基于PLC的车厢环境模拟控制系统设计

李晓艳

(陕西铁路工程职业技术学院 电气与信息工程系， 陕西 渭南 714000)

0 引言

列车车厢的控制系统主要是研究其温度、湿度和光照强度，此外设计了安全装置如烟雾报警系统，车门状态显示操作系统。目前列车车厢的温湿度调节都是通过空调设施进行恒定值调节，但是若车厢载客过大时车厢温湿度可能升高，引起旅客身体不适，若列车某节车厢载客量不大或无人时，温湿度仍持续保持不变，这就在某种程度上耗费了机车的能源。同时车厢载客量过大时，会造成车厢空气浑浊，难以满足旅客的要求。当列车行驶通过隧道或者昼夜交替时段，车厢的照明系统不能及时地发生变化。而目前列车车厢都是趋于整节列车调节，还不能满足对某一节车厢进行单独控制。本文介绍的因此按照实际情况对相应的车厢进行温度以及空气质量和光照强度进行调节控制，使旅客所处的环境为最佳状态。除以上的功能外若发生火灾或其他紧急事件时可以通过控制系统通知随车乘务员进行及时处理；并通过呼叫功能使旅客与乘务员之间进行良好的沟通，极大程度地改善了旅客在旅途中的便利性。

1 控制系统的结构与原理

为了使本系统能够随意安装在车厢乘务室内而不占据空间，以及考虑到成本与抗干扰性和运行可靠，因此本系统采用S7-200PLC主控制器[1]，上位机采用体积较小、易操作、可视化程度高的触摸屏[2-3]，以及其他附属器件，该系统的功能结构由三部分组成：车厢环境舒适度、车厢环境安全度和乘客的便利度，如图1所示。

图1 车厢系统的功能结构

以每一节车厢为一个基础单元，那么该基础单元的逻辑控制，如图2所示。

图2 基础单元逻辑控制

该系统的器件主要有：可编程控制器S7-200PLC[4]，CPU选择为226，具有两个RS-485接口，供电电压为DC24 V，24路DC24 V输入，16路晶体管输出；西门子模拟量输入模块，具有4路模拟量输入，其功耗2 W，输入电压DC5 V，注意输入电流不大于20 mA，输入电压为DC24 V，输入电流不大于60 mA，威纶系列触摸屏TK6071ip，具有4线模拟电阻式[5]，内存为128 MB，COM连接口COM1(RS232，2 W)，COM2(RS485，4 W)，输入电压为24 V；以及空气温湿度传感器，光照传感器，烟雾传感器，报警灯，照明等，风扇，轻触式开关，空气开关。

2 控制系统硬件设计

为了满足本系统所提出的三大功能，主要从以下几个控制系统进行研究：温度控制系统、照明系统、烟雾报警系统[6]，由于列车长途运行，车厢环境对旅客的安全与舒适极为重要，那么对系统的安全性和可靠性以及可操作性性要求极高，因此对于系统的器件选择和之间的连接尤为重要。

2.1 温度控制系统

通过数据采集器件(温湿度传感器、光照传感器)，将所采集的物理量转换为电信号传递到控制器中[7-8]，通过预先的设定值进行比较，根据差值进行相应地控制，始终使车厢环境符合人体的需要。温湿度传感器采用电容式聚合体测湿元件和一个能隙式测温元件，并与一个 14 位的A/D 转换器构成串行接口电路，温度测量精度为0.5℃，将其采集的物理量转换成模拟量输入到PLC模拟量输入模块。

2.2 照明控制系统

光照传感器根据车厢的实际情况选用亮电阻(@101ux)，18-50 kΩ, 暗电阻(Min)2 MΩ，尤其适用说明可以根据电阻值来换算出光照值，并将其采集的物理量转换成模拟量输入到PLC模拟量输入模块[9-11]。

2.3 烟雾报警系统

烟雾传感器采用工业级传感器，工作电压：12 V，排烟热损失：0～99.9%，检测面积：20 平方米，报警输出：继电器常闭/常开[12]。

根据对以上系统器件的选择，依据PLC与外围负载进行输入/输出点的配置[13]，并设计出系统电路，如图3所示。

图3 系统硬件电路接线图

根据各个器件的性能，需要引入DC24 V正负极电源接线端子排，以及24 V的稳压电源。

3 控制系统软件设计

3.1 温度控制系统

根据硬件的结构与功能，通过PLC中PID控制环节与设定值进行比较，当温度超出设定值范围时，其空调系统开启对车厢进行升温或者制冷，若温度超过一定限定值时，报警系统将发生报警并由乘务员开启附加风机进行降温[14]，其系统功能，如图4所示。

图4 温度控制系统功能图

3.2 照明控制系统

当光照值低于正常范围时启动或关闭照明灯，并相应地闭合或打开车窗窗帘，由于列车在夜间运行时，可以根据旅客休息时间，通过设定时间继电器对照明灯进行关闭控制，并同时关闭车窗窗帘，其系统功能，如图5所示。

图5 照明控制系统功能图

3.3 烟雾报警系统

当车厢出现火灾时险情或者探测到车厢内有可燃、有害气体时，通过烟雾传感器将其采集的物理量转换成模拟量输入到PLC模拟量输入模块，并启动报警装置，乘务员通过广播疏散旅客，并通过判断如果是有害气体或者可燃气体，则启动空调装置和附加风机对车厢内的气体迅速排出，其系统功能，如图6所示。

图6 烟雾报警系统功能图

4 控制系统功能实现

根据系统的功能及其软硬软件设计思想，与硬件接线图，通过可编程控制器S7-200PLC与威纶系列触摸屏TK6071ip的通信连接，利用PLC梯形图和触摸屏的宏指令得出系统的操作程序。

4.1 温度控制系统

对当前环境的温度值通过温度传感器采集，并由PLC处理，编写PLC200温度采集处理程序如图所示，根据温度控制系统的介绍[15]，与温度换算公式：温度=读取值/260.0-40.0(单位：℃)，编写转换程序。

使当前温度值与用户设定值进行比较，当前温度值大于用户设定值时，启动空调装置制冷(本文通过报警灯开启模拟空调的制冷)；当前温度值小于用户设定值时，启动空调装置升温(本文通过报警灯闪烁模拟空调的升温)。温度超过警戒值时，即温度过高报警显示界面，如图7所示。

图7 温度过高报警界面

通过触摸屏设计[3]模拟温度过高报警系统界面，实现开关控制温度变化的曲线图以及温度过高报警的效果。初始化界面为加热状态，温度从0度开始升高，频率为每秒变化0.5度，当温度大于30度时，触发报警信息显示；启动空调制冷，当前状态变为制冷，温度开始下降，频率为每秒变化0.5度，如图7所示，温度小于30时，报警信息不显示。

4.2 照明控制系统

对当前车厢的光照通过光照传感器进行采集，光照强度换算公式：光照强度=读取值(单位：Lux)。输入设定光照值(这里以500为例)，当环境光照值(PLC采集)大于输入的设定值时，照明灯不亮；当环境光照值(PLC采集)小于输入的设定值时(这里以1000为例)，此时照明灯点亮。

5 总结

本文利用S7-200PLC与触摸屏TK6071ip的相互通信连接，针对对列车车厢环境，如温度、光照、烟雾报警系统进行准确地I/O地址分配与触摸屏的连接通信，设计出软件与硬件系统，模拟系统的演示结果表明该系统的设计方案具有一定的可行性。同时，该系统还可以通过良好的人机交互功能，对系统参数进行相关设定，从而实现对整个控制系统的精确控制与监视，使列车车厢环境达到安全、舒适的效果，该设计方案对相关工程技术人员具有一定的参考作用。