基于PLC高密度I/O单元的车辆运行控制系统的改造

1 引言
控制系统的控制对象较为简单—本文以上海新奥托实业有限公司生产的一个车辆运行模拟控制系统为对象，已经实现了一般I/O模块的PLC控制。为有效利用资源，在此，考虑将高密度I/O单元引入到系统中来。系统模型虽然十分简单，但是在改造过程中还是应该基于系统的硬件组成及其工作原理进行必要的可行性分析，实验，然后才能给出合理的改造方案。

2 硬件组成
(1) 控制对象
控制对象即本实验装置是由上海新奥托实业有限公司生产的一个车辆运行模拟控制系统，它由6个手动/自动道叉、1-2台火车模型、2个站台、2对红/绿信号灯以及3段供电的轨道和沿途共设置的22个红外信号检测元件所组成。其中，供电轨道存在供电电压和供电电压方向两个控制因素。其模型示意图如图1所示。

图1 车辆运行控制系统模型图

其中，火车模型的运行是靠两段轨道的上输出的直流电压来供电，且运行的方向和速度则是通过对输出电压的方向和大小进行无极调节和控制来实现的--这就说明了理论上在同一段轨道上，两辆火车的运行速度及其方向是完全一样的，系统中同时有两辆火车运行时，不存在碰撞或者追尾的问题。22个红外信号检测元件主要是对火车的位置实时监控，作为系统的控制信号输入到控制器上。在两个站台的出/入口和内侧轨道的一端共设有6个手动/自动叉道，通过给定的脉冲信号来选择轨道,但是要注意脉冲宽度不能太大,否则，就会损坏叉道。这样，就可以对系统的信号进行一个初步的统计:
·输入信号: 22个光电检测信号;
·输出信号: 23个数字量;
3对模拟量。
(2) 原有控制系统
基于以上的分析，我们设定在本实验系统中要实现如下基本功能:
· 站前鸣笛，以提醒工作人员接站;进站时速度减慢，直至停下。出站时也要鸣笛。
·一次只能有一辆火车停在站台，若已有火车停下，其他要进站火车只能在站外等候进站;否则须绕道(外围轨道)而行，以免发生撞车事故。
·红/绿灯作为火车能否出站的标记:绿灯即通行，红灯不通行。
为了实现上述功能，并基于上述对系统控制信号的统计，在原有控制系统中我们用了相应的I/O模块:2个ID212模块，1个OC224和1个OC225模块和1个DA004模块。

3 系统改造
原有系统已经实现了对系统的控制。但是在以上的分析中我们可以发现系统中控制信号多为数字量，而且点数相对较多，为了充分利用实验室资源，决定将高密度I/O单元引入到系统中来，对原有系统进行改造。我们采用的高密度单元都为32点，这样原有系统的两个输入、输出模块都可以分别采用一个。具体改造如下:
(1) 输入模块改造
系统共有22点数字量输入，在此，只要采用1个32点的高密度单元就可以了。结合实验室现有状况，我们选用1个ID215模块来代替原有系统的两个ID212模块。在原系统中，ID212的COM端接地，在此，由于ID215是双向晶体管输入，即它的COM为接地或者5～24VDC均可，所以，在改造过程中不存在电路转换的问题，改造方案是可行的----将原信号线直接接到新的高密度模块上来即可。
(2) 输出模块改造
系统的输出点数也较多，共23点。我们决定采用OD215来代替原有的OD225和OD224，这里，OD215用作32点静态输出用的晶体管输出单元，其电路配置如图2所示。

图2 高密度模块OD215的电路配置
由以上的电路配置图可以知道，OD215和ID215不同，它的COM端只能接地，但是在原系统中，由其硬件电路决定了OC224以及OC225的COM端必须接2～24VDC，所以，这里就不能直接换接了。同时，由OD215模块的性能可知，其最大开关能力为5VDC＋10%35mA(280mA/公共端，1.12A/单元，输出电阻4.7kΩ)，在改造过程中还是要考虑到模块的最大负荷能力，以免烧坏模块。系统中共有23点数字量输出:12个叉道控制信号;6个方向控制信号;1个蜂鸣器外加4个红/绿灯信号(其中前19个信号都是继电器输出)。
·红/绿灯电路改造
在对红/绿灯电路进行改造之前，首先要得出电路的工作原理。实验表明，系统的红/绿灯电路本身存在一个门槛电压的问题，也就是说只有达到一定的电压值时，红/绿灯才会发光。同时结合模块性能，对原有电路进行改造是可行的。
首先考虑到要在原有系统中增加一个上拉电阻R1，这样就可以解决OD215和OC224以及OC225的COM端的矛盾了，整个系统处于“负逻辑”的控制状态，这里所接的上拉电阻的阻值要尽可能的大(首选一般在1k~5k之间)。这样在此路信号为高电平的时候，模块中单路电流才会很小，控制在35mA之内不会超过模块的限流电流值;同时还要考虑到红/绿灯电路的门槛电压的问题。多次实验表明:在上拉电阻R1小到将近500Ω的时候，才能保证红/绿灯电路的正常工作;同时在模块的输出侧增加一个电阻模块R2分流以避免模块中单路电流过大，从而保护了模块。这样一来，改造后的系统便可保证原有系统既正常又安全的工作。系统的改造电路如图3所示。图3中:R1=500Ω，R2=170Ω，模块输出为高电平时，红/绿灯电压约为3V，没有超过其门槛电压，不导通;输出为低电平时，红/绿灯电压约为7V，正常工作。
·继电器电路改造

图3 红/绿灯电路部分改造

对系统中继电器电路部分的改造相对简单多了。和红/绿灯电路改造步骤一样，首先直接在电路中串连一个电阻，首选在1k~5k之间。实验结果表明:只要在每路输出电路中串连一个1.2kΩ的上拉电阻，这样在此路信号为高电平的时候，模块中单路电流才会很小，控制在24mA之内不会超过模块的限流电流值，即可保证原系统此类继电器输出部分即正常又安全的工作。其改造电路如图4所示。

图4 继电器电路部分改造

至此基本完成了对原有控制系统的高密度I/O单元的改造，在红/绿灯的改造过程中我们可以发现模块的单路电流都接近其单路电流的限流值，考虑到模块的安全性、使用寿命以及优化控制系统的思想，在接线过程中就将4路红/绿灯信号分散到了模块的不同的公共端。

4 系统软件改造
对系统的硬件改造在实质上并没有改变原有系统软件的控制思想，所不同的是，系统的硬件改造中所引用的高密度I/O单元都是特殊功能模块，输入输出点的地址表示有所不同，在改造过程中需要将原有地址和现有地址一一对应进行改造;同时，还需要注意的是OD215是采用负逻辑的方式输出的，在原有PLC程序中需要对其作出相应的调整。在原有由组态王开发的系统实时监控画面也需要修改原有程序中的某些地址以满足对现有系统的实施监控的目的。

5 结束语
在确定了对系统进行改造的方案以后，通过一段时间的硬件连接、软件改造以及调试，系统已经能够达到如期的控制效果，并能安全有效地实现控制任务。同时有效利用了实验室现有资源，说明了在某些系统中引入高密度控制单元的可行性并体现了控制系统的控制水平。