王宏亮 王雙林 周鴻亮

摘要：內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制自動(dòng)化在現(xiàn)代軌道交通中有著極其廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)電氣控制系統(tǒng)的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)于改善內(nèi)燃機(jī)車(chē)的工作性質(zhì)、車(chē)行動(dòng)力、控制功能等有著重要的促進(jìn)作用。本文主要分為四大部分。第一部分為內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)相關(guān)的介紹;第二部分分析了內(nèi)燃機(jī)電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);第三部分探討了基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的PLC控制系統(tǒng);第四部分內(nèi)燃機(jī)車(chē)電器控制系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用。通過(guò)探討PLC控制系統(tǒng)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)，來(lái)為內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一些參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車(chē);電氣控制系統(tǒng);應(yīng)用;PLC

0? 引言

20世紀(jì)80年代，我國(guó)從德國(guó)進(jìn)口內(nèi)燃機(jī)。隨著國(guó)內(nèi)內(nèi)燃機(jī)使用需求量不斷上升，同時(shí)之前進(jìn)口的內(nèi)燃機(jī)因使用時(shí)間較久，維修需要的配件較多，而國(guó)內(nèi)修配件內(nèi)需不足，因此我國(guó)從1958年開(kāi)始制造內(nèi)燃機(jī)。國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)最先有東風(fēng)型三種。隨著國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車(chē)的型號(hào)越來(lái)越多，內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)也在不斷的優(yōu)化。目前，國(guó)產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)應(yīng)用可編程控制器進(jìn)行在線編輯。可編程控制器的應(yīng)用使得電氣控制系統(tǒng)的操作和管理都變得更加的便捷?；谟?jì)算機(jī)技術(shù)的PLC控制技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于內(nèi)燃機(jī)電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化提供了更多的途徑和可能。研究?jī)?nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)于改善我國(guó)內(nèi)燃機(jī)車(chē)機(jī)械性能、優(yōu)化系統(tǒng)功能有著重要的意義?；诖?，本文研究該課題。

1? 相關(guān)介紹

1.1 可編程控制器

可編程控制器簡(jiǎn)稱(chēng)PLC，是一種高級(jí)的系統(tǒng)編程控制器，具有編程操作靈活便捷、系統(tǒng)可靠性高、價(jià)格適中、性價(jià)比高的優(yōu)勢(shì)。目前廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)備的系統(tǒng)控制及編程。內(nèi)燃機(jī)車(chē)結(jié)構(gòu)繁雜，內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)控制的項(xiàng)目及內(nèi)容較多，需要替代繼電器、余熱鍋爐自控器及其他接觸器完成機(jī)車(chē)的一整套工作，因此系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。利用可編程控制器對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程編程和優(yōu)化，對(duì)于改善機(jī)車(chē)內(nèi)燃機(jī)的系統(tǒng)性能有著重要的作用。

1.2 PLC電氣控制系統(tǒng)

1.2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

PLC具有抗干擾性強(qiáng)、操作靈活、適應(yīng)性和穩(wěn)定性好的技術(shù)特點(diǎn)，這也是PLC之所以能夠成為內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的原因。應(yīng)用PLC可以實(shí)現(xiàn)對(duì)于內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的功能的延展，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)工作的可靠性、安全性，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及線路設(shè)計(jì)，從而方便系統(tǒng)安全、調(diào)試和檢修。

1.2.2 硬件構(gòu)成

PLC由中央處理器、輸入口接口、通訊接口、可擴(kuò)展接口、智能接口、存儲(chǔ)器、智能單元等硬件構(gòu)成。

1.2.3 性能指標(biāo)

PLC的性能指標(biāo)包括存儲(chǔ)容量、輸入/出點(diǎn)數(shù)、掃描速度、智能單元的數(shù)量、擴(kuò)展能力等。

1.2.4 編程語(yǔ)言

PLC常用指令表、狀態(tài)流程圖、梯形圖等語(yǔ)言進(jìn)行系統(tǒng)編程。多種語(yǔ)言的應(yīng)用于配合為PLC電氣控制系統(tǒng)的程序的表達(dá)提供了方便，同時(shí)也為系統(tǒng)屬性和功能的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了更多的可能。

2? 基于內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的硬件主要包括主機(jī)板、接口板、單片機(jī)鍵盤(pán)、IC卡接口板、現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)接口板構(gòu)成。這些硬件分別負(fù)責(zé)內(nèi)燃機(jī)電氣控制系統(tǒng)的信號(hào)輸入輸出、線路連接、通訊連接等，對(duì)應(yīng)程序得到CPU系統(tǒng)、輸入輸出系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等。程序硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要在CPU板上配置FDD驅(qū)動(dòng)控制器、LCD顯示接口、IDE硬盤(pán)控制器、CRT顯示接口、PS2鍵盤(pán)接口、RS232C串行口、以太網(wǎng)接口、PC104擴(kuò)展總線?？偨Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為四層，使用狀態(tài)流程圖設(shè)定系統(tǒng)總框架，再利用指令表語(yǔ)言對(duì)系統(tǒng)屬性進(jìn)行細(xì)化。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圍繞主機(jī)與操控系統(tǒng)、控制電源、編程器、功能隔離電路、主電源線路、執(zhí)行線路之間創(chuàng)建連接PLC與主機(jī)直接相連，通過(guò)對(duì)主機(jī)編程來(lái)調(diào)控其他硬件系統(tǒng)屬性和功能，改善系統(tǒng)的綜合性能。

2.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵主要包括控制程序、人機(jī)界面兩大部分。其中控制程序的設(shè)計(jì)主要有六大板塊的內(nèi)容，包括發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制程序;機(jī)車(chē)牽引工況控制程序;液壓系統(tǒng)控制程序;智能控制程序;CAN通訊控制程序與功率匹配控制程序。主要應(yīng)用梯形圖語(yǔ)言來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的主框架，最后再利用指令表語(yǔ)言對(duì)程序內(nèi)容進(jìn)行填充，豐富程序的表達(dá)。

例如PLC通過(guò)主機(jī)向發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)送指令語(yǔ)言，發(fā)動(dòng)機(jī)程序接到指令后向硬件輸出功率信號(hào)，從而調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)泵的公路參數(shù)。發(fā)動(dòng)機(jī)速度的調(diào)整也與上述功率參數(shù)的調(diào)整類(lèi)似。人機(jī)界面的設(shè)計(jì)包括主監(jiān)控頁(yè)面、IO檢測(cè)截面、狀態(tài)檢測(cè)截面、故障管理截面四部分。人機(jī)界面程度設(shè)計(jì)主要采用狀態(tài)流程圖語(yǔ)言和指令表語(yǔ)言編程。狀態(tài)語(yǔ)言作為截面狀態(tài)結(jié)構(gòu)的主要語(yǔ)言，設(shè)定不同的故障顯示狀態(tài)框架，在用指令表語(yǔ)言對(duì)狀態(tài)細(xì)化表達(dá)。如主機(jī)頁(yè)面顯示發(fā)動(dòng)機(jī)故障，截面狀態(tài)設(shè)計(jì)故障和正常兩種狀態(tài)表達(dá)，故障狀態(tài)的表達(dá)標(biāo)記為顯示截面顯示紅色，正常狀態(tài)的表達(dá)標(biāo)記為顯示截面的綠色。故障狀態(tài)下利用指令表語(yǔ)言編程報(bào)警程序，即紅色閃爍，啟動(dòng)紅色閃動(dòng)程序即為故障報(bào)警的表達(dá)。

3? 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的PLC控制系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

基于PLC的內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3.2 電路設(shè)計(jì)及優(yōu)化

從圖1中可以看出，該系統(tǒng)的每一層接口之間為雙向的連接。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的雙向連接需要設(shè)計(jì)輸入輸出回路主機(jī)與基本單元、擴(kuò)展單元之間通過(guò)輸入輸出電路連接，在擴(kuò)展單元內(nèi)部在設(shè)計(jì)一個(gè)基本單元插座，就可以將擴(kuò)展出更多的電路連接接口，從而為設(shè)計(jì)二級(jí)管理提供了接口保障。二級(jí)線路管理的設(shè)計(jì)有助于進(jìn)一步提高線路運(yùn)行過(guò)程中的可靠性。

3.3 硬件線路設(shè)計(jì)

硬軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)好后要進(jìn)行程序調(diào)試。機(jī)車(chē)內(nèi)探機(jī)電氣控制系統(tǒng)硬件線路相對(duì)繁雜。為了確保程序運(yùn)行的可靠性，建議在PLC控制電路中設(shè)計(jì)連鎖關(guān)系，連鎖關(guān)系的設(shè)計(jì)主要借助梯形圖語(yǔ)言和指令表語(yǔ)言進(jìn)行設(shè)計(jì)。主電路需要設(shè)計(jì)四個(gè)固定的繼電器。所有的繼電器固定在同一塊電路板上，為電路板設(shè)計(jì)四組輸出線路和1個(gè)1A保險(xiǎn)。四個(gè)繼電器公用一個(gè)保險(xiǎn)。主電路之下設(shè)計(jì)二級(jí)管。二極管線路的設(shè)計(jì)是為了方便故障的檢修。二級(jí)管線路從主線路分級(jí)出來(lái)，線路連接簡(jiǎn)化，因此有助于清晰直觀的觀察線路故障。

4? 內(nèi)燃機(jī)車(chē)電器控制系統(tǒng)的優(yōu)化應(yīng)用及效果

應(yīng)用可編程控制器優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣系統(tǒng)，將I/O通道分配為內(nèi)、外兩個(gè)通道、外部通道設(shè)計(jì)為輸入、輸出通道，用于與其他機(jī)械設(shè)備連接和溝通，內(nèi)部通道設(shè)置繼電器來(lái)取代過(guò)去有觸點(diǎn)控制的方式。通道號(hào)編碼為十三進(jìn)制數(shù)字。改變通道地址時(shí)給十三進(jìn)制數(shù)字增加兩位十進(jìn)制數(shù)字即可。PLC內(nèi)燃機(jī)電氣控制系統(tǒng)的控制過(guò)程應(yīng)用梯形圖指令來(lái)編碼。控制系統(tǒng)的按鈕、轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)、板鍵開(kāi)關(guān)等都與電氣控制系統(tǒng)指令設(shè)計(jì)保持統(tǒng)一，編程為雙重控制功能。

應(yīng)用PLC對(duì)內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)后，內(nèi)燃機(jī)車(chē)打滑滑油功能、柴油機(jī)甩車(chē)功能、燃油供給功能、柴油機(jī)啟動(dòng)功能、固定發(fā)電功能、壓縮機(jī)功能、內(nèi)燃機(jī)車(chē)啟動(dòng)功能等都得到了改善，內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)的綜合控制能力更加協(xié)調(diào)。由于控制系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性更好，內(nèi)燃機(jī)運(yùn)作狀態(tài)更加穩(wěn)定可靠，減少了機(jī)械運(yùn)作過(guò)程中的零部件損壞和線路故障。同時(shí)雙重控制的設(shè)計(jì)為內(nèi)燃機(jī)車(chē)運(yùn)行狀態(tài)下對(duì)LUC的轉(zhuǎn)換為動(dòng)態(tài)性完成牽引工作提供了方便。

5? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，基于PLC的內(nèi)燃機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)具有系統(tǒng)優(yōu)化的功能。通過(guò)編程對(duì)系統(tǒng)不足之處進(jìn)行改進(jìn)，不斷嘗試性的調(diào)整機(jī)械設(shè)備的機(jī)械性能，有助于減少系統(tǒng)的故障引起的設(shè)備磨損等情況，從而保護(hù)機(jī)械設(shè)備，延長(zhǎng)機(jī)車(chē)的適用壽命。同時(shí)，基于PLC的內(nèi)燃機(jī)電氣控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上線路較為簡(jiǎn)潔，控制系統(tǒng)維護(hù)方便，故障排查效率高，這對(duì)于降低內(nèi)燃機(jī)車(chē)設(shè)備的維修成本有著重要的意義?；赑LC控制系統(tǒng)對(duì)于基礎(chǔ)系統(tǒng)性能和功能的優(yōu)化，我建議企業(yè)引進(jìn)PLC控制系統(tǒng)，并推廣可編程控制器的應(yīng)用。

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