1.引言

    隨著(zhù)我國鐵道行業(yè)跨越式發(fā)展進(jìn)程的不斷推進(jìn)，鐵道客車(chē)電氣監控系統增加了許多新設備、采用了許多新工藝，系統的復雜性不斷增大，原有的電氣監控系統僅是普通的繼電接觸控制系統，各個(gè)電氣監控部分分散獨立，如供電電源選擇控制部分、空調機組控制部分、客車(chē)照明轉換控制部分、應急電源控制部分等都是獨立的低壓電氣屏柜，布線(xiàn)量大，走線(xiàn)復雜，電磁兼容性差，自動(dòng)化程度低，空調控制精度不高，系統集成度差、生產(chǎn)成本高、操作不便、維護困難等，已無(wú)法滿(mǎn)足鐵道客車(chē)電氣監控系統快速發(fā)展的需要，鐵道客車(chē)電氣監控系統的設計改進(jìn)勢在必行。

    在鐵道客車(chē)電氣行業(yè)領(lǐng)導機構的大力組織協(xié)調下，相關(guān)行業(yè)設計工廠(chǎng)與科研院所共同研發(fā)設計了新型的鐵道客車(chē)電氣監控系統，即鐵道客車(chē)低壓電氣綜合控制屏柜（以下簡(jiǎn)稱(chēng)綜合控制柜）?？刂乒裼糜贏(yíng)C380V或DC600V供電的空調旅客列車(chē)，將客車(chē)老式電氣監控系統的各個(gè)電氣監控部分進(jìn)行了優(yōu)化整合，集成到統一的低壓電氣屏柜內。典型的綜合控制柜采用OMRON的PLC（CPM2A-CPU61）、PLC的I/O擴展模塊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 )的集中監控終端，實(shí)現了以下以幾點(diǎn)主要設計工藝：

    （1）客車(chē)供電電源的選擇、轉換、故障判斷保護等自動(dòng)控制、手動(dòng)控制；

    （2）客車(chē)空調機組的工況選擇、轉換、故障判斷保護等自動(dòng)控制、手動(dòng)控制；

    （3）客車(chē)應急供電電源的監控保護、轉換控制；

    （4）客車(chē)照明系統的轉換控制；

    （5）客車(chē)車(chē)載網(wǎng)絡(luò )智能監控系統的實(shí)現。

    根據不同鐵道客車(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CPM2A-30CDR-D，模擬量擴展模塊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(chēng)觸摸屏）接受各種指令并自動(dòng)執行相應的操作步驟，對電氣系統運行中出現的各種故障及時(shí)進(jìn)行診斷、指示并保護，綜合控制柜具有檢測、控制、診斷保護、信息提示、聯(lián)網(wǎng)通訊功能，實(shí)現供電及控制系統的綜合控制，PLC通過(guò)適配器與車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設備的串行通訊實(shí)現與本車(chē)裝備的智能電氣設備的通訊及實(shí)現客車(chē)與客車(chē)之間的相互聯(lián)網(wǎng)通訊，并為逐步實(shí)現車(chē)對地、地對車(chē)的計算機聯(lián)網(wǎng)通訊打下了技術(shù)基礎。

    2.新型電氣監控系統的系統構成

    新型鐵道客車(chē)電氣監控系統以OMRON的CPM2A-CPU61可編程控制器、12/8點(diǎn)的I/O擴展模塊（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 )的集中監控終端，由供電電源控制部分、空調機組控制部分、應急電源控制部分、照明控制部分、聯(lián)網(wǎng)通訊部分等幾大功能單元有機結合而成，其系統結構框圖如附圖所示，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CPM2A-CPU61CPM2A-CUP61主機對整個(gè)電氣系統進(jìn)行自動(dòng)控制，實(shí)時(shí)監測電氣系統運行過(guò)程中的參數并對其進(jìn)行分析，對出現故障自動(dòng)處理，通過(guò)顯示觸摸屏NT31實(shí)現人機對話(huà)，響應顯示觸摸屏輸入的命令、參數，將故障信息、運行記錄通過(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的外設接口進(jìn)行通訊。主要功能是現場(chǎng)參數設定，電源轉換、空調機組等功能單元運行工況的人為控制，運行工況狀態(tài)與電氣參數的顯示與記錄，實(shí)時(shí)報告各功能單元的故障現象、記錄故障參數等。其技術(shù)規格如下:

    ? 字符、圖象類(lèi)型顯示：20×15個(gè)漢字；

    ? 液晶顯示器規格： 320×240點(diǎn)；

    ? 有效顯示面積： 122×92mm2。。

    （3）開(kāi)關(guān)量擴展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)，可擴展系統的控制點(diǎn)數，根據不同客車(chē)類(lèi)型可選擇一塊或兩塊。

    （4）適配器CPM1-CIF01CPM1-CIF01是通訊轉換模塊，實(shí)現PLC與車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設備的串行通訊。

    （5）可編程終端NS10NS系列觸摸屏是工業(yè)級的IT人機界面，具有高亮度、寬視角；多語(yǔ)言支持（16種）、用于梯形圖監控和數據傳送、存儲的CF卡；豐富的宏語(yǔ)言功能；具有Ethernet和Controller Link網(wǎng)絡(luò )接口，USB打印驅動(dòng)；增強網(wǎng)絡(luò )功能等特點(diǎn)。在電氣監控系統中，選用NS10作為列車(chē)網(wǎng)絡(luò )的終端實(shí)現對車(chē)載網(wǎng)絡(luò )的集中監控。

    2.2 供電電源控制部分

    綜合控制柜的供電電源取自?xún)陕坟炌ㄈ锌蛙?chē)的供電母線(xiàn)，可實(shí)現手動(dòng)或自動(dòng)選擇其中一路供電，實(shí)時(shí)監測供電電源的電壓、電流、漏電電流等電氣參數。在PLC自動(dòng)控制供電的情況下，可實(shí)現根據車(chē)廂編號的均衡供電，保證電氣負載基本均衡分配到兩路供電母線(xiàn)上，同時(shí)可實(shí)現供電電源的輸出過(guò)壓、輸出欠壓、輸出三相電壓不平衡等故障的判斷、保護轉換、報警提示、故障數據記錄等控制功能與客車(chē)電氣系統的在線(xiàn)絕緣監測保護控制功能。

    2.3 空調機組控制部分

    客車(chē)供電實(shí)現后，綜合控制柜可手動(dòng)或自動(dòng)控制空調機組選擇“弱風(fēng)”、“強風(fēng)”、“半冷”、“半暖”、“全冷”、“全暖”等工況及在各個(gè)工況之間進(jìn)行轉換，同時(shí)可實(shí)時(shí)監測車(chē)內溫度、外界環(huán)境溫度、空調壓縮機或空氣預熱器的工作電流、機組工作時(shí)間等運行參數并進(jìn)行記錄，同時(shí)可實(shí)現通風(fēng)機與冷凝風(fēng)機的過(guò)載故障、壓縮機的壓力故障與過(guò)流故障、空氣預熱器的內部超溫故障等故障的判斷、保護轉換、報警提示、故障數據記錄等功能。

    在PLC自動(dòng)控制空調機組的情況下，PLC根據供電狀態(tài)、車(chē)內溫度實(shí)測值與在NT31觸摸屏參數設定界面預先設定的“制冷”、“制暖”溫度設定值的比較結果，控制空調機組自動(dòng)選擇各個(gè)工況，根據自動(dòng)控制溫度曲線(xiàn)、溫度回差等控制機組在各個(gè)工況之間轉換，同時(shí)可實(shí)現空調壓縮機與預熱器的過(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與報警提示、轉換控制功能，還可根據壓縮機與預熱器的運行時(shí)間自動(dòng)調節其工作時(shí)間的均衡性。

    2.4 應急電源控制部分

    綜合控制柜的應急電源由直流電源設備與蓄電池組成?？刂乒裾９ぷ鲿r(shí)，由直流電源設備提供直流控制電源，當電源設備故障或無(wú)主電路供電時(shí)，由蓄電池組提供直流電源。為保證重要直流負載的供電，防止蓄電池的過(guò)放電，控制柜具有欠壓報警提示、保護控制功能。當PLC檢測到本車(chē)蓄電池電壓低于欠壓保護設定值時(shí)，觸摸屏應顯示相應故障信息，提示用戶(hù)；欠壓保護控制信號由直流電源設備給出，可切斷低供電等級的負載。

    2.5 照明控制部分

    綜合控制柜的照明控制部分可實(shí)現客車(chē)車(chē)廂內的終夜照明燈、半夜照明燈、應急照明燈的控制與轉換。

    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 )通訊設備組成，PLC通過(guò)適配器與車(chē)載網(wǎng)絡(luò )設備的串行通訊實(shí)現與本車(chē)智能電氣設備的通訊及實(shí)現客車(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
電與空調的控制命令，同時(shí)列車(chē)網(wǎng)絡(luò )集中監控終端NS10可方便監控全列客車(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)人員對列車(chē)電氣系統的監控與管理。

    3.控制核心PLC、NT31等的應用設計、程序編制調試技巧總結

    電氣監控系統設計選型和成本估算時(shí)，詳細分析了應用環(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，然后根據控制要求，估算輸入輸出點(diǎn)數、所需存儲器容量、確定PLC、可編程終端的功能、外部
設備特性等，最后選擇設計相應的控制系統。根據鐵道客車(chē)電氣系統的特殊應用環(huán)境要求，OMRON的CPM2A-CPU61及NT31等控制產(chǎn)品正是以其強大的功能性、成熟穩定的可靠性、出色的性?xún)r(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等在程序編制調試過(guò)程中，積累總結的心得體會(huì )介紹如下：

    （1）應先規劃各個(gè)功能單元的程序流程圖，使功能單元的程序設計思路清晰，同時(shí)根據電氣監控系統的總體控制邏輯，將各個(gè)功能單元的程序流程圖有機的結合在一起，仔細處理功能單元之間的聯(lián)系點(diǎn)；

    （2）編程方法上應充分運用子功能模塊的子程序模式化。通過(guò)調用子程序實(shí)現相同或類(lèi)似子功能模塊的程序編制，增強了程序的可讀性與可移植性，減小了程序大小，提高了程序的運行效率；

    （3）編程方法上還應充分考慮尋址方式的選用，例如在編制空調控制程序的壓縮機與空氣預熱器的運行時(shí)間記錄子程序時(shí)，合理運用了間接尋址方式操作數據區，節約了大量的程序步數；

    （4）編程過(guò)程中對模擬量的處理應多考慮應用一些軟件濾波方法，尤其在電磁干擾嚴重的環(huán)境中應用更應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注意庫、圖像燈、間接字符串、窗口鍵盤(pán)等對象的應用，界面要編制的清晰簡(jiǎn)潔、邏輯合理、易于操作，對于復雜或重要操作盡量提供操作幫助說(shuō)明界面；

    （6）調試過(guò)程中應對各功能單元控制邏輯理解透徹，盡量模擬實(shí)際運用中所有可能出現的工況，查找程序錯誤時(shí)要縱觀(guān)應用程序整體，仔細分析所有相關(guān)點(diǎn)，認真參閱相關(guān)產(chǎn)品的操作手冊，注意相關(guān)編程操作注意事項等。

    4.新型電氣監控系統的技術(shù)創(chuàng )新

    新型鐵道客車(chē)電氣監控系統與老型的相比，從單純的繼電接觸控制系統轉變?yōu)橐設MRON高功能性、高可靠性的PLC、人機界面觸摸屏NT31\NS10等為控制核心的自動(dòng)控制系統，主要解決的技術(shù)難題與實(shí)現的技術(shù)創(chuàng )新如下：

    （1）綜合控制柜實(shí)現了鐵道客車(chē)電氣監控系統的小型化、智能化、集成化和系統化；

     （2）綜合控制柜根據預設參數實(shí)現自動(dòng)控制，減輕了操作人員的工作強度，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；

    （3）綜合控制柜對整車(chē)電氣系統參數進(jìn)行實(shí)時(shí)監測，出現故障時(shí)及時(shí)進(jìn)行保護動(dòng)作，避免了由于保護不及時(shí)而引起的嚴重后果；

    （4）綜合控制柜可對軸溫、煙火報警器、車(chē)門(mén)等智能電氣設備的狀態(tài)進(jìn)行監視和顯示；

    （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)調工作，使整個(gè)電氣系統工作更加安全可靠；

    （6）綜合控制柜根據電氣系統布線(xiàn)的有關(guān)規范和實(shí)際存在的問(wèn)題，不同系統、不同電壓等級、不同電流類(lèi)別的導線(xiàn)盡量相互隔離，簡(jiǎn)化了配線(xiàn)復雜度，節約了大量導線(xiàn)，結構設計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)考慮控制系統故障的應急措施，包括極端情況下的手動(dòng)應急措施；

    （8）控制柜減少了原有客車(chē)電氣監控系統的電器元件，簡(jiǎn)化了調試流程，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.新型電氣監控系統的推廣運用

    新型鐵道客車(chē)電氣監控系統從2002年投入實(shí)際運用以來(lái)，運行安全、穩定、可靠，操作維護方便，功能完善強大，得到最終用戶(hù)的一致好評，并在鐵道客車(chē)電氣行業(yè)相關(guān)領(lǐng)導機構的組織下，被確定為我國自主研發(fā)新造客車(chē)的綜合控制柜的統型產(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)運用4000余套，取得了良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，在將來(lái)會(huì )有更廣闊的應用空間，整體運用情況詳見(jiàn)附表。

    6.結束語(yǔ)

    以OMRON自動(dòng)化產(chǎn)品為控制核心的新型鐵道客車(chē)電氣監控系統是我國鐵道客車(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，為保證我國鐵道客車(chē)第五次大提速的順利進(jìn)行做出了卓越貢獻，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用前景。