摘 要：本文阐述了以OMRON的CPM2A系列PLC及其扩展模块、NT系列可编程终端HMI为控制核心的青藏铁路客车电气控制系统的典型应用案例，详细分析了上述OMRON自动化产品在青藏铁路客车电气控制屏柜中的设计工艺原理、编程与调试技巧、故障处理方法等典型应用解决方案。

关键字：青藏铁路 电气控制 低压电气屏柜 PLC HMI触摸屏

引言

举世瞩目的青藏铁路以其特殊的地理环境条件，给铁道客车电气系统的设计带来了许多新的课题，如青藏铁路高海拔、低气压、环境温度低、温差变化大等环境地理条件将对核心控制部件、低压电器部件等的绝缘与介电强度、电气间隙与爬电距离、温升等性能参数产生一定的影响。

对青藏铁路客车电气系统的安全性、稳定性、可靠性等产生重要影响的低压电气屏柜控制系统面临着以上问题，设计过程中根据对控制系统的分析与研究，遵循低压电器控制系统的安全设计、可靠性设计、节能设计等设计原则，采取合理对策，历经多次试验验证，解决了青藏铁路特殊环境条件对电气控制系统的影响，设计开发了以PLC与触摸屏（或称“HMI”）为控制核心的青藏铁路客车电气综合控制柜（以下简称“控制柜”）。

新型青藏铁路客车电气控制系统，将客车老式电气控制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。控制柜采用以OMRON的PLC（CPM2A-CPU61）、PLC的I/O扩展模块CPM1A-20EDR1、RS232通讯适配器CPM1-CIF01、NT系列可编程终端NT31等为基础架构的控制核心，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 客车制氧系统的配电控制与监控。

④ 客车应急供电电源的监控保护、转换控制。

⑤ 客车照明系统的转换控制。

⑥ 客车车载网络智能监控系统的实现。

控制柜的PLC（CPM2A-CPU61）通过RS232-C端口实现与触摸屏NT31（以下简称HMI）通讯，接受HMI发送的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，控制柜具有检测、控制、诊断保护、信息提示、联网通讯功能，实现电气系统的综合控制。PLC通过外围端口的RS232-C适配器与车载网络设备进行串行通讯，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。

青藏铁路客车电气控制系统应用方案简介

一、青藏铁路客车电气控制系统设计选型

1.1 控制系统设计更新必要性

老式的铁路客车电气控制系统采用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，已无法满足青藏客车电气控制系统的需要，新型青藏铁路客车电气控制系统的设计势在必行。

随着工控自动化水平的飞速发展，PLC与HMI在各个工控行业得到广泛应用，PLC以其方便易掌握的编程指令及可扩展的输入/输出模块、成熟的抗干扰技术而深受广大工程设计人员欢迎，故拟设计由PLC与HMI构成基础控制架构的青藏铁路客车电气控制系统。

1.2 可编程序控制器PLC的发展与现状

1968年美国通用汽车公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年，美国数字公司研制出了基于集成电路和电子技术的控制装置，使得电气控制功能实现程序化，这就是*代可编程序控制器，英文名字叫Programmable Controller（PC）。上世纪80年代，个人计算机发展起来，也简称为PC，为了方便，也为了反映或可编程控制器的功能特点，美国A-B公司将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器Programmable Logic Controller（PLC）。

上世纪80年代至90年代中期，是PLC发展zui快的时期，年增长率一直保持为30～40%。在这时期，PLC在处理模拟量能力、数字运算能力、人机接口能力和网络能力得到大幅度提高，现在已有第五代PLC产品了。

目前，世界上有200多厂家生产300多品种PLC产品，按地域分成三大系列：一是美国系列，一是欧洲系列，一是日本系列。美国和欧洲的PLC技术是分别独立研究开发的，因此二者的PLC产品有明显的差异性，而日本的PLC技术是由美国引进的，对美系PLC产品有一定的继承性，但日本的主推产品定位在小型PLC。日本的小型PLC特色，在小型机领域中颇具盛名，某些用欧美的中型机或大型机才能实现的控制，日本的小型机就可以解决。在开发较复杂的控制系统方面明显优于欧美的小型机，所以格外受用户欢迎。日本有众多PLC制造商，如欧姆龙、三菱、松下、日立、富士、东芝等，在世界小型PLC市场上，日系产品约占70%左右的*。

1.3 控制系统核心选型原则

我们经仔细分析控制系统的功能要求，首先确定小型PLC就能满足控制需求，经对比世界的几个PLC品牌，由于日系PLC在编程语言方面更适合亚洲人的逻辑思维方式，所以日系PLC。在日本众多PLC制造商中，欧姆龙自动化集团的PLC是工业自动化产品和应用*技术的代表，其进入中国市场的时间早、产品性能可靠稳定、编程简易、调试方便、现场监控能力出色，是自控领域的。欧姆龙在中国有遍布全国的物流、销售和，可及时为客户提供zui直接的服务。基于以上原因，我们了日本欧姆龙公司的PLC与HMI及其扩展模块、附件等为青藏铁路客车电气控制柜的控制核心部件。

二、青藏铁路客车电气控制核心硬件系统构成

青藏铁路客车电气控制系统以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-ST123-EV3）、通讯适配器CPM1-CIF01等组成控制核心架构，由供电电源控制部分、空调机组控制部分、制氧系统配电控制部分、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，其青藏铁路客车电气系统功能框图如图1-a所示，控制核心部分示意图如图1-b所示，青藏铁路客车电气控制柜外形图如图1-c所示，各个功能单元的控制方案分析如下：

2.1 PLC主机CPM2A-CPU61

CPM2A系列是OMRON公司在CPM1A基础上推出的升级换代产品，它与CPM1A相比，在程序容量、指令种类、指令执行时间、数据存储、定时器/计数器数量诸方面都有明显进步，并新加了RS232通讯端口，支持Host Link、无协议、1：1NT链接、1:1PC链接等通讯方式，特别是高速计数器、脉冲输出和同步脉冲控制功能的增加给设备的自动化控制提供了很大便利。

CPM2A-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zui大开关能力：2A，250VAC（cosφ=1）;2A，24V

输出端zui小开关能力：10mA，5VDC

值得称道的是CPM2A-CUP61主机集成了多达17路模拟量输入点（0～10V），1路温度输入点（PT100），这在各个世界PLC厂商提供的小型机中是*的（其他厂商多为提供模拟量扩展模块），极大的缩减了控制核心的安装体积、提高了控制系统的性价比。

2.2 HMI主机NT31-ST123-EV3

NT31-ST123-EV3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RS232通讯接口和PLC的RS232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

2.3 开关量扩展I/O单元CPM1A-20EDR1

CPM1A-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。

2.4 适配器CPM1-CIF01

CPM1-CIF01是RS232通讯转换模块，实现PLC与车载网络设备的串行通讯。

三、青藏铁路客车电气控制核心软件编程

3.1 PLC主机CPM2A-CPU61应用程序编制

应用CX-Programmer软件对CPM2A-CPU61进行应用程序编制， CX-Programmer软件在指令编写、地址搜索、条文注释、软件保护、功能块编制、多种编程语言、调试监控等方面为用户提供了高水平的应用平台，尤其是功能块的调用及多种编程语言的灵活性给方案设计提供了极大的便利。

PLC的软件编制中，根据需要将供电电源转换控制、空调机组控制、制氧系统配电控制、应急电源转换控制、照明控制、车载网络通讯等功能单元分不同的程序段进行编制。供电电源转换控制部分程序示例见图2，其他功能单元的程序不再罗列。

CX-Programmer软件的一个突出特点是具有“显示地址引用工具”工具栏，可在程序段下方同时显示某变量在程序中的所有应用，极大地方便了程序编制与调试。“显示地址引用工具”工具栏应用示意见图3。

3.2 HMI主机NT31-ST123-EV3应用程序编制

应用NT系列支持工具软件对NT31-ST121-EV3进行应用程序编制， NT系列支持工具软件在固定显示、图像和库数据支持、灯对象、触摸开关、数字显示、字符串显示、曲线图、报警列表、报警历史、数字值输入、字符串输入等方面为用户提供了友好的应用平台。

NT31的软件编制中，根据需要将供电系统信息、空调制氧系统信息、应急电源信息、照明控制信息、车载网络通讯信息等功能单元分不同的画面进行编制。应用了数字、字符串显示与输入对象、图像与库数据对象、触摸开关控制对象、报警列表、报警历史、窗口键盘等编制了友好的人机操作界面，显示直观、操作方便。应用画面部分数据示例见图3-a、3-b、3-c、3-d、3-e、3-f、3-g。

四、控制核心PLC、HMI等的应用设计、程序编制调试技巧总结

青藏铁路客车电气控制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、HMI的功能、外部设备特性等，zui后选择设计相应的控制系统。根据青藏铁路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。

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：

l 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，同时根据电气控制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点。

l 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。

l 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。

l 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。

l 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。

l 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。

五、青藏客车电气控制系统的技术创新

青藏铁路客车电气控制屏柜与老型的相比，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NT31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：

5.1 综合控制柜实现了电气控制系统的小型化、智能化、集成化和系统化。

5.2 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，zui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。

5.3 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。

5.4 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。

5.5 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。

5.6 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。

5.7 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，包括情况下的手动应急措施。

5.8 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。

六、青藏客车电气控制系统的推广运用

青藏铁路客车电气控制系统从2006年投入实际运用2年多以来，装车300余套，经受住了青藏铁路特殊运用环境的考验，运行安全、稳定、可靠，操作维护方便，功能完善强大，得到zui终用户的*，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，整体运用情况见表1。

结束语

以OMRON自动化产品为控制核心的青藏铁路客车电气控制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*代表，为保证举世瞩目的青藏铁路的顺利开通做出了贡献，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。

在工业自动化领域日新月异的飞速发展中，希望欧姆龙自动化集团等工控自动化产品制造商在保持产品兼容性的基础上不断推陈出新，不断应用*技术提升PLC、HMI等工控产品的产品性能、提高产品的性价比，为工控领域的技术进步提供有力支撑。

参考文献

1、 OMRON公司的CPM2A编程手册、CPM2A操作手册

2、 OMRON公司的NT31/NT31C操作手册

3、 宫淑珍等.可编程控制器原理及应用.北京：人民邮电出版社，2002