呂志強 李杰 韓寧

摘要：PLC在工業(yè)控制領(lǐng)域被廣泛使用，具有性能可靠、控制簡便等特點。本文首先介紹內(nèi)燃機車的主要特點及其發(fā)展，簡述PLC技術(shù)，然后以某型內(nèi)燃機車為例，探討基于PLC優(yōu)化內(nèi)燃機車的邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計，主要包括PLC選型、I/O接線等硬件設(shè)計以及柴油機啟動，內(nèi)燃機車啟動控制程序等軟件設(shè)計，旨在實現(xiàn)更加高效可靠的內(nèi)燃機車控制。

Abstract： PLC is widely used in the field of industrial control and has the characteristics of reliable performance and easy control. This article first introduces the main characteristics and development of diesel locomotives， briefly describes PLC technology， and then takes a certain type of diesel locomotive as an example to discuss the design of logic control system optimization of diesel locomotives based on PLC， including PLC selection， I/O wiring and other hardware The design and software design of diesel engine start and diesel locomotive start control program are designed to achieve more efficient and reliable diesel locomotive control.

關(guān)鍵詞：PLC;內(nèi)燃機;邏輯控制;控制系統(tǒng)

Key words： PLC;internal combustion engine;logic control;control system

中圖分類號：U262 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）02-0011-03

0 ?引言

隨著社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機車交通運輸服務需求不斷增加，其運行速度和運行負荷大大增加，因此，對內(nèi)燃機車控制系統(tǒng)的要求也越來越高。然而，常規(guī)內(nèi)燃機車控制系統(tǒng)的電路不僅復雜，操作維護困難，而且控制觸點多，易發(fā)故障。如果持續(xù)大電流，電路很可能會燒壞，進而威脅到行車安全?；赑LC的內(nèi)燃機車邏輯控制系統(tǒng)電路更精簡，系統(tǒng)運行更穩(wěn)定，運維成本也更低。因此，有必要積極探討基于PLC的內(nèi)燃機車邏輯控制系統(tǒng)，有效提高內(nèi)燃機車控制效率。

1 ?內(nèi)燃機車特點及其發(fā)展趨勢

內(nèi)燃機車使用內(nèi)燃機作為動力來源，燃料在氣缸內(nèi)燃燒，將熱能轉(zhuǎn)化為機械能，借助傳動機構(gòu)驅(qū)動車輪。內(nèi)燃機車傳動機構(gòu)主要包括機械傳動、電力傳動、液壓傳動三種。1924年，蘇聯(lián)研制成功世界上第一臺內(nèi)燃機車并投入運行。同年，德國也研制出內(nèi)燃機車。次年，美國研制成功電動內(nèi)燃機車。二戰(zhàn)后，內(nèi)燃機車技術(shù)取得了飛速發(fā)展，其性能和制造技術(shù)水平大大提高，運力提升近一半。1950年代至1960年代，隨著高性能硅換向器的研制成功，內(nèi)燃機車的數(shù)量急劇增加。1970年代，電子技術(shù)被用于內(nèi)燃機車，使得其性能和可靠性不斷提高。當前，內(nèi)燃機車正逐步向智能化、自動化控制水平邁進，集成了很多自動控制和電氣工程領(lǐng)域的先進技術(shù)。

2 ?邏輯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

某類型內(nèi)燃機車的電路由主電路、接口電路、輔助電路、勵磁電路、控制電路構(gòu)成。用PLC控制替換現(xiàn)有的繼電器控制，以提高機車控制系統(tǒng)的可靠性。在基于PLC內(nèi)燃機車邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計中主要基于現(xiàn)有電路確定I/O點數(shù)量、確定PLC型號?；赑LC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 I/O點數(shù)確定

由于該型機車的輔助電路、勵磁電路、主電路已多次優(yōu)化，故在本次設(shè)計中保持不變。在控制電路中，控制輸入信號主要是基于包含在開關(guān)和電氣部分中的模擬信號，如液壓信號、曲軸箱壓力信號、油量信號等，通過將信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量，減少模擬量輸入模塊限制。同時，優(yōu)化電路設(shè)計，減少PLC輸入引腳，合理設(shè)計PLC程序，可以提高PLC運行效率。優(yōu)化后，大約需要60個輸入點。在控制輸出信號方面，主要涉及接觸器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器等30多個輸出端，但是繼電器可用PLC軟件繼電器實現(xiàn)，通過使用WJT無極控制變速器（Continuously Variable Speed Controller）控制步進電機，因此，輸出點可以精簡到22個。該型機車線圈電流通斷頻繁，啟動電壓達110V，應設(shè)置輸出模塊，通過PLC控制繼電器的方法確?？刂葡到y(tǒng)穩(wěn)定運行。

2.2 PLC型號選擇

在明確I/O點數(shù)以及系統(tǒng)基本要求的基礎(chǔ)上選擇合適的PLC型號?；谏鲜龇治?，本次設(shè)計的內(nèi)燃機車邏輯控制系統(tǒng)選用歐姆龍公司的CMP2A-60CDR-D型PLC。該型PLC包含36個輸入點、24個輸出點，可以擴展3個單元，每個單元的I/O點分別為12、8，可滿足系統(tǒng)需求，可以對繼電器進行高效控制。CP1E-N60DR-D型PLC的I/O模塊、CPU電源均為DC 24V，而內(nèi)燃機車額定控制電壓為DCI I0V，因此需要通過轉(zhuǎn)換器進行電壓轉(zhuǎn)換，將110 V DC 轉(zhuǎn)換為 24V DC。因為機車柴油機啟動過程中蓄電池電壓將降到40V。轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換范圍為50～140V，以有效確保邏輯控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。

3 ?邏輯控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 柴油機啟動控制

柴油機長時間停機的情況下應先進行甩車操作，以排出氣缸中的雜物。甩車之前，先打開3K開關(guān)，啟動機油泵電機進行潤滑。機油泵啟動后關(guān)閉4K開關(guān)，啟動燃油泵電機為柴油機加油。然后按下1QA啟動按鈕啟動柴油機，柴油機啟動控制流程如圖2所示。

3.2 內(nèi)燃機車啟動控制

當內(nèi)燃機車準備運行時，先控制輔助電路進行輔助發(fā)電、固定發(fā)電以及空壓機啟動等操作，然后將操縱桿移到所需位置（例如“前牽”），接通2K開關(guān)，將主手柄SK從“0”移到“1”，換向開關(guān)接通，此時內(nèi)燃機車啟動。內(nèi)燃機車控制流程如圖3所示。

先接通2K開關(guān)，接通繼電器線圈電源。然后接通1GK-6GK故障開關(guān)，并將其置于在執(zhí)行位。準備操作用來接通牽引電動機電路的電空接觸器1C-6C?？刂品较蜣D(zhuǎn)換操控手柄從“0”位置移動到“前牽”位置，SK2，SK3開關(guān)接通。此時觸點0010、1100均接通，牽引電空閥1HGg線圈通電，機車準備運行。將主手柄從“0”移到“l(fā)”并接通操作手柄SK7。機車沒有啟動，因此直流牽引電動機電空接觸器1C-6C沒有激活，此時輸出點20000、0103、00111、1101陸續(xù)接通，形成前進電空閥1HKf線圈回路，機車運行后，前進電空閥線圈1HKf仍持續(xù)通電。內(nèi)燃機車運行正常的情況下，勵磁機勵磁電路接觸器LLC線圈控制電路線圈通電，輸出點20001、1105-1202接通，1C-6C線圈通電，直流牽引電動機1D-6D電路接通，利用1GK-6GK設(shè)置故障位，切除故障電動機。如中間有電機因故障被切除，可利用相應的故障開關(guān)接通。因為輸出點20002、LLC線圈接通，輸出點1203接通，使勵磁接觸器LC線圈通電，勵磁電流驅(qū)動牽引發(fā)電機發(fā)電，直流牽引電動機1D-6D運行，內(nèi)容汽車完成啟動進入運行階段。

3.3 電氣保護電路控制

該型內(nèi)燃機車配套多項保護裝置，如盤車保護裝置、溫度保護裝置、過流保護裝置、空轉(zhuǎn)保護裝置、油壓保護裝置等，以有效確保柴油機及其他電氣設(shè)備的穩(wěn)定工作，進而有效保障機車安全運行。在基于PIC的邏輯控制系統(tǒng)中保留原有保護裝置，將保護裝置電路對應的觸點作為相互鎖定觸點融入PLC程序中。內(nèi)燃機車電氣保護梯形圖如圖4所示。

3.3.1 電阻制動

換向手柄在“制動”位時，括司機控制器SK1開關(guān)接通，輸出1103點接通，斷開制動電空閥2HGg，制動線圈通電。主手柄置于“1”位，勵磁機勵磁電路接觸器LLC線圈和勵磁接觸器LC線圈按照規(guī)定的順序執(zhí)行動作，1104、0204、00205、1103、1204接通，電阻制動接觸器ZC線圈通電，實現(xiàn)電阻制動。

3.3.2 故障勵磁

如果測速發(fā)電機CF發(fā)生故障，則接通故障勵磁開關(guān)9K，1104、0003、1101常閉，0201、1007導通，和1104并聯(lián)的常開觸點自動鎖定。打開繼電器GLFC線圈電源，斷開測速發(fā)電機電路，排除故障源。同時，0201、1006接通，固定發(fā)電接觸GFC線圈接通，開始固定發(fā)電。然后將主手柄抬至“l(fā)”位置為柴油機充電，從而可以保護電觸點并保持機車運行穩(wěn)定。此時1205接通，GLC線圈通電，啟動故障勵磁。在固定發(fā)電狀態(tài)下，勵磁機的勵磁電流由啟動發(fā)電機QF提供。

3.3.3 磁場削弱

閉合磁場削弱控制開關(guān)XKK，0206接通，1206接通，組合接觸器XC線圈通電，進入磁場削弱狀態(tài)。

3.3.4 接地和過流保護

當電流繼電器LJ或DJ線圈通電后，0202斷開，對應的勵磁機勵磁電路接觸器LLC線圈失電，直流牽引電動機電空接觸器1C-6C、勵磁接觸器LC依次失電。

3.3.5 盤車保護

輸入點0001中包含轉(zhuǎn)軸聯(lián)鎖盤車脫開ZLS常閉觸點。當盤車脫開時，ZLS常閉觸點閉合，此時起動柴油機接觸器線圈才能得電，柴油機啟動或甩車，從而保證柴油機的運行穩(wěn)定以及操作人員的安全。

3.3.6 牽引電機故障切除

如果牽引電機故障，可以通過故障開關(guān)1GK-6GK從主電路中切除故障電機從，從而保證內(nèi)燃機車的穩(wěn)定運行。

3.3.7 原有電路的繼電器

軟繼電器0003的作用類似原有電路路繼電器1ZJ，能有效確定機車啟動平穩(wěn)。軟繼電0004的作用類似原有電路的繼電器2ZJ，其輸入端位水溫繼電器或差動繼電器。當水溫超出安全范圍時，軟繼電器0004得電動作，以切斷勵磁機勵磁電路接觸器LLC線圈，使勵磁接觸器LC線圈失電，進而控制柴油機停止運行。軟繼電器0005的作用類似原有電路的繼電器3ZJ，其輸入端為油量開關(guān)，主要起到保護大負荷運轉(zhuǎn)時柴油機的潤滑油壓。軟繼電器0006的作用類似原有電路的繼電器4ZJ，輸入端為是曲軸箱差示壓力，主要起到柴油機防暴作用。

4 ?系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

內(nèi)燃機車的運行環(huán)境比較復雜，可能會受到各種因素的影響而干擾機車控制系統(tǒng)的正常運行，如內(nèi)燃機車的工作環(huán)境溫度、濕度、噪音等，如果不采取有效措施抗干擾就可能導致機車運行故障，甚至造成重大事故。因此，必須先明確控制系統(tǒng)的干擾來源，進而采取相應的抗干擾措施有效減少干擾，提高控制系統(tǒng)的可靠性。

4.1 干擾來源

4.1.1 系統(tǒng)開關(guān)動作時形成的干擾

內(nèi)燃機車控制系統(tǒng)中包含許多開關(guān)和觸點，例如輸入端的開關(guān)、換檔開關(guān)、調(diào)速手輪開關(guān)等。開關(guān)、觸點在斷開、閉合時存在彈性振動，可能會形成持續(xù)幾毫秒的開路電壓，產(chǎn)生電流脈沖，對內(nèi)燃機車的數(shù)字電路和電子設(shè)備形成較大干擾。

4.1.2 繼電器、接觸器線圈動作時形成的干擾

繼電器在內(nèi)燃機車控制系統(tǒng)中的應用非常廣泛，主要包括控制繼電器、保護繼電器兩類。前者的作用是實現(xiàn)各電路的轉(zhuǎn)換，后者的主要作用是檢測機車故障，確保機車安全運行。機車運行過程中，接觸器需要頻繁斷開和連接主回路和輔助回路，形成較大的通斷電流。斷開線圈時形成浪涌電壓，這對電子設(shè)備的干擾很大。

4.1.3 直流牽引電機換向形成的干擾

內(nèi)燃機車直流牽引電機工作時可能會因為振動、磁場削弱、電流變換幅度過大等原因形成電磁火花。而且牽引電機懸掛在機車車身下方，隨著軌道顛簸，換向器和電刷在振動作用下可能松動，進而影響換向器和電刷之間的滑動接觸，進而導致機械火花的產(chǎn)生，電磁火花對電子設(shè)備運行穩(wěn)定影響較大。

4.1.4 控制電路供電電源形成的干擾

在柴油機啟動前，內(nèi)燃機車控制器由蓄電池供電。同時，電池還為機車起動機、起動機油泵電機和燃油泵電機等輔助設(shè)備供電。開啟或關(guān)閉這些裝置，尤其是柴油機啟動時，會顯著降低機車蓄電池的輸出電壓，降低控制系統(tǒng)的可靠性。

4.2 抗干擾設(shè)計

①對于機車繼電器和電磁閥線圈斷電時產(chǎn)生的浪涌電壓，可以在繼電器、電磁閥和其他線圈兩端并聯(lián)浪涌電壓吸收器，采取二極管、電容、壓敏電阻等多種裝置有效吸收浪涌電壓。例如，可以用壓敏電阻吸收ns級別的浪涌電壓。②內(nèi)燃機車電源可采用DC/DC升壓濾波方式，可有效地防止因電源波動而導致的控制系統(tǒng)故障。DC/DC升壓濾波模塊不僅可以為控制系統(tǒng)供電，還可以為微機系統(tǒng)供電，使其更加安全。③內(nèi)燃機車正常運行時，機車大部分設(shè)備由輔助發(fā)電機供電，部分設(shè)備由蓄電池供電，單獨與蓄電池相連。減少蓄電池供電的設(shè)備可以減少用電設(shè)備之間的干擾，電池電壓比較穩(wěn)定，可以消減電磁干擾。

5 ?結(jié)語

綜上所述，隨著中國鐵路運輸裝備的逐步現(xiàn)代化，推進內(nèi)燃機車的新技術(shù)創(chuàng)新是必然趨勢。傳統(tǒng)的繼電器邏輯控制方法聯(lián)鎖控制觸點太多，接線復雜，控制電路復雜，可靠性差，維護麻煩?；诖耍疚尼槍δ承蛢?nèi)燃機車采用可編程邏輯控制器（PLC）開發(fā)了機車邏輯控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)非常便攜，可用于修改現(xiàn)有內(nèi)燃機車的控制邏輯。也可作為內(nèi)燃機車邏輯控制的學習實驗平臺，充分利用機車原有的設(shè)備和運行方式，簡化操作，方便改裝，提高機車的可靠性，獲得優(yōu)良的經(jīng)濟效益。

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作者簡介：呂志強（1971-），男，北京人，北京電子科技職業(yè)學院講師，本科，研究方向為汽車電控、車聯(lián)網(wǎng);李杰（1964-），男，北京人，北京電子科技職業(yè)學院副教授，本科，研究方向為汽車企業(yè)運營與管理、汽車配件、保險;韓寧（1987-），男，山東德州人，天津中凱華科技有限公司總經(jīng)理，本科，研究方向為汽車營銷、新能源專業(yè)及智能網(wǎng)聯(lián)專業(yè)“崗課賽證”融通、汽車企業(yè)運營與管理。