分类：电子论文 时间：2022-01-19 热度：702
摘要院PLC 在工业控制领域被广泛使用，具有性能可靠、控制简便等特点。本文首先介绍内燃机车的主要特点及其发展，简述 PLC 技术，然后以某型内燃机车为例，探讨基于 PLC 优化内燃机车的逻辑控制系统设计，主要包括 PLC 选型、I/O 接线等硬件设计以及柴油机启动，内燃机车启动控制程序等软件设计，旨在实现更加高效可靠的内燃机车控制。
关键词院PLC;内燃机;逻辑控制;控制系统
0 引言
随着社会经济的不断发展，内燃机车交通运输服务需求不断增加，其运行速度和运行负荷大大增加，因此，对内燃机车控制系统的要求也越来越高。然而，常规内燃机车控制系统的电路不仅复杂，操作维护困难，而且控制触点多，易发故障。如果持续大电流，电路很可能会烧坏，进而威胁到行车安全。基于 PLC 的内燃机车逻辑控制系统电路更精简，系统运行更稳定，运维成本也更低。因此，有必要积极探讨基于 PLC 的内燃机车逻辑控制系统，有效提高内燃机车控制效率。
1 内燃机车特点及其发展趋势
内燃机车使用内燃机作为动力来源，燃料在气缸内燃烧，将热能转化为机械能，借助传动机构驱动车轮。内燃机车传动机构主要包括机械传动、电力传动、液压传动三种。 1924 年，苏联研制成功世界上第一台内燃机车并投入运行。同年，德国也研制出内燃机车。次年，美国研制成功电动内燃机车。二战后，内燃机车技术取得了飞速发展，其性能和制造技术水平大大提高，运力提升近一半。1950 年代至 1960 年代，随着高性能硅换向器的研制成功，内燃机车的数量急剧增加。1970 年代，电子技术被用于内燃机车，使得其性能和可靠性不断提高。当前，内燃机车正逐步向智能化、自动化控制水平迈进，集成了很多自动控制和电气工程领域的先进技术。
2 逻辑控制系统硬件设计
某类型内燃机车的电路由主电路、接口电路、辅助电路、励磁电路、控制电路构成。用 PLC 控制替换现有的继电器控制，以提高机车控制系统的可靠性。在基于 PLC 内燃机车逻辑控制系统设计中主要基于现有电路确定 I/O 点数量、确定 PLC 型号。基于 PLC 的控制系统结构如图 1 所示。
2.1 I/O 点数确定
由于该型机车的辅助电路、励磁电路、主电路已多次优化，故在本次设计中保持不变。在控制电路中，控制输入信号主要是基于包含在开关和电气部分中的模拟信号，如液压信号、曲轴箱压力信号、油量信号等，通过将信号转换为开关量，减少模拟量输入模块限制。同时，优化电路设计，减少 PLC 输入引脚，合理设计 PLC 程序，可以提高 PLC 运行效率。优化后，大约需要 60 个输入点。在控制输出信号方面，主要涉及接触器、转换开关、继电器等 30 多个输出端，但是继电器可用 PLC 软件继电器实现，通过使用 WJT 无极控制 变 速 器 (Continuously Variable Speed Controller)控制步进电机，因此，输出点可以精简到 22 个。该型机车线圈电流通断频繁，启动电压达 110V，应设置输出模块，通过 PLC 控制继电器的方法确保控制系统稳定运行。
2.2 PLC 型号选择
在明确 I/O 点数以及系统基本要求的基础上选择合适的 PLC 型号。基于上述分析，本次设计的内燃机车逻辑控制系统选用欧姆龙公司的 CMP2A-60CDR-D 型 PLC。该型 PLC 包含 36 个输入点、24 个输出点，可以扩展 3 个单元，每个单元的 I/O 点分别为 12、8，可满足系统需求，可以对继电器进行高效控制。CP1E-N60DR-D 型 PLC 的 I/O 模块、CPU 电源均为 DC 24V，而内燃机车额定控制电压为 DCI I0V，因此需要通过转换器进行电压转换，将 110 V DC 转换为 24V DC。因为机车柴油机启动过程中蓄电池电压将降到 40V。转换器的转换范围为 50耀140V，以有效确保逻辑控制系统的稳定运行。
3 逻辑控制系统软件设计
3.1 柴油机启动控制
柴油机长时间停机的情况下应先进行甩车操作，以排出气缸中的杂物。甩车之前，先打开 3K 开关，启动机油泵电机进行润滑。机油泵启动后关闭 4K 开关，启动燃油泵电机为柴油机加油。然后按下 1QA 启动按钮启动柴油机，柴油机启动控制流程如图 2 所示。
3.2 内燃机车启动控制
当内燃机车准备运行时，先控制辅助电路进行辅助发电、固定发电以及空压机启动等操作，然后将操纵杆移到所需位置(例如“前牵”)，接通 2K 开关，将主手柄 SK 从 “0”移到“1”，换向开关接通，此时内燃机车启动。内燃机车控制流程如图 3 所示。
先接通 2K 开关，接通继电器线圈电源。然后接通1GK-6GK 故障开关，并将其置于在执行位。准备操作用来接通牵引电动机电路的电空接触器 1C-6C。控制方向转换操控手柄从“0”位置移动到“前牵”位置，SK2，SK3 开关接通。此时触点 0010、1100 均接通，牵引电空阀 1HGg 线圈通电，机车准备运行。将主手柄从 “0”移到“l”并接通操作手柄 SK7。机车没有启动，因此直流牵引电动机电空接触器 1C-6C 没有激活，此时输出点 20000、0103、00111、1101 陆续接通，形成前进电空阀 1HKf 线圈回路，机车运行后，前进电空阀线圈 1HKf 仍持续通电。内燃机车运行正常的情况下，励磁机励磁电路接触器 LLC 线圈控制电路线圈通电，输出点 20001、1105-1202 接通，1C-6C 线圈通电，直流牵引电动机 1D-6D 电路接通，利用 1GK-6GK 设置故障位，切除故障电动机。如中间有电机因故障被切除，可利用相应的故障开关接通。因为输出点 20002、LLC 线圈接通，输出点 1203 接通，使励磁接触器 LC 线圈通电，励磁电流驱动牵引发电机发电，直流牵引电动机 1D-6D 运行，内容汽车完成启动进入运行阶段。
3.3 电气保护电路控制
该型内燃机车配套多项保护装置，如盘车保护装置、温度保护装置、过流保护装置、空转保护装置、油压保护装置等，以有效确保柴油机及其他电气设备的稳定工作，进而有效保障机车安全运行。在基于 PIC 的逻辑控制系统中保留原有保护装置，将保护装置电路对应的触点作为相互锁定触点融入 PLC 程序中。内燃机车电气保护梯形图如图 4 所示。
3.3.1 电阻制动换向
手柄在“制动”位时，括司机控制器 SK1 开关接通，输出 1103 点接通，断开制动电空阀 2HGg，制动线圈通电。主手柄置于“1”位，励磁机励磁电路接触器 LLC 线圈和励磁接触器 LC 线圈按照规定的顺序执行动作，1104、 0204、00205、1103、1204 接通，电阻制动接触器 ZC 线圈通电，实现电阻制动。
3.3.2 故障励磁
如果测速发电机 CF 发生故障，则接通故障励磁开关 9K，1104、0003、1101 常闭，0201、1007 导通，和 1104 并联的常开触点自动锁定。打开继电器 GLFC 线圈电源，断开测速发电机电路，排除故障源。同时，0201、1006 接通，固定发电接触 GFC 线圈接通，开始固定发电。然后将主手柄抬至“l”位置为柴油机充电，从而可以保护电触点并保持机车运行稳定。此时 1205 接通，GLC 线圈通电，启动故障励磁。在固定发电状态下，励磁机的励磁电流由启动发电机 QF 提供。
3.3.3 磁场削弱
闭合磁场削弱控制开关 XKK，0206 接通，1206 接通，组合接触器 XC 线圈通电，进入磁场削弱状态。 3.3.4 接地和过流保护当电流继电器 LJ 或 DJ 线圈通电后，0202 断开，对应的励磁机励磁电路接触器 LLC 线圈失电，直流牵引电动机电空接触器 1C-6C、励磁接触器 LC 依次失电。
3.3.5 盘车保护
输入点 0001 中包含转轴联锁盘车脱开 ZLS 常闭触点。当盘车脱开时，ZLS 常闭触点闭合，此时起动柴油机接触器线圈才能得电，柴油机启动或甩车，从而保证柴油机的运行稳定以及操作人员的安全。
3.3.6 牵引电机故障切除
如果牵引电机故障，可以通过故障开关 1GK-6GK 从主电路中切除故障电机从，从而保证内燃机车的稳定运行。
3.3.7 原有电路的继电器
软继电器 0003 的作用类似原有电路路继电器 1ZJ，能有效确定机车启动平稳。软继电 0004 的作用类似原有电路的继电器 2ZJ，其输入端位水温继电器或差动继电器。当水温超出安全范围时，软继电器 0004 得电动作，以切断励磁机励磁电路接触器 LLC 线圈，使励磁接触器 LC 线圈失电，进而控制柴油机停止运行。软继电器 0005 的作用类似原有电路的继电器 3ZJ，其输入端为油量开关，主要起到保护大负荷运转时柴油机的润滑油压。软继电器 0006 的作用类似原有电路的继电器 4ZJ，输入端为是曲轴箱差示压力，主要起到柴油机防暴作用。 4 系统抗干扰技术内燃机车的运行环境比较复杂，可能会受到各种因素的影响而干扰机车控制系统的正常运行，如内燃机车的工作环境温度、湿度、噪音等，如果不采取有效措施抗干扰就可能导致机车运行故障，甚至造成重大事故。因此，必须先明确控制系统的干扰来源，进而采取相应的抗干扰措施有效减少干扰，提高控制系统的可靠性。
4.1 干扰来源
4.1.1 系统开关动作时形成的干扰
内燃机车控制系统中包含许多开关和触点，例如输入端的开关、换档开关、调速手轮开关等。开关、触点在断开、闭合时存在弹性振动，可能会形成持续几毫秒的开路电压，产生电流脉冲，对内燃机车的数字电路和电子设备形成较大干扰。
4.1.2 继电器、接触器线圈动作时形成的干扰
继电器在内燃机车控制系统中的应用非常广泛，主要包括控制继电器、保护继电器两类。前者的作用是实现各电路的转换，后者的主要作用是检测机车故障，确保机车安全运行。机车运行过程中，接触器需要频繁断开和连接主回路和辅助回路，形成较大的通断电流。断开线圈时形成浪涌电压，这对电子设备的干扰很大。
4.1.3 直流牵引电机换向形成的干扰
内燃机车直流牵引电机工作时可能会因为振动、磁场削弱、电流变换幅度过大等原因形成电磁火花。而且牵引电机悬挂在机车车身下方，随着轨道颠簸，换向器和电刷在振动作用下可能松动，进而影响换向器和电刷之间的滑动接触，进而导致机械火花的产生，电磁火花对电子设备运行稳定影响较大。
4.1.4 控制电路供电电源形成的干扰
在柴油机启动前，内燃机车控制器由蓄电池供电。同时，电池还为机车起动机、起动机油泵电机和燃油泵电机等辅助设备供电。开启或关闭这些装置，尤其是柴油机启动时，会显着降低机车蓄电池的输出电压，降低控制系统的可靠性。
4.2 抗干扰设计
淤对于机车继电器和电磁阀线圈断电时产生的浪涌电压，可以在继电器、电磁阀和其他线圈两端并联浪涌电压吸收器，采取二极管、电容、压敏电阻等多种装置有效吸收浪涌电压。例如，可以用压敏电阻吸收 ns 级别的浪涌电压。于内燃机车电源可采用 DC/DC 升压滤波方式，可有效地防止因电源波动而导致的控制系统故障。DC/DC 升压滤波模块不仅可以为控制系统供电，还可以为微机系统供电，使其更加安全。盂内燃机车正常运行时，机车大部分设备由辅助发电机供电，部分设备由蓄电池供电，单独与蓄电池相连。减少蓄电池供电的设备可以减少用电设备之间的干扰，电池电压比较稳定，可以消减电磁干扰。
5 结语
综上所述，随着中国铁路运输装备的逐步现代化，推进内燃机车的新技术创新是必然趋势。传统的继电器逻辑控制方法联锁控制触点太多，接线复杂，控制电路复杂，可靠性差，维护麻烦。基于此，本文针对某型内燃机车采用可编程逻辑控制器(PLC)开发了机车逻辑控制系统。该系统非常便携，可用于修改现有内燃机车的控制逻辑。也可作为内燃机车逻辑控制的学习实验平台，充分利用机车原有的设备和运行方式，简化操作，方便改装，提高机车的可靠性，获得优良的经济效益。——论文作者：吕志强淤 LV Zhi-qiang曰李杰淤 LI Jie曰韩宁于 HAN Ning
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文章名称：基于 PLC 的内燃机车逻辑控制系统研究
