fēng)機(jī)（M4）、模擬壓縮機(jī)（M1）、模擬冷凝機(jī)（M2、M3）、模擬動(dòng)車運(yùn)行電機(jī)（伺服電機(jī)M5）。

控制方法是通過交換機(jī)使MCGS 上位機(jī)與每個(gè)PLC 之間通過以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通訊連接。當(dāng)有2個(gè)以上通信設(shè)備時(shí)，系統(tǒng)將運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)連接，這時(shí)就要利用以太網(wǎng)加以完成[4]。本次設(shè)計(jì)中由于通訊設(shè)備較多，所以選用交換機(jī)作為通訊轉(zhuǎn)換工具。從廣義上來分析，在通信系統(tǒng)里對(duì)于信息交換功能實(shí)現(xiàn)的設(shè)備，就是交換機(jī)[5]。

在自動(dòng)狀態(tài)下，MCGS上位機(jī)采集當(dāng)前溫度值，并根據(jù)設(shè)定溫度范圍直接下發(fā)命令到各個(gè)控制器。然后通過控制器來控制各個(gè)機(jī)器的運(yùn)行程度，在5～20 ℃范圍內(nèi)，壓縮機(jī)以15 Hz 的頻率運(yùn)行。在20～30 ℃范圍內(nèi)，壓縮機(jī)以30 Hz 的頻率運(yùn)行。當(dāng)大于30℃時(shí)，壓縮機(jī)以50 Hz的頻率運(yùn)行。冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s，然后冷凝機(jī)1和2同時(shí)運(yùn)行。

在手動(dòng)模式下，通過外部按鈕，來選擇調(diào)控各個(gè)機(jī)器的運(yùn)行模式。當(dāng)“手動(dòng)模式當(dāng)前車溫”設(shè)定為小于18 ℃或者“自動(dòng)模式溫度”顯示為18 ℃時(shí)，空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)入通風(fēng)模式。通風(fēng)機(jī)以低速的方式運(yùn)行4 s，6 s 后電機(jī)切換高速的方式運(yùn)行，并且此時(shí)壓縮機(jī)的指示燈常亮。壓縮機(jī)以30 Hz 的頻率運(yùn)行，此時(shí)壓縮機(jī)的代表燈常亮。冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s，然后冷凝機(jī)2運(yùn)行5 s，2個(gè)冷凝機(jī)交替運(yùn)行。

圖2 硬件結(jié)構(gòu)

在模擬調(diào)試中，車輛電機(jī)在B地位置啟動(dòng)，先向C地運(yùn)行，到達(dá)后向A地運(yùn)行，到達(dá)A地后向B地運(yùn)行，來回往返運(yùn)動(dòng)。接近開關(guān)用來作為模擬動(dòng)車運(yùn)行的限位反饋，以達(dá)到正常的運(yùn)行范圍。無論為高溫模式還是低溫模式，無論是手動(dòng)模式還是主動(dòng)模式，只要是溫度達(dá)到適合人體的舒適溫度18～23 ℃，所有的運(yùn)行電機(jī)立即停止運(yùn)行。當(dāng)動(dòng)車選擇停止運(yùn)行時(shí)，按下停止按鈕，所有的運(yùn)行電機(jī)立即停止運(yùn)行工作。

2.2 核心電路

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對(duì)PLC的I/O口進(jìn)行配置[6]。

主要電路的設(shè)計(jì)：PLC1 控制模擬通風(fēng)機(jī)I/O 接線圖、PLC2控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)I/O接線圖、PLC3控制伺服電機(jī)（模擬動(dòng)車運(yùn)行）I/O接線圖、主電路圖。

如圖3所示為PLC1控制模擬通風(fēng)機(jī)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(jī)的運(yùn)行。當(dāng)SB1閉合后，PLC的輸入I0.0 得電，Q0.0 輸出，此時(shí)線圈KM1 得電；當(dāng)線圈KM1 得電后，KM1 常閉斷開；過一段時(shí)間，斷開Q0.0 的輸出，輸出Q0.1、Q0.2，此時(shí)KM2、KM3 線圈得電，KM1 線圈失電。

圖3 PLC1控制模擬通風(fēng)機(jī)I/O接線圖

圖4 所示為PLC2 控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)I/O 接線圖。PLC2控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)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(kuò)展模塊是一種數(shù)字輸入輸出模塊，兩者通過35 mmDIN導(dǎo)軌進(jìn)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(shù)字輸入開關(guān)均提供了增量編碼器脈沖信號(hào)的快速計(jì)數(shù)器的功能擴(kuò)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(jī)的運(yùn)行速度。擴(kuò)展模塊用來控制模擬冷凝機(jī)1和模擬冷凝機(jī)2的運(yùn)行。

圖4 PLC2控制模擬壓縮機(jī)、模擬冷凝機(jī)I/O接線圖

模式1：當(dāng)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(dāng)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(jī)（模擬動(dòng)車運(yùn)行）I/O接線圖

圖5所示為PLC3控制伺服電機(jī)（模擬動(dòng)車運(yùn)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(jī)控制器來間接控制伺服電機(jī)，用來模擬動(dòng)車的運(yùn)行。輸入信號(hào)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(jī)M4、M1、M2、M3 并聯(lián)使用，模擬通風(fēng)機(jī)（M4）為雙速電機(jī)，模擬壓縮機(jī)（M1）、模擬冷凝機(jī)（M2、M3）為交流三相異步電動(dòng)機(jī)。值，發(fā)送到MCGS 上位機(jī)上；然后根據(jù)上位機(jī)里面設(shè)定的軟件程序，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)模式。在不同的溫度條件下來控制各個(gè)部件的運(yùn)行方式，以達(dá)到最佳運(yùn)行效果。

圖6 主電路圖

（1）當(dāng)繼電器KM1 閉合后，電機(jī)M4 低速的方式進(jìn)行運(yùn)行。當(dāng)過一段時(shí)間KM2KM3 閉合，KM1 斷開，電機(jī)M4 以高速的方式運(yùn)行。

（2）電機(jī)M1由三菱變頻器控制啟動(dòng)與停止和運(yùn)行頻率。

（3）當(dāng)繼電器KM4、KM5 閉合后，電機(jī)M2、M3 以50Hz的頻率正常運(yùn)行。

2.3 功能模塊

溫度模塊選擇溫度傳感器型號(hào) 為RS-WS-N01-1。 本 設(shè) 計(jì)中，通過上位機(jī)MCGS 觸摸屏的RS485 口，并且采用Modbus 協(xié)議與溫度傳感器進(jìn)行通訊讀取測量數(shù)值，連接方式如圖7 所示。其重要參數(shù)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(shù)表

通過傳感器采集到的溫度

3 模擬動(dòng)車組獨(dú)立空調(diào)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 開發(fā)環(huán)境

本文所采用的開發(fā)環(huán)境為TIA博途，TIA博途作為未來軟件工程組態(tài)包的基礎(chǔ)，可對(duì)西門子全集成自動(dòng)化中所涉及的自動(dòng)化和驅(qū)動(dòng)產(chǎn)品進(jìn)行組態(tài)、編程和調(diào)試[8]。用戶可方便地將變量從可編程控制器拖放到人機(jī)界面設(shè)備的畫面中。然后在人機(jī)界面內(nèi)即時(shí)分配變量，并在后臺(tái)自動(dòng)建立控制器與人機(jī)界面的連接，無需手動(dòng)組態(tài)。

3.2 軟件開發(fā)和程序運(yùn)行流程

圖8 所示為上電運(yùn)行流程圖。先做上電檢查，觀察系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，不正常重新檢查再上電，正常的話選擇運(yùn)行模式。在自動(dòng)模式下，觀察MCGS 觸摸屏是否采集到當(dāng)前溫度值，有則根據(jù)程序設(shè)定控制模擬通風(fēng)機(jī)、模擬冷凝機(jī)1、模擬冷凝機(jī)2、模擬壓縮機(jī)的運(yùn)行。無則重新檢查并上電。在手動(dòng)狀態(tài)下，檢查模擬通風(fēng)機(jī)控制按鈕、模擬冷凝機(jī)控制按鈕、模擬壓縮機(jī)控制按鈕是否正常，若正常工作直接控制各自對(duì)應(yīng)的機(jī)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(dòng)狀態(tài)下的部分博途軟件下載程序。圖中為模擬壓縮機(jī)的控制程序，當(dāng)進(jìn)行壓縮機(jī)調(diào)試時(shí)，M0.0 常開閉合，當(dāng)啟動(dòng)按鈕I0.0 閉合后。I0.0 常開每閉合1 次，則MW11寄存器加1。當(dāng)MW11寄存器中的值為1時(shí)，點(diǎn)M2.0置位；當(dāng)MW11 寄存器中的值為2 時(shí)，點(diǎn)M2.1 置位；當(dāng)MW11寄存器中的值為3時(shí)，點(diǎn)M2.2置位。當(dāng)點(diǎn)M0.0得電后，定時(shí)器DB4 開始定時(shí)，1 s 時(shí)間到，輸出M1.6。此時(shí)，點(diǎn)M1.6 得電，定時(shí)器DB7開始計(jì)時(shí)，1 s時(shí)間到輸出點(diǎn)M1.5，點(diǎn)M1.5常閉斷開。點(diǎn)M1.6與點(diǎn)M1.5相互影響，每1 s的時(shí)間閉合1次。當(dāng)點(diǎn)M1.1 或點(diǎn)M1.0 或M1.6 閉合后，Q0.4 線圈得電。由于選擇壓縮機(jī)調(diào)試，所以點(diǎn)M0.0 常開閉合，當(dāng)點(diǎn)M2.2 常開閉合后，輸出Q0.5線圈得電。當(dāng)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(jī)MCGS 的部分軟件程序。圖為顯示及手自動(dòng)模式的控制程序，當(dāng)溫度大于45 ℃時(shí)，顯示器只顯示45 ℃；當(dāng)溫度小于5 ℃，顯示器只顯示5 ℃。“If MS＝1”為自動(dòng)模式，“If MS＝0”為手動(dòng)模式。手自動(dòng)模式下，溫度大于30 ℃時(shí)，程序控制壓縮機(jī)以50 Hz的頻率運(yùn)行。冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s，然后冷凝機(jī)1和2同時(shí)運(yùn)行。溫度小于30 ℃時(shí)，冷凝機(jī)1先運(yùn)行5 s，然后冷凝機(jī)2運(yùn)行5 s，2個(gè)冷凝機(jī)進(jìn)行交替運(yùn)行。

圖10 觸摸屏程序部分截圖

4 結(jié)束語

本文研究的重點(diǎn)是動(dòng)車組空調(diào)的獨(dú)立性以及自動(dòng)化。關(guān)于控制部分主要是本文中第2節(jié)的硬件設(shè)計(jì)和第3節(jié)的軟件設(shè)計(jì)，成功地完成動(dòng)車組獨(dú)立空調(diào)的模擬設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)模式以及手動(dòng)模式的運(yùn)行。根據(jù)本次的研究，因?yàn)椴捎檬?、自?dòng)2種模式，且各個(gè)模式運(yùn)行互不干擾，展現(xiàn)出空調(diào)的獨(dú)立性。自動(dòng)模式下，通過溫度傳感器的采集、程序的運(yùn)行，使獨(dú)立空調(diào)更加自動(dòng)化。