1 引 言
近年來，隨著計算機(jī)應(yīng)用水平的提高，上位機(jī)同可編程控制器（簡稱PLC）之間的通訊與相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集，在工業(yè)控制過程中的應(yīng)用越來越廣泛。在各行各業(yè)的生產(chǎn)過程中，隨著自動化程度的提高，對現(xiàn)場控制信號精度要求也越來越高。PLC作為一種新興的工業(yè)控制器，以其功能完備、編程靈活、應(yīng)用面廣、價格低廉等眾多優(yōu)越的性能在國內(nèi)外越來越多的生產(chǎn)過程中得到實際的應(yīng)用，尤其在數(shù)據(jù)的采集、控制及相應(yīng)的通信方面，更以其價格低廉，性能穩(wěn)定得到同行業(yè)各個廠家的認(rèn)可。
為了充分利用PC及PLC的優(yōu)點，我們針對上海新奧托實業(yè)有限公司設(shè)計開發(fā)的一套“車輛運行控制策略優(yōu)化“實驗?zāi)Ｐ停_發(fā)出基于PC及PLC的該模型的監(jiān)控系統(tǒng)。上位機(jī)PC中用北京亞控公司的組態(tài)王作為人機(jī)界面，完成技術(shù)人員的參數(shù)設(shè)置和手動控制，下位機(jī)PLC負(fù)責(zé)實現(xiàn)針對火車模型的直接控制，其中包括對火車的運行方向和速度的控制以及如何實現(xiàn)安全及時的避讓和尋找最優(yōu)線路的策略。本系統(tǒng)具有編程可視化、可移植性強(qiáng)、系統(tǒng)可靠度高、控制裝置標(biāo)準(zhǔn)化、接線軟件化、系統(tǒng)柔性化等優(yōu)點，并且能夠擴(kuò)展到當(dāng)前國內(nèi)鐵道車輛的監(jiān)控系統(tǒng)中，大大優(yōu)化車輛的運行策略，并為廣大從事該類系統(tǒng)開發(fā)的廣大工程技術(shù)人員提供了很好的借鑒。
2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能2.1 硬件系統(tǒng)組成
整個系統(tǒng)硬件布置的簡單示意圖如圖1所示。本系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)是上、下位機(jī)結(jié)構(gòu)。以 PC機(jī)作為上位機(jī)，通過通信接口連接至可編程控制器，并以可編程控制器作為下位機(jī)來控制火車模型。上位機(jī)選用Pentum以上機(jī)型，組態(tài)王作為人機(jī)交互的組態(tài)軟件，由于上位機(jī)是以較高檔的CPU建立的系統(tǒng)，它在圖形處理、復(fù)雜計算，以及人機(jī)界面上可以很輕松的達(dá)到較高的水平，相對于單片機(jī)等微處理器來說，處理速度快了好多倍。另外，它有高級語言的支持，有大量已經(jīng)成熟且應(yīng)用相當(dāng)廣泛的操作系統(tǒng)應(yīng)用軟件的支持。本系統(tǒng)上位機(jī)的監(jiān)控部分選用組態(tài)王，就是充分利用它的編程簡單、界面美觀友好，更重要的是，它支持許多常用的硬件設(shè)備，包括各主要廠家的PLC、智能模塊、智能儀表、板卡和變頻器等。本系統(tǒng)選用的PLC是日本OMRON公司的C200HE，也在組態(tài)王支持的硬件設(shè)備之列，這樣通過串口依據(jù)RS232的通信協(xié)議就可以順利的連接起來，實現(xiàn)組態(tài)王和下位機(jī)PLC之間準(zhǔn)確而實時的數(shù)據(jù)交換。
下位機(jī)主要負(fù)責(zé)對火車模型的直接驅(qū)動控制，它是由OMRON的可編程控制器各模塊組成。整個下位機(jī)系統(tǒng)包括電源模塊、CPU-42-E模塊、ID212模塊、OD212模塊、DA模塊等，分別完成接收數(shù)字量的輸入、實現(xiàn)控制算法、完成火車模型各段的順序啟停、產(chǎn)生數(shù)字量和模擬量的輸出等功能。
2.2 符合RS232協(xié)議的電纜連接
RS232是目前最常用的串行接口標(biāo)準(zhǔn)，用來實現(xiàn)計算機(jī)與計算機(jī)、計算機(jī)與外設(shè)之間的數(shù)據(jù)通訊。RS232串行接口總線適用于：設(shè)備之間的通訊距離不大于15m，傳輸速率最大為20kB/s。本系統(tǒng)中，上位機(jī)和下位機(jī)之間通過符合RS232通信協(xié)議的串口電纜連接起來。具體連接圖如圖2所示。硬件的連接重點在于火車模型實驗臺和PLC各模塊之間的連線。其中包括PLC的開關(guān)量輸入信號線，共22根；PLC的開關(guān)量輸出信號線，共23根；PLC的模擬量輸出信號線，共6根。另外還要引入相應(yīng)的220V交流電和24V直流電。
注意：在進(jìn)行PLC的硬件設(shè)置時，DIP開關(guān)除引腳4置于OFF外，其它全置于ON，同時，PLC底板上所插的各個模塊的設(shè)備單元號不能互相沖突。
2.3 軟件系統(tǒng)組成
首先分析PLC的輸入輸出信號。由于火車模型在經(jīng)過不同位置時會使該位置處的紅外信號傳感器產(chǎn)生光電認(rèn)別信號的輸出，因此整個實驗臺上的22個紅外信號傳感器就相應(yīng)產(chǎn)生了22個開關(guān)量的輸出（對于PLC來說是輸入信號）。而對6個火車叉道的切換控制、1#站、2#站和外圍軌道的電壓方向控制，還包括對1#站和2#站的紅綠燈控制，則必須靠PLC方來完成，屬于PLC方的開關(guān)量輸出。另外，對于車速的調(diào)節(jié)，則需要PLC方0～10的直流電壓輸出，這屬于PLC方的模擬量輸出。
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軟件的設(shè)計思想是首先將從火車模型引出的開關(guān)量信號輸入至PLC內(nèi)部繼電器IR區(qū)域，然后根據(jù)各位的高低電平的不同判斷火車模型的不同位置，再在PLC的CPU中由程序處理輸出相應(yīng)的開關(guān)量和模擬量信號來作出相應(yīng)的控制，如切換叉道、改變方向、紅綠燈亮滅、蜂鳴器報警、增減速等，同時將相應(yīng)的數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)組態(tài)王的畫面中，使不同的控制方式以更為直觀的方式顯示出來供操作人員調(diào)節(jié)。組態(tài)王中要包括監(jiān)視畫面和 控制畫面，通過實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)更新和交互來產(chǎn)生畫面的更新和對火車模型不同控制的實現(xiàn)。軟件中比較難實現(xiàn)的就是火車運行路線的最優(yōu)控制問題。通過分析和動態(tài)規(guī)劃，我們實現(xiàn)了2部以上火車模型同時在軌道上運行時，如何運用不同的叉道和車站，使它們找到各自最優(yōu)的路線，以最短的時間，最節(jié)省的能源，安全順利的到達(dá)各自的目的地，沿途伴隨著相應(yīng)的紅綠燈閃爍、蜂鳴器報警、實時的啟停和避讓，從而在相當(dāng)大的程度上模擬了火車的實際運行情況，對于實現(xiàn)無人自控火車的研究人員來說，更是具有相當(dāng)重要的參考價值。
3 軟件的設(shè)計
3.1 PLC控制過程的程序設(shè)計
按照用戶的要求，控制系統(tǒng)應(yīng)具有自動循環(huán)、手動、單周期運行過程。其中，手動調(diào)節(jié)是指火車模型的運行速度、方向、叉道的切換以及啟停等均由技術(shù)人員通過組態(tài)王的控制畫面來進(jìn)行手工調(diào)節(jié)，主要是為了調(diào)試各個輸入信號和輸出信號的實時和準(zhǔn)確性；單周期運行則是在一定的條件下，讓一輛或幾輛火車模型同時在軌道上運行一個周期，主要是為了對火車模型在各運段的運行速度大小和叉道的切換進(jìn)行細(xì)調(diào)，它通常結(jié)合手動調(diào)節(jié)來進(jìn)行；而自動循環(huán)運行方式是在前兩種調(diào)節(jié)方式完全無誤的情況下才可以進(jìn)行，由于實際的運行過程中會發(fā)生這樣或者那樣的干擾，因此這一過程在實際的環(huán)境中也要結(jié)合手動調(diào)節(jié)來進(jìn)行，但只要環(huán)境條件不發(fā)生特別大的變化，一般不需要手動調(diào)節(jié)（由于本系統(tǒng)是在實驗室中實現(xiàn)的這一過程，所以在這一過程中未考慮手動調(diào)節(jié)）。
首先考慮PLC程序是和上位機(jī)組態(tài)王程序相結(jié)合來實現(xiàn)對火車模型的控制，因此最初的運行方式必須由技術(shù)人員在人機(jī)對話的畫面上選中，然后讓PLC根據(jù)輸入的開關(guān)量信號執(zhí)行運算產(chǎn)生開關(guān)量和模擬量的輸出來控制火車。程序設(shè)計的流程圖如圖3所示。3.2 組態(tài)王監(jiān)控畫面的設(shè)計及它同PLC的數(shù)據(jù)交互過程
組態(tài)王是一套以實時數(shù)據(jù)庫為核心的組態(tài)軟件系統(tǒng)，實時數(shù)據(jù)庫中含有豐富的數(shù)據(jù)類型，系統(tǒng)在進(jìn)行刷新、趨勢顯示、
報警判斷、歷史數(shù)據(jù)記錄等工作時所采用的數(shù)據(jù)皆是取自實時數(shù)據(jù)庫，而實時數(shù)據(jù)庫對用戶是開放的，所以用戶可以方便的構(gòu)造適應(yīng)自己需要的“數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)”。同時由于組態(tài)王提供了內(nèi)嵌的類C語言環(huán)境，使用起來更加方便。
組態(tài)王中的每一個手動控制按鈕都對應(yīng)使PLC中繼電器區(qū)域中的某個字變化一位或幾位（即將該字中的一位或幾位置高或低電平）。而該位的變化就可以產(chǎn)生開關(guān)量的輸出，這只是程序設(shè)計的最基本思想。當(dāng)然在PLC的程序中，包含著對火車模型運行的各個位置的判斷，并以此為根據(jù)來判斷運行的策略，由此作出最佳路線以及車速的運行狀態(tài)。 注意：在調(diào)節(jié)車速的時候，不宜將車速調(diào)的過高或者過低，以免翻車或者出軌，造成不必要的實驗事故，另外，紅外線傳感器一定程度上受日光中紅外成分的影響，所以開始時應(yīng)該在火車模型實驗臺下面的硬件電路上調(diào)試其紅外傳感器相對應(yīng)的放大器微調(diào)電位器，使其輸出電壓低端在5V以下，高端在20V即可。另外叉道由脈沖小于50ms的脈沖信號控制，如果脈沖時間過長，易對叉道造成損壞，這在PLC的程序中必須用TIMH（高速定時器）才能產(chǎn)生這樣標(biāo)準(zhǔn)的脈沖。
4 結(jié)束語
經(jīng)過一段時間的運行證明，本系統(tǒng)成功的實現(xiàn)了對火車模型的自動控制和監(jiān)測，并實現(xiàn)了車輛及時進(jìn)站、準(zhǔn)確停車、正反轉(zhuǎn)運行、紅綠燈控制以及相向運行或同向車輛的及時避讓等功能，并可借助實驗盤上所設(shè)置的22個紅外傳感器，采用組態(tài)王實現(xiàn)直觀跟蹤，以便操作人員及時的控制車輛的運行,在控制策略的實現(xiàn)過程中，我們更是利用了優(yōu)化控制的算法，從而實現(xiàn)了車輛的自動避讓和自動選擇優(yōu)化路線的智能功能。
這種基于PC及PLC和火車模型監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，涵蓋了現(xiàn)代控制理論中有關(guān)決策過程中的最優(yōu)化問題，對于當(dāng)前鐵路系統(tǒng)客車、貨車的上等級、上水平、提高效益創(chuàng)造了技術(shù)上的前提。相信隨著現(xiàn)代計算機(jī)自動控制技術(shù)的飛速發(fā)展，類似的系統(tǒng)的應(yīng)用前途將會越來越廣泛。