孫 興，包西平

（徐州工業(yè)職業(yè)技術學院，江蘇徐州 221140）

0 引言

高鐵出行中，空調(diào)系統(tǒng)作為動車的一個重要子系統(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，動車組空調(diào)是一體的，空調(diào)的溫度值是設定的固定值，并不會根據(jù)動車組所含有的人口數(shù)量而進行更改，而且也沒有更改溫度的操作面板，所以動車組空調(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，通風量也只有一兩擋的調(diào)節(jié)。因此動車的獨立空調(diào)系統(tǒng)非常重要。

本文的設計就是針對以上問題，加以修改、創(chuàng)新所完成的。具體涉及到動車組獨立空調(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 模擬動車組獨立空調(diào)運行總體方案

1.1 動車獨立空調(diào)關鍵技術

在該設計中，主要運用了PLC 技術、傳感器技術、變頻器技術、以太網(wǎng)通訊技術、MCGS觸摸屏等技術結合，實現(xiàn)動車空調(diào)的獨立性和自動化。在手動模式下，通過各個部件的獨立按鈕來手動調(diào)節(jié)各個部件的運行方式，達到適合人們需求的溫度；在自動模式下，根據(jù)溫度傳感器來感知當前溫度，并發(fā)送到上位機MCGS 觸摸屏上，通過上位機發(fā)送一系列指令，來使各個部件產(chǎn)生一系列動作來達到適宜的溫度。觸摸屏作為一種直觀方便的人機交互方式，在工業(yè)控制中得到了廣泛的應用[1]。

1.2 總體設計方案

主控為西門子PLC S7-1200，通過硬件、軟件的設計來模擬動車獨立空調(diào)運行的控制要求。PLC 主要是用能夠編寫程序的存儲器來實現(xiàn)一系列的可操作運算，包含邏輯、數(shù)字和算術運算等，輸入和輸出由數(shù)字化和模擬化2種方式實現(xiàn)，能夠控制生產(chǎn)過程中的各類機械[2]。硬件主要是驅(qū)動部分，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、MCGS觸摸屏、溫度傳感器。

使用博圖軟件書寫梯形圖進行軟件的編程來實現(xiàn)控制要求。通過模擬實物調(diào)試完成所設計的功能。

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)控制命令來實現(xiàn)空調(diào)運轉的自動模式。按鍵裝置為整個系統(tǒng)的手動控制，采用獨立式按鈕可以更便捷地控制各個模擬部件的運轉，防止由于溫度傳感器的損壞而導致機器的無法正常運行。接近開關的作用反饋給控制器限位保護信號，防止模擬動車運行的電機運轉超程。所采用的接近開關型號為OBM-D04NK，這種接近開關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 模擬動車組獨立空調(diào)硬件設計

2.1 硬件系統(tǒng)

系統(tǒng)的硬件結構框圖如圖2 所示。使用的控制器是西門子PLC S7-1200，控制的對象是模擬通風機（M4）、模擬壓縮機（M1）、模擬冷凝機（M2、M3）、模擬動車運行電機（伺服電機M5）。

控制方法是通過交換機使MCGS 上位機與每個PLC 之間通過以太網(wǎng)的方式進行通訊連接。當有2個以上通信設備時，系統(tǒng)將運行網(wǎng)絡連接，這時就要利用以太網(wǎng)加以完成[4]。本次設計中由于通訊設備較多，所以選用交換機作為通訊轉換工具。從廣義上來分析，在通信系統(tǒng)里對于信息交換功能實現(xiàn)的設備，就是交換機[5]。

在自動狀態(tài)下，MCGS上位機采集當前溫度值，并根據(jù)設定溫度范圍直接下發(fā)命令到各個控制器。然后通過控制器來控制各個機器的運行程度，在5～20 ℃范圍內(nèi)，壓縮機以15 Hz 的頻率運行。在20～30 ℃范圍內(nèi)，壓縮機以30 Hz 的頻率運行。當大于30℃時，壓縮機以50 Hz的頻率運行。冷凝機1先運行5 s，然后冷凝機1和2同時運行。

在手動模式下，通過外部按鈕，來選擇調(diào)控各個機器的運行模式。當“手動模式當前車溫”設定為小于18 ℃或者“自動模式溫度”顯示為18 ℃時，空調(diào)系統(tǒng)進入通風模式。通風機以低速的方式運行4 s，6 s 后電機切換高速的方式運行，并且此時壓縮機的指示燈常亮。壓縮機以30 Hz 的頻率運行，此時壓縮機的代表燈常亮。冷凝機1先運行5 s，然后冷凝機2運行5 s，2個冷凝機交替運行。

圖2 硬件結構

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

2.2 核心電路

根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，對PLC的I/O口進行配置[6]。

主要電路的設計：PLC1 控制模擬通風機I/O 接線圖、PLC2控制模擬壓縮機、模擬冷凝機I/O接線圖、PLC3控制伺服電機（模擬動車運行）I/O接線圖、主電路圖。

如圖3所示為PLC1控制模擬通風機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的運行。當SB1閉合后，PLC的輸入I0.0 得電，Q0.0 輸出，此時線圈KM1 得電；當線圈KM1 得電后，KM1 常閉斷開；過一段時間，斷開Q0.0 的輸出，輸出Q0.1、Q0.2，此時KM2、KM3 線圈得電，KM1 線圈失電。

圖3 PLC1控制模擬通風機I/O接線圖

圖4 所示為PLC2 控制模擬壓縮機、模擬冷凝機I/O 接線圖。PLC2控制模擬壓縮機、模擬冷凝機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 擴展模塊是一種數(shù)字輸入輸出模塊，兩者通過35 mmDIN導軌進行連接，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)字輸入開關均提供了增量編碼器脈沖信號的快速計數(shù)器的功能擴展模塊，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]來控制模擬壓縮機的運行速度。擴展模塊用來控制模擬冷凝機1和模擬冷凝機2的運行。

圖4 PLC2控制模擬壓縮機、模擬冷凝機I/O接線圖

模式1：當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（模擬動車運行）I/O接線圖

圖5所示為PLC3控制伺服電機（模擬動車運行）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 通過連接伺服電機控制器來間接控制伺服電機，用來模擬動車的運行。輸入信號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M4、M1、M2、M3 并聯(lián)使用，模擬通風機（M4）為雙速電機，模擬壓縮機（M1）、模擬冷凝機（M2、M3）為交流三相異步電動機。值，發(fā)送到MCGS 上位機上；然后根據(jù)上位機里面設定的軟件程序，實現(xiàn)自動模式。在不同的溫度條件下來控制各個部件的運行方式，以達到最佳運行效果。

圖6 主電路圖

（1）當繼電器KM1 閉合后，電機M4 低速的方式進行運行。當過一段時間KM2KM3 閉合，KM1 斷開，電機M4 以高速的方式運行。

（2）電機M1由三菱變頻器控制啟動與停止和運行頻率。

（3）當繼電器KM4、KM5 閉合后，電機M2、M3 以50Hz的頻率正常運行。

2.3 功能模塊

溫度模塊選擇溫度傳感器型號 為RS-WS-N01-1。 本 設 計中，通過上位機MCGS 觸摸屏的RS485 口，并且采用Modbus 協(xié)議與溫度傳感器進行通訊讀取測量數(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 模擬動車組獨立空調(diào)系統(tǒng)軟件設計

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，可對西門子全集成自動化中所涉及的自動化和驅(qū)動產(chǎn)品進行組態(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界面設備的畫面中。然后在人機界面內(nèi)即時分配變量，并在后臺自動建立控制器與人機界面的連接，無需手動組態(tài)。

3.2 軟件開發(fā)和程序運行流程

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

圖10 觸摸屏程序部分截圖

4 結束語

本文研究的重點是動車組空調(diào)的獨立性以及自動化。關于控制部分主要是本文中第2節(jié)的硬件設計和第3節(jié)的軟件設計，成功地完成動車組獨立空調(diào)的模擬設計，能夠?qū)崿F(xiàn)自動模式以及手動模式的運行。根據(jù)本次的研究，因為采用手、自動2種模式，且各個模式運行互不干擾，展現(xiàn)出空調(diào)的獨立性。自動模式下，通過溫度傳感器的采集、程序的運行，使獨立空調(diào)更加自動化。