1 引 言
近年來，隨著計算機應用水平的提高，上位機同可編程控制器（簡稱PLC）之間的通訊與相應的數據采集，在工業控制過程中的應用越來越廣泛。在各行各業的生產過程中，隨著自動化程度的提高，對現場控制信號精度要求也越來越高。PLC作為一種新興的工業控制器，以其功能完備、編程靈活、應用面廣、價格低廉等眾多優越的性能在國內外越來越多的生產過程中得到實際的應用，尤其在數據的采集、控制及相應的通信方面，更以其價格低廉，性能穩定得到同行業各個廠家的認可。
為了充分利用PC及PLC的優點，我們針對上海新奧托實業有限公司設計開發的一套“車輛運行控制策略優化“實驗模型，開發出基于PC及PLC的該模型的監控系統。上位機PC中用北京亞控公司的組態王作為人機界面，完成技術人員的參數設置和手動控制，下位機PLC負責實現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安全及時的避讓和尋找最優線路的策略。本系統具有編程可視化、可移植性強、系統可靠度高、控制裝置標準化、接線軟件化、系統柔性化等優點，并且能夠擴展到當前國內鐵道車輛的監控系統中，大大優化車輛的運行策略，并為廣大從事該類系統開發的廣大工程技術人員提供了很好的借鑒。
2 系統的結構與功能2.1 硬件系統組成
整個系統硬件布置的簡單示意圖如圖1所示。本系統的總體結構是上、下位機結構。以 PC機作為上位機，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來控制火車模型。上位機選用Pentum以上機型，組態王作為人機交互的組態軟件，由于上位機是以較高檔的CPU建立的系統，它在圖形處理、復雜計算，以及人機界面上可以很輕松的達到較高的水平，相對于單片機等微處理器來說，處理速度快了好多倍。另外，它有高級語言的支持，有大量已經成熟且應用相當廣泛的操作系統應用軟件的支持。本系統上位機的監控部分選用組態王，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。本系統選用的PLC是日本OMRON公司的C200HE，也在組態王支持的硬件設備之列，這樣通過串口依據RS232的通信協議就可以順利的連接起來，實現組態王和下位機PLC之間準確而實時的數據交換。
下位機主要負責對火車模型的直接驅動控制，它是由OMRON的可編程控制器各模塊組成。整個下位機系統包括電源模塊、CPU-42-E模塊、ID212模塊、OD212模塊、DA模塊等，分別完成接收數字量的輸入、實現控制算法、完成火車模型各段的順序啟停、產生數字量和模擬量的輸出等功能。
2.2 符合RS232協議的電纜連接
RS232是目前最常用的串行接口標準，用來實現計算機與計算機、計算機與外設之間的數據通訊。RS232串行接口總線適用于：設備之間的通訊距離不大于15m，傳輸速率最大為20kB/s。本系統中，上位機和下位機之間通過符合RS232通信協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的開關量輸入信號線，共22根；PLC的開關量輸出信號線，共23根；PLC的模擬量輸出信號線，共6根。另外還要引入相應的220V交流電和24V直流電。
注意：在進行PLC的硬件設置時，DIP開關除引腳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備單元號不能互相沖突。
2.3 軟件系統組成
首先分析PLC的輸入輸出信號。由于火車模型在經過不同位置時會使該位置處的紅外信號傳感器產生光電認別信號的輸出，因此整個實驗臺上的22個紅外信號傳感器就相應產生了22個開關量的輸出（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方的開關量輸出。另外，對于車速的調節，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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軟件的設計思想是首先將從火車模型引出的開關量信號輸入至PLC內部繼電器IR區域，然后根據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的開關量和模擬量信號來作出相應的控制，如切換叉道、改變方向、紅綠燈亮滅、蜂鳴器報警、增減速等，同時將相應的數據上傳到上位機組態王的畫面中，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節。組態王中要包括監視畫面和 控制畫面，通過實時數據庫的數據更新和交互來產生畫面的更新和對火車模型不同控制的實現。軟件中比較難實現的就是火車運行路線的最優控制問題。通過分析和動態規劃，我們實現了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的路線，以最短的時間，最節省的能源，安全順利的到達各自的目的地，沿途伴隨著相應的紅綠燈閃爍、蜂鳴器報警、實時的啟停和避讓，從而在相當大的程度上模擬了火車的實際運行情況，對于實現無人自控火車的研究人員來說，更是具有相當重要的參考價值。
3 軟件的設計
3.1 PLC控制過程的程序設計
按照用戶的要求，控制系統應具有自動循環、手動、單周期運行過程。其中，手動調節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人員通過組態王的控制畫面來進行手工調節，主要是為了調試各個輸入信號和輸出信號的實時和準確性；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行細調，它通常結合手動調節來進行；而自動循環運行方式是在前兩種調節方式完全無誤的情況下才可以進行，由于實際的運行過程中會發生這樣或者那樣的干擾，因此這一過程在實際的環境中也要結合手動調節來進行，但只要環境條件不發生特別大的變化，一般不需要手動調節（由于本系統是在實驗室中實現的這一過程，所以在這一過程中未考慮手動調節）。
首先考慮PLC程序是和上位機組態王程序相結合來實現對火車模型的控制，因此最初的運行方式必須由技術人員在人機對話的畫面上選中，然后讓PLC根據輸入的開關量信號執行運算產生開關量和模擬量的輸出來控制火車。程序設計的流程圖如圖3所示。3.2 組態王監控畫面的設計及它同PLC的數據交互過程
組態王是一套以實時數據庫為核心的組態軟件系統，實時數據庫中含有豐富的數據類型，系統在進行刷新、趨勢顯示、
報警判斷、歷史數據記錄等工作時所采用的數據皆是取自實時數據庫，而實時數據庫對用戶是開放的，所以用戶可以方便的構造適應自己需要的“數據采集系統”。同時由于組態王提供了內嵌的類C語言環境，使用起來更加方便。
組態王中的每一個手動控制按鈕都對應使PLC中繼電器區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生開關量的輸出，這只是程序設計的最基本思想。當然在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。 注意：在調節車速的時候，不宜將車速調的過高或者過低，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，所以開始時應該在火車模型實驗臺下面的硬件電路上調試其紅外傳感器相對應的放大器微調電位器，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）才能產生這樣標準的脈沖。
4 結束語
經過一段時間的運行證明，本系統成功的實現了對火車模型的自動控制和監測，并實現了車輛及時進站、準確停車、正反轉運行、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置的22個紅外傳感器，采用組態王實現直觀跟蹤，以便操作人員及時的控制車輛的運行,在控制策略的實現過程中，我們更是利用了優化控制的算法，從而實現了車輛的自動避讓和自動選擇優化路線的智能功能。
這種基于PC及PLC和火車模型監控系統的設計，涵蓋了現代控制理論中有關決策過程中的最優化問題，對于當前鐵路系統客車、貨車的上等級、上水平、提高效益創造了技術上的前提。相信隨著現代計算機自動控制技術的飛速發展，類似的系統的應用前途將會越來越廣泛。