可编程控制器在地铁客室温度控制中的应用研究

2015-02-10李雪亚

中小企业管理与科技·中旬刊 2015年2期

关键词：客室接触器冷凝

李雪亚

摘要：本文模拟地铁运行环境，采用可编程控制器控制地铁客室中的2台空调，实现客室空调系统的启、停、通风、自动或指定温度控制及半冷、全冷、紧急通风诸工况的自动化控制，并详述其实现的方法，对解决当前地铁客室自动化温度控制具有一定的借鉴意义。

关键词：PLC 地铁空调客室温度控制

1 概述

近年来，随着我国城市化的发展，城市人口尤其是大型城市人口迅速增长，城市规模越来越大，人们越住越远，交通瓶颈问题日益突出，很多城市都成为“堵城”，给人们的工作生活带来诸多不便。

地铁作为公共交通工具有着安全、准时、舒适、快速等特点，受到普遍欢迎。根據国家发改委的统计，2014年，我国地铁投资达到2200亿元，比2013年增长400亿元。地铁将成为大型城市居民日后出行的主要公共交通工具。地铁由于载客量大，人多拥挤，其客室温度控制对乘客乘坐体验至关重要，根据北京、上海等城市地铁运行研究表明，一旦发生空调故障或空调温度调整不及时，往往受到巨量的旅客投诉。采用PLC技术对地铁车辆客室进行温度控制是目前常用的好方法。

2 可编程控制器的工作原理[1]

当PLC投入运行后，其工作过程一般分为三个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新三个阶段。完成上述三个阶段称作一个扫描周期。在整个运行期间，PLC的CPU以一定的扫描速度重复执行上述三个阶段。

PLC的扫描工作过程如图1所示。

一般来说，PLC的扫描周期包括自诊断、通讯等，一个扫描周期等于自诊断、通讯、输入采样、用户程序执行、输出刷新等所有时间的总和。

3 系统控制要求

采用PLC对地铁客室温度进行控制，从而保障在地铁运行中，客室温度处于一个舒适的范围内。

本控制系统是客室空调系统的控制中心，2台空调分别位于客室的前端及末端，根据设定的规则，使空调按设定的程序进行工作，完成通风及制冷的手动或自动运行。

4 可编程控制器的选型

本系统采用西门子S7-200PLC控制，中央处理单元为CPU224，带有两个扩展模块：数字量扩展模块EM223和模拟量扩展模块EM231。利用EM231热电阻模块采集车内温度信号，通过与PLC内部设定温度比较后，实现通风、制冷各工况。

本系统使用CPU224及其扩展模块面板上自带的小灯来提示运行和故障情况。执行元件采用施耐德接触器，保护元件采用施耐德空气断路器及热继电器。

5 系统控制流程（如图2）

根据控制要求，给出系统控制流程图。

6 控制程序的设计

根据系统控制流程图，给出各模块的程序设计。

先闭合主回路开关，然后闭合控制回路DC110V开关7Q，空调系统即自动进入工作状态。由传感器检测到车内温度，与PLC内部设定的温度比较后，自动进行通风、半冷、全冷、预冷的工作状态。

温度设定通过温度选择开关SA2实现。

SA2共分六档：分别为自动，19℃，21℃，23℃，25℃，27℃。

自动档时PLC内部设定温度为24℃。各档回差值均为1.5℃。

以设定制冷温度为24℃为例说明控制过程。

将SA2打到“自动”档，即24℃，空调操作流程如下：

①系统自检。闭合DC110V电源开关7Q，PLC自检成功后，Q0.1点动作，向RIOM送出“自检成功”信号。当“ON/OFF”指令为高电平，EM223的I2.2点有输入，系统允许启动。当“ON/OFF”指令为低电平，EM223的I2.2点无输入，系统不允许启动，即系统停机。

②温度控制。可选择控制温度，自动模式为24℃，其他还可选择19℃、21℃、23℃、25℃、27℃。按照设定温度与采集温度对比后，执行相应控制。

③通风。执行通风操作。此时，EM223的Q2.0，Q2.1，Q3.0，Q3.1动作，接触器EFK11，EFK12，EFK21，EFK22吸合，两机组的通风机运转。EM223上四点的指示灯亮。

④半冷。由EM231检测两个温度传感器PT100的温度值，取其平均值作为室温。当温度升高，≥25.5℃时，发出“需要启动”信号。当接收到“机组1允许启动信号”（I2.3）后，EM223的Q2.2（Q2.3）输出点动作，接触器CFK11（CFK12）吸合，机组1的一台冷凝风机CF11（CF12）运转。延时45S后，EM223的Q2.4输出点动作，接触器CPK11吸合，第一台机组的压缩机CP1的线圈1投入运行。延时0.5S后，EM223的Q2.5输出点动作，接触器CPK12吸合，线圈2投入。当接收到“机组2允许启动信号”（I2.4）后，EM223的Q3.2（Q3.3）输出点动作，接触器CFK21（CFK22）吸合，机组2的一台冷凝风机CF21 （CF22）运转。延时45S后，EM223的Q3.4输出点动作，接触器CPK21吸合，第二台机组的压缩机CP2的线圈1投入运行。延时0.5S后，EM223的Q3.5输出点动作，接触器CPK22吸合，线圈2投入。半冷时压缩机电磁阀不动作，系统保持半载状态。

当温度下降到24℃以下时，冷凝风机及压缩机均停止运行，仅通风机保持运转。

⑤全冷。在半冷状态下，当温度继续升高，≥27.5℃时，EM223的Q2.3（Q2.2）和Q3.3（Q3.2）输出点动作，两机组的另一台冷凝风机CF12（CF11）和CF22（CF21）投入运行，即此时四台冷凝风机均工作，同时EM223的Q2.6和Q3.6输出点动作，此时两机组的压缩机电磁阀动作，系统全载运行，机组处于全冷状态。

当温度降到26℃以下时，压缩机电磁阀断开，且两机组各停一台冷凝风机CF11（CF12）和CF21（CF22），系统重又进入半载状态，此时机组又执行半冷操作。当温度重新回升到≥27.5℃时，四台冷凝风机及电磁阀重又运行，系统又处于全冷状态。如此反复。

如系统一起机室温即≥27.5℃，则发出“需要启动”信号，机组1的两台冷凝风机CF11，CF12运转。延时45S后，第一台机组的压缩机电磁阀动作。此时机组1进入全冷状态。当接收到“机组2允许启动信号”（I2.4）后，第二台机组的压缩机电磁阀动作。此时机组2进入全冷状态。

接收到允许启动信号后，PLC将“需要启动”信号复位。如果接收到允许启动信号并且在冷凝风机运行后的1.6S内，机组1或机组2的允许启动信号消失，则“需要启动”信号保持高电平，等待再一次接收允许启动信号。

当温度降到26℃以下时，电磁阀均断开，且两机组各停一台冷凝风机CF11（CF12）和CF21（CF22），系统重又进入半载状态，此时机组又执行半冷操作。当温度重新回升到≥27.5℃时，四台冷凝风机及电磁阀重又运行，系统又处于全冷状态。如此反复。

⑥紧急通风。如PLC控制器发生故障，则无论两个辅助逆变器正常与否，紧急逆变器均会启动，执行紧急通风。

7 结论

通过本系统的设计和测试，我们认识到，对于复杂系统的控制，如果采用继电控制，不仅系统繁琐、调试困难，故障概率大，而且对以后的维护也带来困难。采用PLC进行控制，除解决以上问题外，还有以下特点。

①控制条理清楚，接线简单明了。

②用软件代替传统的继电控制，减少了设计上的困难，减少了系统故障。

③模块化设计，便于调试。

④编程图形化，使之一目了然。

日后，随着对PLC硬件系统和通讯方式的深入了解，还可以丰富远程控制指令，以应对运行过程中的突发状况，使系统更加稳定可靠，性能更加完善。