摘 要：近年来我国城市轨道交通发展日新月异，城市轨道交通专业人才需求越来越大。作为培养城市轨道交通人才的专业学院，如何提高学生的综合能力，越来越重要。本文主要介绍城轨车辆检修控制实训平台的升级改造项目，该项目采用西门子常用的S7-200 SMART PLC为主体配套HMI和组态王软件，高度贴近实际控制，便于学生更快的熟悉城市轨道车辆控制系统。
关键词：城市轨道交通 西门子S7-200 车辆控制 PLC HMI 组态王 以太网通讯
引言
当今的职业教育，如何对接企业需求，培养实用型人才，是教学成败的关键。而实训教学更是教学的关键体现。职业院校的实训教学不但需要高水平的专业教师，还需要硬件设备做支撑。而实训设备的投入费用巨大，要让实训设备跟上企业的需求，还要持续投入。如何最大化利用实训资源，减少投入，是摆在各职业学院面前的一大困难。本次改造是将原有分立的设备进行整合，通过网络通讯，将PLC控制和继电接触器控制、HMI等系统整合，使教学设备更新，最终达到综合利用的目的。
1 车辆控制系统实训平台的总体结构设计
实训平台由HMI人机界面、模拟驾驶操作台、PLC控制系统、继电器-接触器传动系统、组态软件系统五部分组成。采用HMI人机界面和传统操作台结合的模式，提高了操作的可视性。组态软件和PLC控制系统结合，能够快速模拟设置柜内继电器-接触器传动系统故障，并兼具操作记录和培训考核功能。该系统具备开放性，其系统结构图如下图1所示。
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图1 实训平台系统结构图
2系统硬件设计
2.1 模拟驾驶操作台
模拟驾驶操作台主要放置驾驶操作设备和HMI人机界面。模拟驾驶台台面安装按钮指示灯以及驾驶主令开关。所有的按钮、指示灯、显示等元件的接线全部引出到操作台柜后的弹簧端子排上，方面接线检修。
2.2 PLC控制系统
本系统主要采集大量的数字I/O信号，因此选用西门子200 SMART CPU SR 60作为主控PLC，经济型更好。控制信号的全部是数字量信号，因此采用两块DR32模块进行信号扩展。柜内安装西门子PM207 5A电源模块作为系统24VDC电源，供HMI，数字I/O和操作台电源。配备分配器模块将24VDC电源分为4路单独输出，保证供电安全。配置普通TP-LINK 10M/100M自适应路由器，提供以太网组网通讯。
2.3 继电器接触器传动控制系统
在实训柜体的布置各类继电器、接触器、电磁阀、限位开关及驱动电机等元件，考虑场地限制和实训安全，所有输出不接负载，占地面积小，所有器件都放在柜内。
2.4 HMI人机操作系统
触摸屏采用西门子SIMATIC HMI TP1200 12寸显示屏，型号为6AV2124-0MC01-0AX0，该屏具有PROFINET 和MPI/PROFIBUS-DP 接口，12MB存储器，自带Windows CE 6.0系统。
2.5 程序编辑器
该系统即为一台工控机。采用研华IPC-610系列，配置E7400,2G内存，500G高速硬盘，带1个千兆网口。安装组态王6.55版本软件，STEP 7-MicroWIN Smart PLC 编程软件, WinCC Flexible 2008 SP2软件等，方便工程师在PLC、HMI和触摸屏编程之间进行快速切换，方便调试和优化。
3系统软件设计
3.1 PLC编程
该设计主要包括：升降弓控制、高速断路器控制、车门控制、车门监控、列车客室报站灯控制、故障报警以及诊断测试等程序，采用子程序模块调用的方式进行编程。
3.2 触摸屏编程
触摸屏和PLC系统、工控机联网，采用以太网通讯。屏上设有登录信息、列车状态、报警记录、联锁状态、客室站报灯等画面。
3.3 组态软件编程
主要设置模拟驾驶操作的监视画面，可在工控机上模拟操作和监控，并可对控制系统设置故障和测试验证。
3.4 PLC控制系统程序
本系统主程序按照各功能模块进行子程序调用，每个子程序执行前须满足必要的条件。该平台的功能控制主要是传统的继电器接触器控制，程序只做信号的处理和转换，主要编程是列车客室报站灯的模拟测试，下面对该部分的程序控制进行详细描述。
（1）列车客室报站灯程序控制要求
城轨列车客室报站灯安装在车门上方，能够给乘客提供开门侧、当前列车位置、前方车站等信息，以便乘客提前做好下车准备。
控制要求：
①列车分上行和下行开行方向；
②列车未进入正线时，指示灯全部灭灯；
③已运行过的车站灯及区间灯常亮红灯，未运行过的车站灯及区间灯常亮绿灯；
④列车启动出站后，当前区间灯及下一车站灯，流水亮绿灯，流水方向同列车运行方向；
⑤列车到站对位停车后，流水灯停止，当前车站灯及已运行过的区间灯常亮红灯；
（2）程序控制流程图
根据控制的功能进行程序设计，按照控制流程进行流程图设计
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图2 列车客室报站灯程序流程图
（3）网络通讯组态
本平台触摸屏、PLC控制系统、组态监控画面相互之间有数据通讯，通讯方式采用TCP/IP协议。网络组态在同一局域网中，地址设置为192.168.1.1~192.168.1.3。在组态王软件中配置200 smart驱动程序，双击系统驱动文件“S7_TCP.dll”，安装成功后，进入组态王建立连接界面，选择西门子200PLC，建立TCP连接。选择“COM口”，配置在上面的一个网络地址下，连接建立完成后，可以通过连接查看通讯状态。然后可以按照程序需求配置I/O点变量和建立画面。
对触摸屏的编程，需在工控机上安装WinCC Flexible 2008 SP2软件，确认触摸屏的系统程序是否要升级，保证触摸屏操作系统满足需求后，通电对触摸屏通讯地址和信息配置，再进入WinCC Flexible 2008 SP2中进行触摸屏硬件配置，然后在其通讯设置中建立连接，设置以太网地址等通讯参数后，用以太网电缆连接工控机和触摸屏，触摸屏开机后选择传输，即可进行联机下载，连接成功后即可在触摸屏进行I/O参数和画面配置。
4 继电器-接触器控制系统
4.1 受电弓控制
受电弓是城轨列车从接触网取得电能的电气设备，其特点是靠滑动接触而取得电流，是列车的动力来源。
控制设计：采用继电器-接触器控制。在满足控制回路有电、司机室占有、紧急停车未激活的条件下，在操作台按下升弓按钮3秒，柜内时间继电器计时到，控制升弓电磁阀KA1得电模拟受电弓升起。降弓时，按下降弓按钮，升弓电磁阀KA1失电，模拟受电弓降下。
4.2 高速断路器控制
高速断路器（HSCB）是城轨列车在过流、牵引逆变器故障或线路中出现短路等严重干扰情况下，将牵引设备与架空线安全断开的设备。
控制设计：升弓电磁阀的状态由继电器KA1常开触点返回至PLC输入IO点。操作台上的司机室占有、紧急停车按钮的信号取至PLC输入I/O点，高压箱信号由PLC数字输出I/O进行输出。当满足受电弓得电升弓、司机室占有选择、紧急停车按钮未按下这三个条件时，PLC输出高压箱信号合闸允许信号，高压箱信号继电器KA5吸合。常开点闭合。此时按下合闸按钮，高速断路器合闸继电器KA6控制线路得电，模拟高压断路器HSCB合闸。按下操作台上的高速断路器分闸按钮，高速断路器合闸KA6继电器失电，模拟高速断路器分闸。
4.3 车门监视控制回路
车门监视回路的作用是监测整列车的车门状态，并将状态反馈给车辆控制系统；同时控制相应指示灯的亮、灭，给司机反馈当前车门状态。
控制设计：本系统通过列车左门限位信号LS1和右门限位信号LS2，分别模拟列车左门和右门关闭信号。限位开关信号进入PLC输入I/O,同时PLC编程控制驱动对应的左门关闭信号继电器KA11和右门关闭继电器KA12。当选择司机室占有开关后，列车到站对位停车，在操作台可模拟列车开关门控制。操作台对应的指示灯、触摸屏和HMI画面都会同步显示。
4.4 牵引制动控制回路
城轨列车牵引逆变器，在列车牵引时能够把接触网上的直流电压逆变成带有可变振幅和频率的三相电压，为牵引电机运转提供合适的能量，从而控制列车运行。
控制设计：由于本平台主要对学生进行列车控制线路和PLC相关知识的培训，因此只设计人工驾驶模式的控制。当操作台按钮选择人工驾驶模式，操作台按下所有停放缓解按钮（停放缓解继电器信号KA20），无库用电源供电（在触摸屏操作，无库用电源供电继电器信号KA21），列车门关好（继电器KA22），列车零速信号（零速继电器KA0），以上继电器动作联锁按照实际控制由PLC处理后输出。门关好旁路由操作台选择开关给出。在人工驾驶模式下，可以仿真实际条件进行相应列车控制的培训。
其他控制回路按照列车控制原理相似进行控制设计，这里不再进行阐述。
5 结论
改造后的车辆检修控制实训平台可进行PLC实训操作、列车模拟驾驶、列车车辆控制维修等方面的实训教学。本次改造时间短，投入费用不高，达到了设计目的，效果良好，得到了学生的和学院领导的一致好评。
参考文献：
[1]颜景林、孙景东，《城市轨道交通基础知识100问》 2017.
[2]冯跃，叶鹏君，列车控制监控系统界面显示设计优化研究 2017.
[3]马凤伟，孟凡文 基于PLC和组态王的水闸监控系统[J].电子世界 2020年第1期
作者简介：黄伟（1982~），男 ，工程师 ，毕业于安徽工业大学，电气工程硕士，目前从事电气自动化方面的教学与研究。