OMRON自动化产品在铁道客车电气行业的应用

摘要：本文阐述了OMRON的CPM2A系列PLC及其扩展模块、NT系列与NS系列可编程终端在我国铁道客车电气监控系统中的应用案例，详细分析了上述OMRON自动化产品在铁道客车低压电气屏柜及车载网络终端中的设计工艺原理、编程与调试技巧、故障处理方法等典型应用解决方案。关键词：铁道客车； 电气控制； 监控系统； 低压电气屏柜； PLC； 触摸屏1.引言 随着我国铁道行业跨越式发展进程的不断推进，铁道客车电气监控系统增加了许多新设备、采用了许多新工艺，系统的复杂性不断增大，原有的电气监控系统仅是普通的继电接触控制系统，各个电气监控部分分散独立，如供电电源选择控制部分、空调机组控制部分、客车照明转换控制部分、应急电源控制部分等都是独立的低压电气屏柜，布线量大，走线复杂，电磁兼容性差，自动化程度低，空调控制精度不高，系统集成度差、生产成本高、操作不便、维护困难等，已无法满足铁道客车电气监控系统快速发展的需要，铁道客车电气监控系统的设计改进势在必行。 在铁道客车电气行业领导机构的大力组织协调下，相关行业设计工厂与科研院所共同研发设计了新型的铁道客车电气监控系统，即铁道客车低压电气综合控制屏柜（以下简称综合控制柜）。控制柜用于AC380V或DC600V供电的空调旅客列车，将客车老式电气监控系统的各个电气监控部分进行了优化整合，集成到统一的低压电气屏柜内。典型的综合控制柜采用OMRON的PLC（CPM2A-CPU61）、PLC的I/O扩展模块CPM1A-20EDR1、通讯适配器CPM1-CIF01、NT系列可编程终端NT31或NT631等构成控制核心，采用NS系列可编程终端NS10作为列车网络的集中监控终端，实现了以下以几点主要设计工艺： （1）客车供电电源的选择、转换、故障判断保护等自动控制、手动控制； （2）客车空调机组的工况选择、转换、故障判断保护等自动控制、手动控制； （3）客车应急供电电源的监控保护、转换控制； （4）客车照明系统的转换控制； （5）客车车载网络智能监控系统的实现。 根据不同铁道客车类型，实际的综合控制柜控制核心硬件配置还采用过OMRON的PLC主机CPM2A-30CDR-D，模拟量扩展模块CPM1A-DA001等。 综合控制柜的PLC通过微型可编程序终端NT31（以下简称触摸屏）接受各种指令并自动执行相应的操作步骤，对电气系统运行中出现的各种故障及时进行诊断、指示并保护，综合控制柜具有检测、控制、诊断保护、信息提示、联网通讯功能，实现供电及控制系统的综合控制，PLC通过适配器与车载网络设备的串行通讯实现与本车装备的智能电气设备的通讯及实现客车与客车之间的相互联网通讯，并为逐步实现车对地、地对车的计算机联网通讯打下了技术基础。2.新型电气监控系统的系统构成 新型铁道客车电气监控系统以OMRON的CPM2A-CPU61可编程控制器、12/8点的I/O扩展模块（CPM1A-20EDR1）、触摸屏（NT31-ST122-EV2或NT31-ST123-EV3）、通讯适配器CPM1-CIF01等为控制核心，采用NS系列可编程终端NS10作为列车网络的集中监控终端，由供电电源控制部分、空调机组控制部分、应急电源控制部分、照明控制部分、联网通讯部分等几大功能单元有机结合而成，其系统结构框图如附图所示，各个功能单元的控制方案分析如下：2.1 控制核心部分 （1）PLC主机CPM2A-CPU61CPM2A-CUP61主机对整个电气系统进行自动控制，实时监测电气系统运行过程中的参数并对其进行分析，对出现故障自动处理，通过显示触摸屏NT31实现人机对话，响应显示触摸屏输入的命令、参数，将故障信息、运行记录通过显示触摸屏显示等。其硬件配置情况如下： • 模拟量输入点： 17点（0～10V）; • 温度输入点： 1点（PT100）; • 开关量输入点： 12点（直流24V，8mA）; • 开关量输出点： 16点（继电器输出）; • 输出端最大开关能力：2A，250VAC（cosφ=1）,2A，24V; • 输出端最小开关能力：10mA，5VDC。 （2）触摸屏NT31NT31采用全中文液晶显示触摸屏（带背光），具有字符类型和图象类型显示，由通讯接口和PLC的外设接口进行通讯。主要功能是现场参数设定，电源转换、空调机组等功能单元运行工况的人为控制，运行工况状态与电气参数的显示与记录，实时报告各功能单元的故障现象、记录故障参数等。其技术规格如下: • 字符、图象类型显示：20×15个汉字； • 液晶显示器规格： 320×240点； • 有效显示面积： 122×92mm2。。 （3）开关量扩展I/O单元CPM1A-20EDR1CPM1A-20EDR1可提供12点的开关量输入点、8点的继电器输出点，可扩展系统的控制点数，根据不同客车类型可选择一块或两块。 （4）适配器CPM1-CIF01CPM1-CIF01是通讯转换模块，实现PLC与车载网络设备的串行通讯。 （5）可编程终端NS10NS系列触摸屏是工业级的IT人机界面，具有高亮度、宽视角；多语言支持（16种）、用于梯形图监控和数据传送、存储的CF卡；丰富的宏语言功能；具有Ethernet和Controller link网络接口，USB打印驱动；增强网络功能等特点。在电气监控系统中，选用NS10作为列车网络的终端实现对车载网络的集中监控。2.2 供电电源控制部分 综合控制柜的供电电源取自两路贯通全列客车的供电母线，可实现手动或自动选择其中一路供电，实时监测供电电源的电压、电流、漏电电流等电气参数。在PLC自动控制供电的情况下，可实现根据车厢编号的均衡供电，保证电气负载基本均衡分配到两路供电母线上，同时可实现供电电源的输出过压、输出欠压、输出三相电压不平衡等故障的判断、保护转换、报警提示、故障数据记录等控制功能与客车电气系统的在线绝缘监测保护控制功能。2.3 空调机组控制部分 客车供电实现后，综合控制柜可手动或自动控制空调机组选择“弱风”、“强风”、“半冷”、“半暖”、“全冷”、“全暖”等工况及在各个工况之间进行转换，同时可实时监测车内温度、外界环境温度、空调压缩机或空气预热器的工作电流、机组工作时间等运行参数并进行记录，同时可实现通风机与冷凝风机的过载故障、压缩机的压力故障与过流故障、空气预热器的内部超温故障等故障的判断、保护转换、报警提示、故障数据记录等功能。 在PLC自动控制空调机组的情况下，PLC根据供电状态、车内温度实测值与在NT31触摸屏参数设定界面预先设定的“制冷”、“制暖”温度设定值的比较结果，控制空调机组自动选择各个工况，根据自动控制温度曲线、温度回差等控制机组在各个工况之间转换，同时可实现空调压缩机与预热器的过流故障、过载故障、三相电流不平衡故障、缺相故障等故障的电子软保护与报警提示、转换控制功能，还可根据压缩机与预热器的运行时间自动调节其工作时间的均衡性。2.4 应急电源控制部分 综合控制柜的应急电源由直流电源设备与蓄电池组成。控制柜正常工作时，由直流电源设备提供直流控制电源，当电源设备故障或无主电路供电时，由蓄电池组提供直流电源。为保证重要直流负载的供电，防止蓄电池的过放电，控制柜具有欠压报警提示、保护控制功能。当PLC检测到本车蓄电池电压低于欠压保护设定值时，触摸屏应显示相应故障信息，提示用户；欠压保护控制信号由直流电源设备给出，可切断低供电等级的负载。2.5 照明控制部分 综合控制柜的照明控制部分可实现客车车厢内的终夜照明灯、半夜照明灯、应急照明灯的控制与转换。2.6联网通讯部分 综合控制柜的联网通讯部分由多个车载网络通讯设备组成，PLC通过适配器与车载网络设备的串行通讯实现与本车智能电气设备的通讯及实现客车与客车之间的相互联网通讯，通过控制柜NT31触摸屏监视车载网络的相关信息，向其他客车发送供电与空调的控制命令，同时列车网络集中监控终端NS10可方便监控全列客车的相关网络信息，发送网络控制命令，大大方便了列车乘务人员对列车电气系统的监控与管理。3.控制核心PLC、NT31等的应用设计、程序编制调试技巧总结 电气监控系统设计选型和成本估算时，详细分析了应用环境要求、工艺过程的特点、控制要求，明确了控制任务和范围，确定了所需的操作和动作，然后根据控制要求，估算输入输出点数、所需存储器容量、确定PLC、可编程终端的功能、外部设备特性等，最后选择设计相应的控制系统。根据铁道客车电气系统的特殊应用环境要求，OMRON的CPM2A-CPU61及NT31等控制产品正是以其强大的功能性、成熟稳定的可靠性、出色的性价比等特点才从众多同类控制产品中脱颖而出被选用。综合控制柜的PLC、NT31等在程序编制调试过程中，积累总结的心得体会介绍如下： （1）应先规划各个功能单元的程序流程图，使功能单元的程序设计思路清晰，同时根据电气监控系统的总体控制逻辑，将各个功能单元的程序流程图有机的结合在一起，仔细处理功能单元之间的联系点； （2）编程方法上应充分运用子功能模块的子程序模式化。通过调用子程序实现相同或类似子功能模块的程序编制，增强了程序的可读性与可移植性，减小了程序大小，提高了程序的运行效率； （3）编程方法上还应充分考虑寻址方式的选用，例如在编制空调控制程序的压缩机与空气预热器的运行时间记录子程序时，合理运用了间接寻址方式操作数据区，节约了大量的程序步数； （4）编程过程中对模拟量的处理应多考虑应用一些软件滤波方法，尤其在电磁干扰严重的环境中应用更应注意模拟量采集的软件滤波处理； （5）可编程终端的界面程序编制应注意库、图像灯、间接字符串、窗口键盘等对象的应用，界面要编制的清晰简洁、逻辑合理、易于操作，对于复杂或重要操作尽量提供操作帮助说明界面； （6）调试过程中应对各功能单元控制逻辑理解透彻，尽量模拟实际运用中所有可能出现的工况，查找程序错误时要纵观应用程序整体，仔细分析所有相关点，认真参阅相关产品的操作手册，注意相关编程操作注意事项等。4.新型电气监控系统的技术创新 新型铁道客车电气监控系统与老型的相比，从单纯的继电接触控制系统转变为以OMRON高功能性、高可靠性的PLC、人机界面触摸屏NT31NS10等为控制核心的自动控制系统，主要解决的技术难题与实现的技术创新如下： （1）综合控制柜实现了铁道客车电气监控系统的小型化、智能化、集成化和系统化； （2）综合控制柜根据预设参数实现自动控制，减轻了操作人员的工作强度，最大限度的避免由于人为误操作引起的事故，便于操作和维护； （3）综合控制柜对整车电气系统参数进行实时监测，出现故障时及时进行保护动作，避免了由于保护不及时而引起的严重后果； （4）综合控制柜可对轴温、烟火报警器、车门等智能电气设备的状态进行监视和显示； （5）综合控制柜充分考虑了整车各个电气功能部件的协调工作，使整个电气系统工作更加安全可靠； （6）综合控制柜根据电气系统布线的有关规范和实际存在的问题，不同系统、不同电压等级、不同电流类别的导线尽量相互隔离，简化了配线复杂度，节约了大量导线，结构设计上尽量减少相互间的电磁干扰； （7）综合控制柜的控制方案以自动为主，同时考虑控制系统故障的应急措施，包括极端情况下的手动应急措施； （8）控制柜减少了原有客车电气监控系统的电器元件，简化了调试流程，功能得以提升，大大提高了生产效率，降低了生产制造成本。5.新型电气监控系统的推广运用 新型铁道客车电气监控系统从2002年投入实际运用以来，运行安全、稳定、可靠，操作维护方便，功能完善强大，得到最终用户的一致好评，并在铁道客车电气行业相关领导机构的组织下，被确定为我国自主研发新造客车的综合控制柜的统型产品。从2002年至今，综合控制柜已在新造铁道客车中成功装车运用4000余套，取得了良好的经济效益和社会效益，在将来会有更广阔的应用空间，整体运用情况详见附表。6.结束语 以OMRON自动化产品为控制核心的新型铁道客车电气监控系统是我国铁道客车电气技术领域的一次重大技术革新，是我国自主研发的铁道客车电气技术的先进代表，为保证我国铁道客车第五次大提速的顺利进行做出了卓越贡献，推动了铁道客车电气行业的发展进步，具有非常广阔的推广运用前景。