利用OMRON PLC实现对火车模型的实时监控

分类：解决方案日期：2007-03-30 00:00:00

1 引言
　　近年来，随着计算机应用水平的提高，上位机同可编程控制器（简称PLC）之间的通讯与相应的数据采集，在工业控制过程中的应用越来越广泛。在各行各业的生产过程中，随着自动化程度的提高，对现场控制信号精度要求也越来越高。PLC作为一种新兴的工业控制器，以其功能完备、编程灵活、应用面广、价格低廉等众多优越的性能在国内外越来越多的生产过程中得到实际的应用，尤其在数据的采集、控制及相应的通信方面，更以其价格低廉，性能稳定得到同行业各个厂家的认可。
　　为了充分利用PC及PLC的优点，我们针对上海新奥托实业有限公司设计开发的一套“车辆运行控制策略优化“实验模型，开发出基于PC及PLC的该模型的监控系统。上位机PC中用北京亚控公司的组态王作为人机界面，完成技术人员的参数设置和手动控制，下位机PLC负责实现针对火车模型的直接控制，其中包括对火车的运行方向和速度的控制以及如何实现安全及时的避让和寻找最优线路的策略。本系统具有编程可视化、可移植性强、系统可靠度高、控制装置标准化、接线软件化、系统柔性化等优点，并且能够扩展到当前国内铁道车辆的监控系统中，大大优化车辆的运行策略，并为广大从事该类系统开发的广大工程技术人员提供了很好的借鉴。
2 系统的结构与功能2.1 硬件系统组成
　整个系统硬件布置的简单示意图如图1所示。本系统的总体结构是上、下位机结构。以 PC机作为上位机，通过通信接口连接至可编程控制器，并以可编程控制器作为下位机来控制火车模型。上位机选用Pentum以上机型，组态王作为人机交互的组态软件，由于上位机是以较高档的CPU建立的系统，它在图形处理、复杂计算，以及人机界面上可以很轻松的达到较高的水平，相对于单片机等微处理器来说，处理速度快了好多倍。另外，它有高级语言的支持，有大量已经成熟且应用相当广泛的操作系统应用软件的支持。本系统上位机的监控部分选用组态王，就是充分利用它的编程简单、界面美观友好，更重要的是，它支持许多常用的硬件设备，包括各主要厂家的PLC、智能模块、智能仪表、板卡和变频器等。本系统选用的PLC是日本OMRON公司的C200HE，也在组态王支持的硬件设备之列，这样通过串口依据RS232的通信协议就可以顺利的连接起来，实现组态王和下位机PLC之间准确而实时的数据交换。
　　下位机主要负责对火车模型的直接驱动控制，它是由OMRON的可编程控制器各模块组成。整个下位机系统包括电源模块、CPU-42-E模块、ID212模块、OD212模块、DA模块等，分别完成接收数字量的输入、实现控制算法、完成火车模型各段的顺序启停、产生数字量和模拟量的输出等功能。
2.2 符合RS232协议的电缆连接
　　RS232是目前最常用的串行接口标准，用来实现计算机与计算机、计算机与外设之间的数据通讯。RS232串行接口总线适用于：设备之间的通讯距离不大于15m，传输速率最大为20kB/s。本系统中，上位机和下位机之间通过符合RS232通信协议的串口电缆连接起来。具体连接图如图2所示。硬件的连接重点在于火车模型实验台和PLC各模块之间的连线。其中包括PLC的开关量输入信号线，共22根；PLC的开关量输出信号线，共23根；PLC的模拟量输出信号线，共6根。另外还要引入相应的220V交流电和24V直流电。
注意：在进行PLC的硬件设置时，DIP开关除引脚4置于OFF外，其它全置于ON，同时，PLC底板上所插的各个模块的设备单元号不能互相冲突。

2.3 软件系统组成
　　首先分析PLC的输入输出信号。由于火车模型在经过不同位置时会使该位置处的红外信号传感器产生光电认别信号的输出，因此整个实验台上的22个红外信号传感器就相应产生了22个开关量的输出（对于PLC来说是输入信号）。而对6个火车叉道的切换控制、1#站、2#站和外围轨道的电压方向控制，还包括对1#站和2#站的红绿灯控制，则必须靠PLC方来完成，属于PLC方的开关量输出。另外，对于车速的调节，则需要PLC方0～10的直流电压输出，这属于PLC方的模拟量输出。
　　软件的设计思想是首先将从火车模型引出的开关量信号输入至PLC内部继电器IR区域，然后根据各位的高低电平的不同判断火车模型的不同位置，再在PLC的CPU中由程序处理输出相应的开关量和模拟量信号来作出相应的控制，如切换叉道、改变方向、红绿灯亮灭、蜂鸣器报警、增减速等，同时将相应的数据上传到上位机组态王的画面中，使不同的控制方式以更为直观的方式显示出来供操作人员调节。组态王中要包括监视画面和　　　控制画面，通过实时数据库的数据更新和交互来产生画面的更新和对火车模型不同控制的实现。软件中比较难实现的就是火车运行路线的最优控制问题。通过分析和动态规划，我们实现了2部以上火车模型同时在轨道上运行时，如何运用不同的叉道和车站，使它们找到各自最优的路线，以最短的时间，最节省的能源，安全顺利的到达各自的目的地，沿途伴随着相应的红绿灯闪烁、蜂鸣器报警、实时的启停和避让，从而在相当大的程度上模拟了火车的实际运行情况，对于实现无人自控火车的研究人员来说，更是具有相当重要的参考价值。
3 软件的设计
3.1 PLC控制过程的程序设计
　　按照用户的要求，控制系统应具有自动循环、手动、单周期运行过程。其中，手动调节是指火车模型的运行速度、方向、叉道的切换以及启停等均由技术人员通过组态王的控制画面来进行手工调节，主要是为了调试各个输入信号和输出信号的实时和准确性；单周期运行则是在一定的条件下，让一辆或几辆火车模型同时在轨道上运行一个周期，主要是为了对火车模型在各运段的运行速度大小和叉道的切换进行细调，它通常结合手动调节来进行；而自动循环运行方式是在前两种调节方式完全无误的情况下才可以进行，由于实际的运行过程中会发生这样或者那样的干扰，因此这一过程在实际的环境中也要结合手动调节来进行，但只要环境条件不发生特别大的变化，一般不需要手动调节（由于本系统是在实验室中实现的这一过程，所以在这一过程中未考虑手动调节）。
　　首先考虑PLC程序是和上位机组态王程序相结合来实现对火车模型的控制，因此最初的运行方式必须由技术人员在人机对话的画面上选中，然后让PLC根据输入的开关量信号执行运算产生开关量和模拟量的输出来控制火车。程序设计的流程图如图3所示。3.2 组态王监控画面的设计及它同PLC的数据交互过程
组态王是一套以实时数据库为核心的组态软件系统，实时数据库中含有丰富的数据类型，系统在进行刷新、趋势显示、
　　报警判断、历史数据记录等工作时所采用的数据皆是取自实时数据库，而实时数据库对用户是开放的，所以用户可以方便的构造适应自己需要的“数据采集系统”。同时由于组态王提供了内嵌的类C语言环境，使用起来更加方便。
　　组态王的画面包括监视画面和控制画面。限于篇幅，我们只给出手动的控制画面，如图4所示。
　　组态王中的每一个手动控制按钮都对应使PLC中继电器区域中的某个字变化一位或几位（即将该字中的一位或几位置高或低电平）。而该位的变化就可以产生开关量的输出，这只是程序设计的最基本思想。当然在PLC的程序中，包含着对火车模型运行的各个位置的判断，并以此为根据来判断运行的策略，由此作出最佳路线以及车速的运行状态。注意：在调节车速的时候，不宜将车速调的过高或者过低，以免翻车或者出轨，造成不必要的实验事故，另外，红外线传感器一定程度上受日光中红外成分的影响，所以开始时应该在火车模型实验台下面的硬件电路上调试其红外传感器相对应的放大器微调电位器，使其输出电压低端在5V以下，高端在20V即可。另外叉道由脉冲小于50ms的脉冲信号控制，如果脉冲时间过长，易对叉道造成损坏，这在PLC的程序中必须用TIMH（高速定时器）才能产生这样标准的脉冲。
4 结束语
　　经过一段时间的运行证明，本系统成功的实现了对火车模型的自动控制和监测，并实现了车辆及时进站、准确停车、正反转运行、红绿灯控制以及相向运行或同向车辆的及时避让等功能，并可借助实验盘上所设置的22个红外传感器，采用组态王实现直观跟踪，以便操作人员及时的控制车辆的运行,在控制策略的实现过程中，我们更是利用了优化控制的算法，从而实现了车辆的自动避让和自动选择优化路线的智能功能。
这种基于PC及PLC和火车模型监控系统的设计，涵盖了现代控制理论中有关决策过程中的最优化问题，对于当前铁路系统客车、货车的上等级、上水平、提高效益创造了技术上的前提。相信随着现代计算机自动控制技术的飞速发展，类似的系统的应用前途将会越来越广泛。