基于PLC的內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制系統(tǒng)研究

呂志強(qiáng) 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(diǎn)。本文首先介紹內(nèi)燃機(jī)車的主要特點(diǎn)及其發(fā)展，簡述PLC技術(shù)，然后以某型內(nèi)燃機(jī)車為例，探討基于PLC優(yōu)化內(nèi)燃機(jī)車的邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主要包括PLC選型、I/O接線等硬件設(shè)計(jì)以及柴油機(jī)啟動(dòng)，內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)控制程序等軟件設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)更加高效可靠的內(nèi)燃機(jī)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(jī);邏輯控制;控制系統(tǒng)

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

中圖分類號(hào)：U262 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0011-03

0 ?引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，內(nèi)燃機(jī)車交通運(yùn)輸服務(wù)需求不斷增加，其運(yùn)行速度和運(yùn)行負(fù)荷大大增加，因此，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)的要求也越來越高。然而，常規(guī)內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)的電路不僅復(fù)雜，操作維護(hù)困難，而且控制觸點(diǎn)多，易發(fā)故障。如果持續(xù)大電流，電路很可能會(huì)燒壞，進(jìn)而威脅到行車安全?；赑LC的內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制系統(tǒng)電路更精簡，系統(tǒng)運(yùn)行更穩(wěn)定，運(yùn)維成本也更低。因此，有必要積極探討基于PLC的內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制系統(tǒng)，有效提高內(nèi)燃機(jī)車控制效率。

1 ?內(nèi)燃機(jī)車特點(diǎn)及其發(fā)展趨勢

內(nèi)燃機(jī)車使用內(nèi)燃機(jī)作為動(dòng)力來源，燃料在氣缸內(nèi)燃燒，將熱能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，借助傳動(dòng)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)車輪。內(nèi)燃機(jī)車傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要包括機(jī)械傳動(dòng)、電力傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)三種。1924年，蘇聯(lián)研制成功世界上第一臺(tái)內(nèi)燃機(jī)車并投入運(yùn)行。同年，德國也研制出內(nèi)燃機(jī)車。次年，美國研制成功電動(dòng)內(nèi)燃機(jī)車。二戰(zhàn)后，內(nèi)燃機(jī)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(yùn)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(jī)車的數(shù)量急劇增加。1970年代，電子技術(shù)被用于內(nèi)燃機(jī)車，使得其性能和可靠性不斷提高。當(dāng)前，內(nèi)燃機(jī)車正逐步向智能化、自動(dòng)化控制水平邁進(jìn)，集成了很多自動(dòng)控制和電氣工程領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù)。

2 ?邏輯控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

某類型內(nèi)燃機(jī)車的電路由主電路、接口電路、輔助電路、勵(lì)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(jī)車控制系統(tǒng)的可靠性。在基于PLC內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中主要基于現(xiàn)有電路確定I/O點(diǎn)數(shù)量、確定PLC型號(hào)。基于PLC的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 I/O點(diǎn)數(shù)確定

由于該型機(jī)車的輔助電路、勵(lì)磁電路、主電路已多次優(yōu)化，故在本次設(shè)計(jì)中保持不變。在控制電路中，控制輸入信號(hào)主要是基于包含在開關(guān)和電氣部分中的模擬信號(hào)，如液壓信號(hào)、曲軸箱壓力信號(hào)、油量信號(hào)等，通過將信號(hào)轉(zhuǎn)換為開關(guān)量，減少模擬量輸入模塊限制。同時(shí)，優(yōu)化電路設(shè)計(jì)，減少PLC輸入引腳，合理設(shè)計(jì)PLC程序，可以提高PLC運(yùn)行效率。優(yōu)化后，大約需要60個(gè)輸入點(diǎn)。在控制輸出信號(hào)方面，主要涉及接觸器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、繼電器等30多個(gè)輸出端，但是繼電器可用PLC軟件繼電器實(shí)現(xiàn)，通過使用WJT無極控制變速器（Continuously Variable Speed Controller）控制步進(jìn)電機(jī)，因此，輸出點(diǎn)可以精簡到22個(gè)。該型機(jī)車線圈電流通斷頻繁，啟動(dòng)電壓達(dá)110V，應(yīng)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(yùn)行。

2.2 PLC型號(hào)選擇

在明確I/O點(diǎn)數(shù)以及系統(tǒng)基本要求的基礎(chǔ)上選擇合適的PLC型號(hào)。基于上述分析，本次設(shè)計(jì)的內(nèi)燃機(jī)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(gè)輸入點(diǎn)、24個(gè)輸出點(diǎn)，可以擴(kuò)展3個(gè)單元，每個(gè)單元的I/O點(diǎn)分別為12、8，可滿足系統(tǒng)需求，可以對(duì)繼電器進(jìn)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(jī)車額定控制電壓為DCI I0V，因此需要通過轉(zhuǎn)換器進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換，將110 V DC 轉(zhuǎn)換為 24V DC。因?yàn)闄C(jī)車柴油機(jī)啟動(dòng)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(yùn)行。

3 ?邏輯控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 柴油機(jī)啟動(dòng)控制

柴油機(jī)長時(shí)間停機(jī)的情況下應(yīng)先進(jìn)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(dòng)機(jī)油泵電機(jī)進(jìn)行潤滑。機(jī)油泵啟動(dòng)后關(guān)閉4K開關(guān)，啟動(dòng)燃油泵電機(jī)為柴油機(jī)加油。然后按下1QA啟動(dòng)按鈕啟動(dòng)柴油機(jī)，柴油機(jī)啟動(dòng)控制流程如圖2所示。

3.2 內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)控制

當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車準(zhǔn)備運(yùn)行時(shí)，先控制輔助電路進(jìn)行輔助發(fā)電、固定發(fā)電以及空壓機(jī)啟動(dòng)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(shí)內(nèi)燃機(jī)車啟動(dòng)。內(nèi)燃機(jī)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(zhǔn)備操作用來接通牽引電動(dòng)機(jī)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(dòng)到“前牽”位置，SK2，SK3開關(guān)接通。此時(shí)觸點(diǎn)0010、1100均接通，牽引電空閥1HGg線圈通電，機(jī)車準(zhǔn)備運(yùn)行。將主手柄從“0”移到“l(fā)”并接通操作手柄SK7。機(jī)車沒有啟動(dòng)，因此直流牽引電動(dòng)機(jī)電空接觸器1C-6C沒有激活，此時(shí)輸出點(diǎn)20000、0103、00111、1101陸續(xù)接通，形成前進(jìn)電空閥1HKf線圈回路，機(jī)車運(yùn)行后，前進(jìn)電空閥線圈1HKf仍持續(xù)通電。內(nèi)燃機(jī)車運(yùn)行正常的情況下，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電路接觸器LLC線圈控制電路線圈通電，輸出點(diǎn)20001、1105-1202接通，1C-6C線圈通電，直流牽引電動(dòng)機(jī)1D-6D電路接通，利用1GK-6GK設(shè)置故障位，切除故障電動(dòng)機(jī)。如中間有電機(jī)因故障被切除，可利用相應(yīng)的故障開關(guān)接通。因?yàn)檩敵鳇c(diǎn)20002、LLC線圈接通，輸出點(diǎn)1203接通，使勵(lì)磁接觸器LC線圈通電，勵(lì)磁電流驅(qū)動(dòng)牽引發(fā)電機(jī)發(fā)電，直流牽引電動(dòng)機(jī)1D-6D運(yùn)行，內(nèi)容汽車完成啟動(dòng)進(jìn)入運(yùn)行階段。

3.3 電氣保護(hù)電路控制

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

3.3.1 電阻制動(dòng)

換向手柄在“制動(dòng)”位時(shí)，括司機(jī)控制器SK1開關(guān)接通，輸出1103點(diǎn)接通，斷開制動(dòng)電空閥2HGg，制動(dòng)線圈通電。主手柄置于“1”位，勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電路接觸器LLC線圈和勵(lì)磁接觸器LC線圈按照規(guī)定的順序執(zhí)行動(dòng)作，1104、0204、00205、1103、1204接通，電阻制動(dòng)接觸器ZC線圈通電，實(shí)現(xiàn)電阻制動(dòng)。

3.3.2 故障勵(lì)磁

如果測速發(fā)電機(jī)CF發(fā)生故障，則接通故障勵(lì)磁開關(guān)9K，1104、0003、1101常閉，0201、1007導(dǎo)通，和1104并聯(lián)的常開觸點(diǎn)自動(dòng)鎖定。打開繼電器GLFC線圈電源，斷開測速發(fā)電機(jī)電路，排除故障源。同時(shí)，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(jī)充電，從而可以保護(hù)電觸點(diǎn)并保持機(jī)車運(yùn)行穩(wěn)定。此時(shí)1205接通，GLC線圈通電，啟動(dòng)故障勵(lì)磁。在固定發(fā)電狀態(tài)下，勵(lì)磁機(jī)的勵(lì)磁電流由啟動(dòng)發(fā)電機(jī)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(jìn)入磁場削弱狀態(tài)。

3.3.4 接地和過流保護(hù)

當(dāng)電流繼電器LJ或DJ線圈通電后，0202斷開，對(duì)應(yīng)的勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電路接觸器LLC線圈失電，直流牽引電動(dòng)機(jī)電空接觸器1C-6C、勵(lì)磁接觸器LC依次失電。

3.3.5 盤車保護(hù)

輸入點(diǎn)0001中包含轉(zhuǎn)軸聯(lián)鎖盤車脫開ZLS常閉觸點(diǎn)。當(dāng)盤車脫開時(shí)，ZLS常閉觸點(diǎn)閉合，此時(shí)起動(dòng)柴油機(jī)接觸器線圈才能得電，柴油機(jī)啟動(dòng)或甩車，從而保證柴油機(jī)的運(yùn)行穩(wěn)定以及操作人員的安全。

3.3.6 牽引電機(jī)故障切除

如果牽引電機(jī)故障，可以通過故障開關(guān)1GK-6GK從主電路中切除故障電機(jī)從，從而保證內(nèi)燃機(jī)車的穩(wěn)定運(yùn)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(jī)車啟動(dòng)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(dòng)繼電器。當(dāng)水溫超出安全范圍時(shí)，軟繼電器0004得電動(dòng)作，以切斷勵(lì)磁機(jī)勵(lì)磁電路接觸器LLC線圈，使勵(lì)磁接觸器LC線圈失電，進(jìn)而控制柴油機(jī)停止運(yùn)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(hù)大負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)柴油機(jī)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(jī)防暴作用。

4 ?系統(tǒng)抗干擾技術(shù)

內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行環(huán)境比較復(fù)雜，可能會(huì)受到各種因素的影響而干擾機(jī)車控制系統(tǒng)的正常運(yùn)行，如內(nèi)燃機(jī)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(dǎo)致機(jī)車運(yùn)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(jìn)而采取相應(yīng)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(dòng)作時(shí)形成的干擾

內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)中包含許多開關(guān)和觸點(diǎn)，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(diǎn)在斷開、閉合時(shí)存在彈性振動(dòng)，可能會(huì)形成持續(xù)幾毫秒的開路電壓，產(chǎn)生電流脈沖，對(duì)內(nèi)燃機(jī)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(dòng)作時(shí)形成的干擾

繼電器在內(nèi)燃機(jī)車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用非常廣泛，主要包括控制繼電器、保護(hù)繼電器兩類。前者的作用是實(shí)現(xiàn)各電路的轉(zhuǎn)換，后者的主要作用是檢測機(jī)車故障，確保機(jī)車安全運(yùn)行。機(jī)車運(yùn)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(shí)形成浪涌電壓，這對(duì)電子設(shè)備的干擾很大。

4.1.3 直流牽引電機(jī)換向形成的干擾

內(nèi)燃機(jī)車直流牽引電機(jī)工作時(shí)可能會(huì)因?yàn)檎駝?dòng)、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(jī)懸掛在機(jī)車車身下方，隨著軌道顛簸，換向器和電刷在振動(dòng)作用下可能松動(dòng)，進(jìn)而影響換向器和電刷之間的滑動(dòng)接觸，進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械火花的產(chǎn)生，電磁火花對(duì)電子設(shè)備運(yùn)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(jī)啟動(dòng)前，內(nèi)燃機(jī)車控制器由蓄電池供電。同時(shí)，電池還為機(jī)車起動(dòng)機(jī)、起動(dòng)機(jī)油泵電機(jī)和燃油泵電機(jī)等輔助設(shè)備供電。開啟或關(guān)閉這些裝置，尤其是柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)顯著降低機(jī)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(jì)

①對(duì)于機(jī)車?yán)^電器和電磁閥線圈斷電時(shí)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(jí)別的浪涌電壓。②內(nèi)燃機(jī)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(dòng)而導(dǎo)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(jī)系統(tǒng)供電，使其更加安全。③內(nèi)燃機(jī)車正常運(yùn)行時(shí)，機(jī)車大部分設(shè)備由輔助發(fā)電機(jī)供電，部分設(shè)備由蓄電池供電，單獨(dú)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(yùn)輸裝備的逐步現(xiàn)代化，推進(jìn)內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)太多，接線復(fù)雜，控制電路復(fù)雜，可靠性差，維護(hù)麻煩?；诖耍疚尼槍?duì)某型內(nèi)燃機(jī)車采用可編程邏輯控制器（PLC）開發(fā)了機(jī)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(jī)車的控制邏輯。也可作為內(nèi)燃機(jī)車邏輯控制的學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，充分利用機(jī)車原有的設(shè)備和運(yùn)行方式，簡化操作，方便改裝，提高機(jī)車的可靠性，獲得優(yōu)良的經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：呂志強(qiáng)（1971-），男，北京人，北京電子科技職業(yè)學(xué)院講師，本科，研究方向?yàn)槠囯娍亍④嚶?lián)網(wǎng);李杰（1964-），男，北京人，北京電子科技職業(yè)學(xué)院副教授，本科，研究方向?yàn)槠嚻髽I(yè)運(yùn)營與管理、汽車配件、保險(xiǎn);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?yàn)槠嚑I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(yùn)營與管理。