內燃機車PLC控制系統分析及程序優化

鄭興杰

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

內燃機車PLC控制系統分析及程序優化

鄭興杰

（廣州市地下鐵道總公司，廣東廣州 510310）

內燃機車是地鐵一種非常重要的行車設備，既可用于工程作業，也可用于電客車的調車和救援。首先對地鐵內燃機車進行介紹與說明，重點分析了內燃機車PLC控制系統的重要信號收集、柴油機轉速控制以及機車起動走行等內容，并結合內燃機車的實際運用，指出程序設計上存在的不足，提出優化設計方案，以進一步提高內燃機車運用的穩定性，同時通過增設應急旁路，提高機車的作業效率、降低影響地鐵正線運營的風險。

內燃機車；地鐵；PLC；程序；優化；應急

0 前言

內燃機車是地鐵運營及維護要用到的一種很重要的行車設備，在許多地鐵系統的維護作業中都需要使用，例如：地鐵列車、運輸車輛、無動力軌道車輛的牽引與調車；隧道內和車輛段內事故車輛的救援牽引作業；地鐵供電設備施工和維修時工程車作為牽引動力的設備；地鐵正線貨物運輸及地鐵工程維修等等。

在地鐵運用的內燃機車，基本構造由發動機、傳動裝置、車體和車架、走行部、制動系統、輔助裝置及電氣系統七大部分組成。

發動機屬于內燃機車的動力源，采用了美國進口卡特彼勒3412E型柴油機，功率約為560 kW。

傳動裝置主要由液力傳動箱、車軸齒輪箱、輔助齒輪箱等組成，柴油機所發出的功率通過5根萬向軸傳遞到機車輪對上，使車輪轉動，機車行走。

車體則采用了全鋼電焊結構，整車從前到后分為冷卻室、動力室、司機室、輔機室等四部分。車架由左、右兩根縱向中梁，前后牽引梁，中間橫梁和外圍板組成，具有足夠的強度和剛度。

走行部為兩個相同的、可互換的轉向架，車架上部重量依次通過轉向架旁承、構架、軸箱彈簧、軸箱、輪對傳遞給鋼軌，牽引力則通過轉向架中心銷傳給車架和車鉤。

制動系統則采用了JZ-7型空氣制動機，機車前后操作臺均可操縱，制動機的分配閥采用了二壓力與三壓力混合型式的機構，既具有階段緩解作用，又具有一次緩解作用。

輔助裝置主要是指靜液壓系統，在此系統中，柴油機仍是動力源，其驅動油泵，液壓油經加壓后，流向與冷卻風扇連接的液壓馬達，當風扇轉動時，可為風扇上方的柴油機散熱水箱進行通風降溫。

電氣系統是機車控制的核心，通過各種電器元件來實現啟動、調速、信號收集、充電、照明等，在控制機車運轉的同時，保證機車各系統正常運作。目前在內燃機車電氣系統中，PLC控制系統的運用比較廣泛，三菱PLC為其中的一種產品。

1 內燃機車PLC控制系統設計分析

本文介紹的內燃機車的PLC控制系統，由三菱FX2N-80MT-D型微機可編程控制器、傳感器、DA數模轉換器、AD模數轉換器、YMZH柴油機油門信號變換器、PWM脈寬調制信號、柴油機電子控制模塊（ECM）、940GOT-SWD顯示屏等組成，其中微機可編程控制器，即PLC為系統的核心。如圖1所示。

圖1 內燃機車PLC控制系統結構圖

PLC的工作電源，由柴油機的24 V蓄電池經穩壓器后提供，其輸入端主要接收ADS司機控制器位信號、柴油機轉速信號、機車速度信號及各電器部件的開關量信號，輸出方式則采用繼電器輸出，共20個固態繼電器，以微電流驅動24 V電控閥、24 V直流接觸器與110 V直流接觸器等電器元件的動作。

DA模塊用于柴油機機油油壓信號與冷卻水溫度信號的收集，AD模塊則用于將數值信號轉換模擬信號，并通過YMZH柴油機油門信號變換器，向柴油機的ECM提供信號，實現柴油機轉速的調整。

1.1 內燃機車重要信號收集

PLC接收的內燃機車重要信號，主要有柴油機轉速、機車速度、冷卻水溫度和機油油壓，這些信號使司機能及時掌握機車的工況，使其一方面可根據作業要求，對機車的運轉狀態進行調整，另一方面，在機車出現故障后，可及時提醒司機停止操作，避免設備帶故障運行，確保了設備和人身的安全。

柴油機轉速傳感器由e2e-x2e1接近開關和多齒齒輪組成，其中多齒齒輪與液力傳動箱一軸連接，由于液力傳動箱一軸系柴油機飛輪直接驅動，因此，多齒齒輪的轉速與柴油機的轉速一致。接近開關為徑向安裝，多齒齒輪轉動一圈，則產生9個脈沖量，并被PLC的高速計數器輸入端X0接收。在程序中，柴油機轉速傳感器是以1 000 ms作為一個樣本采集周期，并將數據直接放置在數據存儲器D0中，程序計算與執行原理如下。

（1）柴油機轉速的計算公式為：n=60D0· 1000/Nt（r/min），N為每轉脈沖數，t為指定的計數時間，單位為ms；

（2）根據上文描述，N為9，t為1 000 ms，因此n=60×D0×1000/（9×1000）=D0×20/3;

（3）PLC的高速計數器輸入端X0，在1 000 ms內完成一個采樣周期，并將數值直接存至D0處，然后D0先乘以20，再除以3，運算的最終結果放置在D110。

（4）柴油機在啟動時，柴油機轉速至少要在500 r/min轉以上是判別啟動成功的條件之一，因此在程序的每個執行周期，PLC均要將D110進行比對，如低于500 r/min，則PLC將禁止輔助發電機的啟動與機油油壓的判別，使機車不能進行前進/后退的操作。

機車速度傳感器設置與柴油機傳感器基本一致，區別為機車速度的多齒齒輪安裝在車軸的端部，且齒數較多，轉動一圈能產生200個脈沖，收集的樣本是存放在數據存儲器D4中，程序計算與執行原理如下：

（1）車輪的轉速公式計算公式為n=60×D4× 1000/Nt（r/min）；

（2）N為200，t為1 000 ms，n=60×D4×1000/ (200×1000)=3×D4/10（r/min）；

（3）n(r/min)×60=18×D4(r/h)；

（4）機車的速度V（km/h）=n（r/h）×∏×d/ 1000，其中d為車輪直徑，取d=0.915 m，V=18× D4×3.14×0.915/1000（km/h）=51.72×D4/1000(km/ h)≈D4×5/100；

（5）在程序中，PLC的高速計數器輸入端X1，在采集完數據后，會將數值存至D4，然后D4先乘以5，再除以100，運算最終結果放置在D130。如圖2所示。

圖2 柴油機轉速傳感器與機車速度傳感器數據收集相關程序

（6）在每個程序執行周期，PLC均要將D130進行比對，如發現D130超50 km/h，則機車前進失效，柴油機自動卸載，停車制動自動實施。

冷卻水溫度與機油油壓信號，均通過AD模數轉換器收集，PLC會在程序首次的掃描執行周期，對AD模塊進行判別與設置，并將采樣周期數定為25次，關閉3、4通道，設置1、2通道的量程為4～20 mA。在程序往后的循環掃描執行中，PLC會將收集到的數據，通過換算后，將最終數據存儲至D160（水溫）和D190（油壓），當機車水溫高于103°C，或機油油壓低于50bar時，柴油機會自動卸載，以確保設備運轉安全[1]。如圖3所示。

圖3 冷卻水溫度與機油油壓信號收集的相關程序

1.2 柴油機轉速控制

圖4 柴油機轉速控制相關程序

柴油機的轉速控制，主要通過ADS司機控制器、PLC可編程控制器、DA數模轉換器與柴油機油門信號變換器來實現，ADS司機控制器為輸入端，共4個輸入點，與PLC的X5、X6、X7、X10連接，組合成16個檔位信號。在程序執行過程中，首先是通過M8000與fromp指令，對DA模塊進行設置與判別，然后根據檔位信號進行運算，將最終數據存儲在D20中，最后利用to指令，向DA模塊寫入220至580范圍的數值。DA模塊對傳輸過來數值會進行轉換，并從2通道向YMZH油門信號變換器提供4～20 mA的電流，油門信號變換器再將其轉變為PWM脈寬調制信號，最后提供給柴油機電子控制模塊ECM進行電子調速控制，通過調節電子噴油泵電磁閥來調節噴油量，從而完成柴油機轉速的升降[2]。如圖4所示。

1.3 機車起動走行

內燃機車液力傳動箱通過渦輪，將柴油機的機械能轉變為液力油的動能，并通過沖擊輸出軸上的葉片，最終將柴油機的功率傳遞給車軸齒輪箱，因此通過控制液力傳動箱液力油的油路通斷，即可實現動力的輸出通斷，通過改變液力傳動箱的液力油流通方向，即可實現的輸出端的正轉與反轉。油路是通過相應滑閥控制的，而滑閥的動作是靠氣壓驅動，所以機車起動，前進還是后退，可同過控制氣路上電控閥來實現。在PLC中，與機車前進后退有關的程序相對較為簡單，如圖5所示，但相應的條件限制較多，內燃機車的前進后退有效條件有：

圖5 機車起動走行相關程序

（1）機組保護信號須接通；

（2）司機控制器須得電接通；

（3）機車車速未超50 km/h；

（4）柴油機水溫高于30°C，但小于103°C；

（5）柴油機潤滑油油壓高于50 bar；

（6）低恒速功能未激活。

2 PLC程序的改進優化

2.1 柴油機調速程序改進優化

ADS司機控制器由調速手柄、連接齒輪、凸輪及開關觸點組成，當轉動調速手柄，會撥動齒輪和彈簧壓片接觸，此時對應的凸輪頂起或凹陷，接通或斷開相應的開關觸點，如圖6所示。在實際使用過程中，發現司機在進檔過程中，若動作過慢，容易出現轉速增量過多的異常情況，尤其是8檔進9檔，柴油機轉速能突然升至最高轉速，由于司機在作業過程，有對標的需求，轉速的提升須慢慢進檔，使得機車的作業存在一定的風險，因此需對此問題進行分析與整治。

圖6 PLC輸入點與檔位信號對應圖

通過研究分析，發現導致轉速異常的具體原因由ADS司機控制器的機械缺陷所致，以8檔進9檔為例，機車在8檔時，PLC上的X5、X6、X7閉合，對應的轉速是1 340 r/min，在9檔時，僅X10閉合，對應的轉速是1 435 r/min，在16檔位時，X5、X6、X7、X10全閉合，對應的轉速是2 000 r/min，若8檔進9檔動作過慢，手輪必定會滯留在8、9檔位之間，此時開關觸點容易出現舊的檔位狀態未消除，新的檔位狀態提前出現的情況，即X5、X6、X7未能及時斷開，而X10提前接通，則柴油機轉速從1 340 r/min直接上升至2 000 r/min，出現轉速異常增高的情況。如圖7和圖8所示。

圖7 ADS司機控制器實物圖

圖8 ADS司機控制器調速電路原理圖

通過上述分析，解決辦法之一就是對ADS司機控制器進行升級改造，參照新車的設計，將無級司控器移植該車上使用，但由于無級司控器成本較高，且升級改造涉及到司機控制臺的改造，施工工程量較大，實施的可行性不高。

為節約成本，現考慮通過程序優化，解決轉速提升異常問題。根據ADS司機控制器的單向變化原理，可在PLC程序中增加合理的邏輯處理程序段，保證檔位信號升值不發生突變，從而增強檔位輸出信號的可靠性，彌補硬件上不足。具體的程序設計為，在檔位信號值存儲至D198后，將D198的數值傳至D302，并在下一個程序執行周期，利用CMP、SUB指令，使新檔位信號與當前檔位信號進行比對，若檔位跨越2位，則將D302數值存至D198，反之，更新D302數值。經現場調試測試，加入該段程序后，轉速增量異常不再出現，且正常的緊急升降速也未見異常。如圖9所示。

圖9 柴油機轉速控制所增加的程序段

2.2 機車應急功能設計

柴油機的機油壓力與冷卻水溫度是機車的兩個重要信號，其反映了柴油機是否處于正常的工作狀態，當柴油機出現異常后，通過程序的限制，可避免柴油機帶故障運行，而導致事故的發生，保障設備與人員的安全。當然傳感器作為柴油機的一部分，本身也會出現故障，在機車的實際運用過程中，比較常見的是傳感器損壞，信號無法傳輸到PLC中，柴油機無法提速，且機車前進后退操作均失效。機車一旦在正線出現類似故障，受現場條件與作業時間的限制，司機短時間內無法完成傳感器更換，處置不當則有可能影響電客車的出線，為地鐵運營帶來一定風險。由于柴油機配有另一套機油油壓和水溫傳感器（不與PLC連接），并可通過操作臺獨立的儀表盤顯示，因此，經分析研究，可在PLC中增加應急程序段，并在PLC相連接的940GOT-SWD顯示屏增加應急操作界面，作為應急程序的輸入端，可避免實體應急開關帶來新的故障點，具體設計如下：

（1）在程序尾端增加兩步，使用MOV指令強制向D160與D190傳輸50與250數值，并利用M545與M546觸發，如圖10所示；

圖10 新增加的應急程序段

（2）在人機交換界面中，增加應急旁路界面，利用觸摸屏按鈕觸發M545與M546，如圖11和圖12所示。

圖11 修改前的顯示屏界面

通過上述設置，一旦機車出現機油或水溫信號丟失故障時，司機可調出應急旁路界面操作，使機油油壓與冷卻水水溫恒定在250bar和50°C，避免PLC的報警程序觸發，司機則通過另一套儀表讀取柴油機的真實數據，對機車進行操作，待機車回廠后再進行維修。

圖12 修改后的顯示屏界面

3 結束語

本文介紹的內燃機車屬地鐵早期采購設備，與后期機車相比，程序相對較少且不夠完善，尤其體現在故障診斷與電器動作信息收集方面，因此，在完成上述程序添加及界面改進后，下一步的完善重點應放在此處，一方面使司機能盡快判斷故障點，同時可使維修人員能進一步掌握機車的使用特點與運行狀態。另隨著地鐵作業的要求提高，也可考慮利用PLC程序的改進，實現內燃機車的雙機重聯，即兩臺內燃機車連掛后，只在一臺內燃機車上操作，可使兩臺內燃機車同步運轉，增加動力機車的牽引力。

［1］廖常初.FX系列PLC編程及應用［M］.北京：機械工業出版社，2005.

［2］龔仲華.三菱FX系列PLC應用技術［M］.北京：人民電郵出版社，2010.

PLC Control System Analysis and Program Optimization of Diesel Locomotive

ZHENG Xing-jie
（Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou510310，China）

As a very important driving device of subway，the diesel locomotives can be used in industrial engineering as well as shunting and rescuing of electric passenger cars.Firstly，the article makes a introduction and description for the subway diesel locomotive，focusing on analyzing important signal collection of the diesel locomotives PLC’s control system，speed control of diesel engine and the locomotive starting，etc.And then pointed out deficiencies of program design and proposed optimization design scheme through combining the practical application of the diesel locomotives，in order to further improve the stability of diesel locomotives.At the same time，the operation efficiency of locomotive can be improved and the risk of influence on the subway’s mainline operation can be reduced by adding emergency bypass.

diesel locomotive；metro；PLC；program；optimization；emergency

U231+.6

A

1009－9492(2014)05－0135－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.034

鄭興杰，男，1973年生，廣東廣州人，大學本科，助理工程師。研究領域：城市軌道交通機車車輛。

(編輯：向 飛)

2014－04－03