基于PLC与HMI的动车调温控制系统的设计研究

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摘要：文章采用PLC与HMI设计一种动车组车厢的交互式调温控制系统，以FX3U系列PLC为控制器，利用测温传感器、变频器、HMI等技术，完成车厢内独立的人机交互调温系统的设计。研究表明，该系统运行稳定，调温方便快捷，具有良好的推广应用价值。

关键词：PLC;HMI;温度传感器;AD模块

中图分类号：U266 文献标识码：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.039

文章编号：1673-4874（2019）10-0139-04

0引言

随着我国高铁的快速发展和城市轨道交通的大规模建设，无论是高速动车还是城市轨道交通运营车辆，人们对乘坐车厢的舒适性要求越来越高，其中车厢温度则是很重要的一个影响指标。长时间坐动车的旅客总感觉夏天是越坐越冷，冬天是越坐越热，对此多有不适。由于列车车厢内温度系统为准集中式空调系统，车厢内温度基本是恒定的，不能随便调节或者乘务员能调节的范围很小。因此根据旅客需求，解决车厢温度在一定范围内实现独立调节，进行人机交互的调温控制系统设计具有重要意义。

1系统的工作原理

在CRH动车组的车厢均配置有独立的空调系统，空调装置（压缩机、冷凝机）设置在车辆地板下，空气处理单元（通风排风装置）位于车辆两端的天花板和车顶之间，随着气压、温度变化进行通风换气，空调系统的电气和控制设备安装在车辆电器柜内。人机交互界面采用昆仑通态MCGS（TPC7062K）触摸屏，实现温度控制系统的电机测试和调节控制，驱动电机状态、空调工作模式、设定温度等状态信息的实时监控、显示、实时输入、分权限登陆，操作方便，便于检查维护。

系统工作原理：运行车厢空调系统HMI设备在操作上有“正常模式”和“维护模式”两种模式可以选择。“正常模式”是乘务员操作的模式，在该模式下可进行温度设定与制冷工况、通风工况和加热工况三种送风模式的监控;“维护模式”是检修人员操作模式，在该模式下可通过人机界面显示空调系统电机的状态信息和进行单台电机测试。车厢温度设定范围为20℃-29℃，当车厢环境温度低于设定温度，空调系统运行在加热工况;若等于设定温度，空调系统按通风工况运行;若高于设定温值，空调就切换到制冷工况模式。

2 系统的硬件设计

车厢调温控制系统硬件结构如图1所示。在车厢内布置有两个温度传感器，通过它们检测的温度平均后得到车厢内温度，并通过A/D转换模块传送给PLC，PLC经过与触摸屏设定的温度进行比较，决定空调系统进入何种工况模式及控制设备的运行频率。

2.1温度传感器

本系统设计中选用Pt100三线式热电阻，是利用金属或金属氧化物的电阻值根据温度变化而发生改变的特性，通过测量电阻而实现测量温度的一种传感器。测温电阻的选型应注意其限定范围，如表1所示。

铜热电阻，温度特性偏差小，价格便宜，但电阻率较小，体积上无法实现小型化，在高温下容易氧化，它的使用上限温度为150℃。

镍热电阻，电阻值变化较大，价格低廉，但在300℃左右存在临界点，因而其使用上限温度较低。

镍钴热电阻，用来测量极低温度。

Pt100属于铂热电阻，其阻值跟温度的变化成正比。工作原理：当Pt100在0℃时，它的阻值为100Ω，它的阻值会随着温度上升而成匀速增长。由于Pt100在温度影响下的电阻值变化较大，且稳定性和精度较高，因而被广泛用于工业测量。

2.2A/D转換模块

A/D转换模块根据选取PLC的类型进行选型。本系统PLC以FX3U为控制核心，因而选择FX3U-4AD-PT-ADP（4通道铂电阻输入）模块较为理想。铂电阻（3线式）数字量输出范围为-500～+2500，使用PT-ADP获取模拟量数据的工作原理为：

（1）輸入的模拟量数据被转换成数字值，并被保存在FX3U可编程控制器的特殊软元件中。

（2）通过向特殊软元件写入数值，可以设定平均次数或者指定输入模式。

（3）依照从基本单元开始的连接顺序，分配特殊软元件，每个模块分配特殊辅助继电器、特殊数据寄存器各10个。

通过利用特殊辅助继电器M8260的状态，可以设定PT-ADP的温度单位。M8260置为ON：华氏（°F），若置为OFF：摄氏（℃）。

将PT-ADP中输入的温度数据，保存到特殊数据寄存器中。FX3U可编程控制器中特殊数据寄存器D8260存放通道1测定温度，D8261存放通道2测定温度。在测定温度中，保存即时值，或者按照平均次数中设定的次数而得到的平均值。

2.3 PLC控制单元

本系统涉及的I/O点数不多，与触摸屏通讯，仅控制4台电机。从性价比、技术性能、维护方便性等方面考虑，可采用FX3U-16MR/ES-A，内置8入/8出（继电器），AC电源供电。输入部分主要连接MCGS、FX3U-4AD-PT-ADP等单元，输出部分连接FX3U-3A-ADP控制变频器、冷凝风机，以及通风机等设备。PLC的模拟量输出模块与变频器模拟量输入端相连接，实现电机0-50Hz变频调速运行。

2.4 HMI上位机

采用北京昆仑通态MCGS触摸屏（TPC7062K），通过RS-232数据线将其与FX3U PLC控制器通信。温度控制系统的工作模式和车厢温度等信息可由触摸屏设定，触摸屏上可实时监控当前温度、驱动电机状态、空调工作模式等信息。

2.5 变频器

采用三菱E740变频器进行模拟量调速控制压缩机的运行速度。控制变频器的信号来自PLC的模拟量FX3U-3A-ADP输出模块，频率控制范围为0-50HN.

3 系统软件设计

3.1设计思路

车厢的当前温度通过温度传感器和模拟量模块的处理，利用PLC与上位机MCGS的通信，在触摸屏上实时显示出来，触摸屏针对乘务员和检修员组态有两种工作模式。针对旅客对当前车厢温度的要求，乘务员凭权限登录“正常模式”，在正常模式下可进行20℃-29℃范围内的温度设定，PLC根据HMI输入的温度值与当前值比较，决定启动相应的送风模式，并实时显示当前工况。检修员凭权限登录“维护模式”，在该模式下可通过人机界面监测空调系统电机的运行状态和进行单台电机的调试。系统的关键在于对当前温度的采集处理以及控制变频器的模拟量输出。

3.2 MCGS组态设计

首页界面设计内容（如图2所示）。选择“正常模式”按钮，自动弹出“用户登入”窗口，用户名下拉选“乘务员”，输入预设密码“123"方可进入“正常模式”界面，密码错误则不能进入相应界面，设置完成后可返回首页界面。选择“维护模式”按钮，自动弹出“用户登入”窗口，用户名下拉选“检修员”，输入预设密码“456”方可进入“维护模式”界面，密码错误不能进入相应界面，可在调试过程点苗按钮返回。

“正常模式”界面组态包含设定温度输入框、车内温度显示框及制冷工况、通风工况和加热工况运行状态指示灯、返回按钮等构件。“维护模式”界面组态包含选择电机调试的列表对话框、冷凝风机1、冷凝风机2、压缩机、通風机等运行状态指示灯，以及压缩机当前运行频率显示、返回按钮等构件。

其中图2中的构件“正常模式”按钮用到的脚本程序如下：

IF！Logon（）=0AND ！strComp（！Get-CurrentUser（），”乘务员”）=0THEN

用户窗口.正常模式.Open（）

ENDIF

“维护模式”按钮构件用到的脚本程序如下：

IF！LogOn（）=0AND ！strComp（！Get-CurrentUser（），”检修员”）=0THEN

用户窗口.维护模式.Open（）

ENDIF

3.3PLC程序设计

系统程序可采用三菱Gxdeveloper编程软件的梯形图以及SFC来实现，主程序工作流程如图3所示。在主程序中，系统通电后，首先初始化复位状态步、辅助继电器和寄存器，执行AD模块以及DA模块处理程序，同时进入工作模式选择等待状态。

3.3.1“正常模式”控制程序设计要点

（1）程序初始化。

（2）MCGS设定温度。

（3）车厢温度当前值的采集。

（4）温度当前值与设定值的比较：

①若当前值>设定值，启动制冷工况模式，通风机低速运行，3S后切换到高速运行并保持;制冷系统压缩机以10HZ启动运行，每隔3S频率增加5HZ，直到压缩机50HZ运行并保持;3S后冷凝风机1运行并保持，3S后冷凝风机2运行并保持，全冷工况启动完毕进入运行状况，MCGS制冷模式指示灯亮，并实时显示车厢当前温度。

②若当前值<设定值，启动加热工况模式，开启电辅热，通风机低速运行，3S后切换到高速运行并保持;制热系统压缩机以10HZ启动运行，每隔3S频率增加5HZ，直到压缩机30HZ运行并保持，MCGS加热工况模式指示灯亮，并实时显示车厢当前温度。

③若当前值：设定值，空调系统按通风工况运行，通风机低速运行后切换到高速运行，冷凝风机1和冷凝风机2间隔5S交替运行，MCGS通风工况模式指示灯亮，并实时显示车厢当前温度。

（5）执行D/A转换，模拟量输出控制变频器进行压缩机调速。

3.3.2 “维护模式”控制程序设计要点

（1）程序初始化。

（2）判断选择的调试电机。

（3）根据性能测试要求调试各电机。

4 试验结果

为验证本设计的控制效果，采用摩擦Pt100感应头改变测量温度来测试控制系统的可行性。系统启动后，在MCGS触摸屏上采用不同的温度值设定，均能使系统在不同工况的运行要求下启动相应电机，较好地实现了人机交互情况下空调控制系统的电机运行控制。

5 结语

采用PLC和HMI设计的动车空调调温控制系统，完全符合空调系统进入不同工况模式下各种电机运行控制需求，可实现车厢内独立的人机交互温控要求，该系统运行稳定，控制方便快捷，可以在实际环境中完善推广应用。