摘要：本文闡述了OMRON的CPM2A系列PLC及其擴(kuò)展模塊、NT系列與NS系列可編程終端在我國(guó)鐵道客車(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用案例，詳細(xì)分析了上述OMRON自動(dòng)化產(chǎn)品在鐵道客車(chē)低壓電氣屏柜及車(chē)載網(wǎng)絡(luò)終端中的設(shè)計(jì)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(chē)； 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(guó)鐵道行業(yè)跨越式發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，鐵道客車(chē)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(gè)電氣監(jiān)控部分分散獨(dú)立，如供電電源選擇控制部分、空調(diào)機(jī)組控制部分、客車(chē)照明轉(zhuǎn)換控制部分、應(yīng)急電源控制部分等都是獨(dú)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(dòng)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(hù)困難等，已無(wú)法滿足鐵道客車(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)快速發(fā)展的需要，鐵道客車(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)改進(jìn)勢(shì)在必行。
在鐵道客車(chē)電氣行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的大力組織協(xié)調(diào)下，相關(guān)行業(yè)設(shè)計(jì)工廠與科研院所共同研發(fā)設(shè)計(jì)了新型的鐵道客車(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)，即鐵道客車(chē)低壓電氣綜合控制屏柜（以下簡(jiǎn)稱綜合控制柜）。控制柜用于AC380V或DC600V供電的空調(diào)旅客列車(chē)，將客車(chē)?yán)鲜诫姎獗O(jiān)控系統(tǒng)的各個(gè)電氣監(jiān)控部分進(jìn)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(kuò)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(chē)網(wǎng)絡(luò)的集中監(jiān)控終端，實(shí)現(xiàn)了以下以幾點(diǎn)主要設(shè)計(jì)工藝：
（1）客車(chē)供電電源的選擇、轉(zhuǎn)換、故障判斷保護(hù)等自動(dòng)控制、手動(dòng)控制；
（2）客車(chē)空調(diào)機(jī)組的工況選擇、轉(zhuǎn)換、故障判斷保護(hù)等自動(dòng)控制、手動(dòng)控制；
（3）客車(chē)應(yīng)急供電電源的監(jiān)控保護(hù)、轉(zhuǎn)換控制；
（4）客車(chē)照明系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換控制；
（5）客車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)智能監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。
根據(jù)不同鐵道客車(chē)類(lèi)型，實(shí)際的綜合控制柜控制核心硬件配置還采用過(guò)OMRON的PLC主機(jī)CPM2A-30CDR-D，模擬量擴(kuò)展模塊CPM1A-DA001等。
綜合控制柜的PLC通過(guò)微型可編程序終端NT31（以下簡(jiǎn)稱觸摸屏）接受各種指令并自動(dòng)執(zhí)行相應(yīng)的操作步驟，對(duì)電氣系統(tǒng)運(yùn)行中出現(xiàn)的各種故障及時(shí)進(jìn)行診斷、指示并保護(hù)，綜合控制柜具有檢測(cè)、控制、診斷保護(hù)、信息提示、聯(lián)網(wǎng)通訊功能，實(shí)現(xiàn)供電及控制系統(tǒng)的綜合控制，PLC通過(guò)適配器與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的串行通訊實(shí)現(xiàn)與本車(chē)裝備的智能電氣設(shè)備的通訊及實(shí)現(xiàn)客車(chē)與客車(chē)之間的相互聯(lián)網(wǎng)通訊，并為逐步實(shí)現(xiàn)車(chē)對(duì)地、地對(duì)車(chē)的計(jì)算機(jī)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(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)以O(shè)MRON的CPM2A-CPU61可編程控制器、12/8點(diǎn)的I/O擴(kuò)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(chē)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(jī)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(jī)結(jié)合而成，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如附圖所示，各個(gè)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(jī)CPM2A-CPU61CPM2A-CUP61主機(jī)對(duì)整個(gè)電氣系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)電氣系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的參數(shù)并對(duì)其進(jìn)行分析，對(duì)出現(xiàn)故障自動(dòng)處理，通過(guò)顯示觸摸屏NT31實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話，響應(yīng)顯示觸摸屏輸入的命令、參數(shù)，將故障信息、運(yùn)行記錄通過(guò)顯示觸摸屏顯示等。其硬件配置情況如下：
• 模擬量輸入點(diǎn)： 17點(diǎn)（0～10V）;
• 溫度輸入點(diǎn)： 1點(diǎn)（PT100）;
• 開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)： 12點(diǎn)（直流24V，8mA）;
• 開(kāi)關(guān)量輸出點(diǎn)： 16點(diǎn)（繼電器輸出）;
• 輸出端最大開(kāi)關(guān)能力：2A，250VAC（cosφ=1）,2A，24V;
• 輸出端最小開(kāi)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(lèi)型和圖象類(lèi)型顯示，由通訊接口和PLC的外設(shè)接口進(jìn)行通訊。主要功能是現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)設(shè)定，電源轉(zhuǎn)換、空調(diào)機(jī)組等功能單元運(yùn)行工況的人為控制，運(yùn)行工況狀態(tài)與電氣參數(shù)的顯示與記錄，實(shí)時(shí)報(bào)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(lèi)型顯示：20×15個(gè)漢字；
• 液晶顯示器規(guī)格： 320×240點(diǎn)；
• 有效顯示面積： 122×92mm2。。
（3）開(kāi)關(guān)量擴(kuò)展I/O單元CPM1A-20EDR1CPM1A-20EDR1可提供12點(diǎn)的開(kāi)關(guān)量輸入點(diǎn)、8點(diǎn)的繼電器輸出點(diǎn)，可擴(kuò)展系統(tǒng)的控制點(diǎn)數(shù)，根據(jù)不同客車(chē)類(lèi)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(shí)現(xiàn)PLC與車(chē)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(jí)的IT人機(jī)界面，具有高亮度、寬視
角；多語(yǔ)言支持（16種）、用于梯形圖監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳送、存儲(chǔ)的CF卡；豐富的宏語(yǔ)言功能；具有Ethernet和Controller Link網(wǎng)絡(luò)接口，USB打印驅(qū)動(dòng)；增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)功能等特點(diǎn)。在電氣監(jiān)控系統(tǒng)中，選用NS10作為列車(chē)網(wǎng)絡(luò)的終端實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)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(chē)的供電母線，可實(shí)現(xiàn)手動(dòng)或自動(dòng)選擇其中一路供電，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供電電源的電壓、電流、漏電電流等電氣參數(shù)。在PLC自動(dòng)控制供電的情況下，可實(shí)現(xiàn)根據(jù)車(chē)廂編號(hào)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(shí)可實(shí)現(xiàn)供電電源的輸出過(guò)壓、輸出欠壓、輸出三相電壓不平衡等故障的判斷、保護(hù)轉(zhuǎn)換、報(bào)警提示、故障數(shù)據(jù)記錄等控制功能與客車(chē)電氣系統(tǒng)的在線絕緣監(jiān)測(cè)保護(hù)控制功能。
2.3 空調(diào)機(jī)組控制部分
客車(chē)供電實(shí)現(xiàn)后，綜合控制柜可手動(dòng)或自動(dòng)控制空調(diào)機(jī)組選擇“弱風(fēng)”、“強(qiáng)風(fēng)”、“半冷”、“半暖”、“全冷”、“全暖”等工況及在各個(gè)工況之間進(jìn)行轉(zhuǎn)換，同時(shí)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)內(nèi)溫度、外界環(huán)境溫度、空調(diào)壓縮機(jī)或空氣預(yù)熱器的工作電流、機(jī)組工作時(shí)間等運(yùn)行參數(shù)并進(jìn)行記錄，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)通風(fēng)機(jī)與冷凝風(fēng)機(jī)的過(guò)載故障、壓縮機(jī)的壓力故障與過(guò)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(hù)轉(zhuǎn)換、報(bào)警提示、故障數(shù)據(jù)記錄等功能。
在PLC自動(dòng)控制空調(diào)機(jī)組的情況下，PLC根據(jù)供電狀態(tài)、車(chē)內(nèi)溫度實(shí)測(cè)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(jī)組自動(dòng)選擇各個(gè)工況，根據(jù)自動(dòng)控制溫度曲線、溫度回差等控制機(jī)組在各個(gè)工況之間轉(zhuǎn)換，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)空調(diào)壓縮機(jī)與預(yù)熱器的過(guò)流故障、過(guò)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(hù)與報(bào)警提示、轉(zhuǎn)換控制功能，還可根據(jù)壓縮機(jī)與預(yù)熱器的運(yùn)行時(shí)間自動(dòng)調(diào)節(jié)其工作時(shí)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(shí)，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(wú)主電路供電時(shí)，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(guò)放電，控制柜具有欠壓報(bào)警提示、保護(hù)控制功能。當(dāng)PLC檢測(cè)到本車(chē)蓄電池電壓低于欠壓保護(hù)設(shè)定值時(shí)，觸摸屏應(yīng)顯示相應(yīng)故障信息，提示用戶；欠壓保護(hù)控制信號(hào)由直流電源設(shè)備給出，可切斷低供電等級(jí)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(shí)現(xiàn)客車(chē)車(chē)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(gè)車(chē)載網(wǎng)絡(luò)通訊設(shè)備組成，PLC通過(guò)適配器與車(chē)載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的串行通訊實(shí)現(xiàn)與本車(chē)智能電氣設(shè)備的通訊及實(shí)現(xiàn)客車(chē)與客車(chē)之間的相互聯(lián)網(wǎng)通訊，通過(guò)控制柜NT31觸摸屏監(jiān)視車(chē)載網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)信息，向其他客車(chē)發(fā)送供
電與空調(diào)的控制命令，同時(shí)列車(chē)網(wǎng)絡(luò)集中監(jiān)控終端NS10可方便監(jiān)控全列客車(chē)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(chē)乘務(wù)人員對(duì)列車(chē)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(jì)、程序編制調(diào)試技巧總結(jié)
電氣監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)選型和成本估算時(shí)，詳細(xì)分析了應(yīng)用環(huán)境要求、工藝過(guò)程的特點(diǎn)、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(dòng)作，然后根據(jù)控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數(shù)、所需存儲(chǔ)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(jì)相應(yīng)的控制系統(tǒng)。根據(jù)鐵道客車(chē)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(qiáng)大的功能性、成熟穩(wěn)定的可靠性、出色的性價(jià)比等特點(diǎn)才從眾多同類(lèi)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(guò)程中，積累總結(jié)的心得體會(huì)介紹如下：
（1）應(yīng)先規(guī)劃各個(gè)功能單元的程序流程圖，使功能單元的程序設(shè)計(jì)思路清晰，同時(shí)根據(jù)電氣監(jiān)控系統(tǒng)的總體控制邏輯，將各個(gè)功能單元的程序流程圖有機(jī)的結(jié)合在一起，仔細(xì)處理功能單元之間的聯(lián)系點(diǎn)；
（2）編程方法上應(yīng)充分運(yùn)用子功能模塊的子程序模式化。通過(guò)調(diào)用子程序?qū)崿F(xiàn)相同或類(lèi)似子功能模塊的程序編制，增強(qiáng)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(yùn)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(jī)與空氣預(yù)熱器的運(yùn)行時(shí)間記錄子程序時(shí)，合理運(yùn)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(guò)程中對(duì)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(kù)、圖像燈、間接字符串、窗口鍵盤(pán)等對(duì)象的應(yīng)用，界面要編制的清晰簡(jiǎn)潔、邏輯合理、易于操作，對(duì)于復(fù)雜或重要操作盡量提供操作幫助說(shuō)明界面；
（6）調(diào)試過(guò)程中應(yīng)對(duì)各功能單元控制邏輯理解透徹，盡量模擬實(shí)際運(yùn)用中所有可能出現(xiàn)的工況，查找程序錯(cuò)誤時(shí)要縱觀應(yīng)用程序整體，仔細(xì)分析所有相關(guān)點(diǎn)，認(rèn)真參閱相關(guān)產(chǎn)品的操作手冊(cè)，注意相關(guān)編程操作注意事項(xiàng)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(chē)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(jī)界面觸摸屏NT31\NS10等為控制核心的自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要解決的技術(shù)難題與實(shí)現(xiàn)的技術(shù)創(chuàng)新如下：
（1）綜合控制柜實(shí)現(xiàn)了鐵道客車(chē)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，減輕了操作人員的工作強(qiáng)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(hù)；
（3）綜合控制柜對(duì)整車(chē)電氣系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行保護(hù)動(dòng)作，避免了由于保護(hù)不及時(shí)而引起的嚴(yán)重后果；
（4）綜合控制柜可對(duì)軸溫、煙火報(bào)警器、車(chē)門(mén)等智能電氣設(shè)備的狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和顯示；
（5）綜合控制柜充分考慮了整車(chē)各個(gè)電氣功能部件的協(xié)調(diào)工作，使整個(gè)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(shí)際存在的問(wèn)題，不同系統(tǒng)、不同電壓等級(jí)、不同電流類(lèi)別的導(dǎo)線盡量相互隔離，簡(jiǎn)化了配線復(fù)雜度，節(jié)約了大量導(dǎo)線，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(dòng)為主，同時(shí)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(dòng)應(yīng)急措施；
（8）控制柜減少了原有客車(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)的電器元件，簡(jiǎn)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(yùn)用
新型鐵道客車(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)從2002年投入實(shí)際運(yùn)用以來(lái)，運(yùn)行安全、穩(wěn)定、可靠，操作維護(hù)方便，功能完善強(qiáng)大，得到最終用戶的一致好評(píng)，并在鐵道客車(chē)電氣行業(yè)相關(guān)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)的組織下，被確定為我國(guó)自主研發(fā)新造客車(chē)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(chē)中成功裝車(chē)運(yùn)用4000余套，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在將來(lái)會(huì)有更廣闊的應(yīng)用空間，整體運(yùn)用情況詳見(jiàn)附表。



6.結(jié)束語(yǔ)
以O(shè)MRON自動(dòng)化產(chǎn)品為控制核心的新型鐵道客車(chē)電氣監(jiān)控系統(tǒng)是我國(guó)鐵道客車(chē)電氣技術(shù)領(lǐng)域的一次重大技術(shù)革新，是我國(guó)自主研發(fā)的鐵道客車(chē)電氣技術(shù)的先進(jìn)代表，為保證我國(guó)鐵道客車(chē)第五次大提速的順利進(jìn)行做出了卓越貢獻(xiàn)，推動(dòng)了鐵道客車(chē)電氣行業(yè)的發(fā)展進(jìn)步，具有非常廣闊的推廣運(yùn)用前景。