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    1.引言

    隨著我國鐵道行業跨越式發展進程的不斷推進，鐵道客車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，布線量大，走線復雜，電磁兼容性差，自動化程度低，空調控制精度不高，系統集成度差、生產成本高、操作不便、維護困難等，已無法滿足鐵道客車電氣監控系統快速發展的需要，鐵道客車電氣監控系統的設計改進勢在必行。

    在鐵道客車電氣行業領導機構的大力組織協調下，相關行業設計工廠與科研院所共同研發設計了新型的鐵道客車電氣監控系統，即鐵道客車低壓電氣綜合控制屏柜（以下簡稱綜合控制柜）。控制柜用于AC380V或DC600V供電的空調旅客列車，將客車老式電氣監控系統的各個電氣監控部分進行了優化整合，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作為列車網絡的集中監控終端，實現了以下以幾點主要設計工藝：

    （1）客車供電電源的選擇、轉換、故障判斷保護等自動控制、手動控制；

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

    （3）客車應急供電電源的監控保護、轉換控制；

    （4）客車照明系統的轉換控制；

    （5）客車車載網絡智能監控系統的實現。

    根據不同鐵道客車類型，實際的綜合控制柜控制核心硬件配置還采用過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通過微型可編程序終端NT31（以下簡稱觸摸屏）接受各種指令并自動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進行診斷、指示并保護，綜合控制柜具有檢測、控制、診斷保護、信息提示、聯網通訊功能，實現供電及控制系統的綜合控制，PLC通過適配器與車載網絡設備的串行通訊實現與本車裝備的智能電氣設備的通訊及實現客車與客車之間的相互聯網通訊，并為逐步實現車對地、地對車的計算機聯網通訊打下了技術基礎。

    2.新型電氣監控系統的系統構成

    新型鐵道客車電氣監控系統以OMRON的CPM2A-CPU61可編程控制器、12/8點的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作為列車網絡的集中監控終端，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、聯網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主機對整個電氣系統進行自動控制，實時監測電氣系統運行過程中的參數并對其進行分析，對出現故障自動處理，通過顯示觸摸屏NT31實現人機對話，響應顯示觸摸屏輸入的命令、參數，將故障信息、運行記錄通過顯示觸摸屏顯示等。其硬件配置情況如下：

    ? 模擬量輸入點： 17點（0～10V）;

    ? 溫度輸入點： 1點（PT100）;

    ? 開關量輸入點： 12點（直流24V，8mA）;

    ? 開關量輸出點： 16點（繼電器輸出）;

    ? 輸出端最大開關能力：2A，250VAC（cosφ=1）,2A，24V;

    ? 輸出端最小開關能力：10mA，5VDC。

    （2）觸摸屏NT31NT31采用全中文液晶顯示觸摸屏（帶背光），具有字符類型和圖象類型顯示，由通訊接口和PLC的外設接口進行通訊。主要功能是現場參數設定，電源轉換、空調機組等功能單元運行工況的人為控制，運行工況狀態與電氣參數的顯示與記錄，實時報告各功能單元的故障現象、記錄故障參數等。其技術規格如下:

    ? 字符、圖象類型顯示：20×15個漢字；

    ? 液晶顯示器規格： 320×240點；

    ? 有效顯示面積： 122×92mm2。。

    （3）開關量擴展I/O單元CPM1A-20EDR1CPM1A-20EDR1可提供12點的開關量輸入點、8點的繼電器輸出點，可擴展系統的控制點數，根據不同客車類型可選擇一塊或兩塊。

    （4）適配器CPM1-CIF01CPM1-CIF01是通訊轉換模塊，實現PLC與車載網絡設備的串行通訊。

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

    2.2 供電電源控制部分

    綜合控制柜的供電電源取自兩路貫通全列客車的供電母線，可實現手動或自動選擇其中一路供電，實時監測供電電源的電壓、電流、漏電電流等電氣參數。在PLC自動控制供電的情況下，可實現根據車廂編號的均衡供電，保證電氣負載基本均衡分配到兩路供電母線上，同時可實現供電電源的輸出過壓、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電氣系統的在線絕緣監測保護控制功能。

    2.3 空調機組控制部分

    客車供電實現后，綜合控制柜可手動或自動控制空調機組選擇“弱風”、“強風”、“半冷”、“半暖”、“全冷”、“全暖”等工況及在各個工況之間進行轉換，同時可實時監測車內溫度、外界環境溫度、空調壓縮機或空氣預熱器的工作電流、機組工作時間等運行參數并進行記錄，同時可實現通風機與冷凝風機的過載故障、壓縮機的壓力故障與過流故障、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自動控制空調機組的情況下，PLC根據供電狀態、車內溫度實測值與在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，控制空調機組自動選擇各個工況，根據自動控制溫度曲線、溫度回差等控制機組在各個工況之間轉換，同時可實現空調壓縮機與預熱器的過流故障、過載故障、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間自動調節其工作時間的均衡性。

    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。控制柜正常工作時，由直流電源設備提供直流控制電源，當電源設備故障或無主電路供電時，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檢測到本車蓄電池電壓低于欠壓保護設定值時，觸摸屏應顯示相應故障信息，提示用戶；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現客車車廂內的終夜照明燈、半夜照明燈、應急照明燈的控制與轉換。

    2.6聯網通訊部分

    綜合控制柜的聯網通訊部分由多個車載網絡通訊設備組成，PLC通過適配器與車載網絡設備的串行通訊實現與本車智能電氣設備的通訊及實現客車與客車之間的相互聯網通訊，通過控制柜NT31觸摸屏監視車載網絡的相關信息，向其他客車發送供
電與空調的控制命令，同時列車網絡集中監控終端NS10可方便監控全列客車的相關網絡信息，發送網絡控制命令，大大方便了列車乘務人員對列車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，詳細分析了應用環境要求、工藝過程的特點、控制要求，明確了控制任務和范圍，確定了所需的操作和動作，然后根據控制要求，估算輸入輸出點數、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。根據鐵道客車電氣系統的特殊應用環境要求，OMRON的CPM2A-CPU61及NT31等控制產品正是以其強大的功能性、成熟穩定的可靠性、出色的性價比等特點才從眾多同類控制產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程中，積累總結的心得體會介紹如下：

    （1）應先規劃各個功能單元的程序流程圖，使功能單元的程序設計思路清晰，同時根據電氣監控系統的總體控制邏輯，將各個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系點；

    （2）編程方法上應充分運用子功能模塊的子程序模式化。通過調用子程序實現相同或類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間記錄子程序時，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、窗口鍵盤等對象的應用，界面要編制的清晰簡潔、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明界面；

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

    4.新型電氣監控系統的技術創新

    新型鐵道客車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為以OMRON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控制系統，主要解決的技術難題與實現的技術創新如下：

    （1）綜合控制柜實現了鐵道客車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現自動控制，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）綜合控制柜對整車電氣系統參數進行實時監測，出現故障時及時進行保護動作，避免了由于保護不及時而引起的嚴重后果；

    （4）綜合控制柜可對軸溫、煙火報警器、車門等智能電氣設備的狀態進行監視和顯示；

    （5）綜合控制柜充分考慮了整車各個電氣功能部件的協調工作，使整個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的有關規范和實際存在的問題，不同系統、不同電壓等級、不同電流類別的導線盡量相互隔離，簡化了配線復雜度，節約了大量導線，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為主，同時考慮控制系統故障的應急措施，包括極端情況下的手動應急措施；

    （8）控制柜減少了原有客車電氣監控系統的電器元件，簡化了調試流程，功能得以提升，大大提高了生產效率，降低了生產制造成本。

    5.新型電氣監控系統的推廣運用

    新型鐵道客車電氣監控系統從2002年投入實際運用以來，運行安全、穩定、可靠，操作維護方便，功能完善強大，得到最終用戶的一致好評，并在鐵道客車電氣行業相關領導機構的組織下，被確定為我國自主研發新造客車的綜合控制柜的統型產品。從2002年至今，綜合控制柜已在新造鐵道客車中成功裝車運用4000余套，取得了良好的經濟效益和社會效益，在將來會有更廣闊的應用空間，整體運用情況詳見附表。

    6.結束語

    以OMRON自動化產品為控制核心的新型鐵道客車電氣監控系統是我國鐵道客車電氣技術領域的一次重大技術革新，是我國自主研發的鐵道客車電氣技術的先進代表，為保證我國鐵道客車第五次大提速的順利進行做出了卓越貢獻，推動了鐵道客車電氣行業的發展進步，具有非常廣闊的推廣運用前景。