基于內燃機車電氣控制系統的應用

王宏亮 王雙林 周鴻亮

摘要：內燃機車電氣控制自動化在現代軌道交通中有著極其廣泛的應用。應用計算機技術對電氣控制系統的進行優化設計，對于改善內燃機車的工作性質、車行動力、控制功能等有著重要的促進作用。本文主要分為四大部分。第一部分為內燃機車電氣控制系統相關的介紹;第二部分分析了內燃機電氣控制系統的結構設計;第三部分探討了基于計算機技術的PLC控制系統;第四部分內燃機車電器控制系統的優化應用。通過探討PLC控制系統應用的優勢，來為內燃機車電氣控制系統的優化設計提供一些參考。

關鍵詞：內燃機車;電氣控制系統;應用;PLC

0? 引言

20世紀80年代，我國從德國進口內燃機。隨著國內內燃機使用需求量不斷上升，同時之前進口的內燃機因使用時間較久，維修需要的配件較多，而國內修配件內需不足，因此我國從1958年開始制造內燃機。國產內燃機最先有東風型三種。隨著國產內燃機生產技術的進步，我國內燃機車的型號越來越多，內燃機車電氣控制系統也在不斷的優化。目前，國產內燃機車電氣控制系統應用可編程控制器進行在線編輯。可編程控制器的應用使得電氣控制系統的操作和管理都變得更加的便捷。基于計算機技術的PLC控制技術的應用對于內燃機電氣控制系統的優化提供了更多的途徑和可能。研究內燃機車電氣控制系統的應用對于改善我國內燃機車機械性能、優化系統功能有著重要的意義。基于此，本文研究該課題。

1? 相關介紹

1.1 可編程控制器

可編程控制器簡稱PLC，是一種高級的系統編程控制器，具有編程操作靈活便捷、系統可靠性高、價格適中、性價比高的優勢。目前廣泛應用于機械設備的系統控制及編程。內燃機車結構繁雜，內燃機車電氣控制系統控制的項目及內容較多，需要替代繼電器、余熱鍋爐自控器及其他接觸器完成機車的一整套工作，因此系統的可靠性至關重要。利用可編程控制器對內燃機車電氣控制系統進行遠程編程和優化，對于改善機車內燃機的系統性能有著重要的作用。

1.2 PLC電氣控制系統

1.2.1 技術優勢

PLC具有抗干擾性強、操作靈活、適應性和穩定性好的技術特點，這也是PLC之所以能夠成為內燃機車電氣控制系統的原因。應用PLC可以實現對于內燃機車電氣控制系統的功能的延展，優化系統設計，提高系統工作的可靠性、安全性，簡化系統結構及線路設計，從而方便系統安全、調試和檢修。

1.2.2 硬件構成

PLC由中央處理器、輸入口接口、通訊接口、可擴展接口、智能接口、存儲器、智能單元等硬件構成。

1.2.3 性能指標

PLC的性能指標包括存儲容量、輸入/出點數、掃描速度、智能單元的數量、擴展能力等。

1.2.4 編程語言

PLC常用指令表、狀態流程圖、梯形圖等語言進行系統編程。多種語言的應用于配合為PLC電氣控制系統的程序的表達提供了方便，同時也為系統屬性和功能的優化設計提供了更多的可能。

2? 基于內燃機車電氣控制系統的結構設計

2.1 硬件系統設計

內燃機車電氣控制系統的硬件主要包括主機板、接口板、單片機鍵盤、IC卡接口板、現場信號接口板構成。這些硬件分別負責內燃機電氣控制系統的信號輸入輸出、線路連接、通訊連接等，對應程序得到CPU系統、輸入輸出系統、通訊系統等。程序硬件系統的設計需要在CPU板上配置FDD驅動控制器、LCD顯示接口、IDE硬盤控制器、CRT顯示接口、PS2鍵盤接口、RS232C串行口、以太網接口、PC104擴展總線。總結構設計為四層，使用狀態流程圖設定系統總框架，再利用指令表語言對系統屬性進行細化。系統結構圍繞主機與操控系統、控制電源、編程器、功能隔離電路、主電源線路、執行線路之間創建連接PLC與主機直接相連，通過對主機編程來調控其他硬件系統屬性和功能，改善系統的綜合性能。

2.2 軟件系統設計

內燃機車電氣控制系統的關鍵主要包括控制程序、人機界面兩大部分。其中控制程序的設計主要有六大板塊的內容，包括發動機速度控制程序;機車牽引工況控制程序;液壓系統控制程序;智能控制程序;CAN通訊控制程序與功率匹配控制程序。主要應用梯形圖語言來構建系統結構的主框架，最后再利用指令表語言對程序內容進行填充，豐富程序的表達。

例如PLC通過主機向發動機發送指令語言，發動機程序接到指令后向硬件輸出功率信號，從而調節發動機泵的公路參數。發動機速度的調整也與上述功率參數的調整類似。人機界面的設計包括主監控頁面、IO檢測截面、狀態檢測截面、故障管理截面四部分。人機界面程度設計主要采用狀態流程圖語言和指令表語言編程。狀態語言作為截面狀態結構的主要語言，設定不同的故障顯示狀態框架，在用指令表語言對狀態細化表達。如主機頁面顯示發動機故障，截面狀態設計故障和正常兩種狀態表達，故障狀態的表達標記為顯示截面顯示紅色，正常狀態的表達標記為顯示截面的綠色。故障狀態下利用指令表語言編程報警程序，即紅色閃爍，啟動紅色閃動程序即為故障報警的表達。

3? 基于計算機技術的PLC控制系統

3.1 系統結構

基于PLC的內燃機車電氣控制系統結構如圖1所示。

3.2 電路設計及優化

從圖1中可以看出，該系統的每一層接口之間為雙向的連接。系統結構的雙向連接需要設計輸入輸出回路主機與基本單元、擴展單元之間通過輸入輸出電路連接，在擴展單元內部在設計一個基本單元插座，就可以將擴展出更多的電路連接接口，從而為設計二級管理提供了接口保障。二級線路管理的設計有助于進一步提高線路運行過程中的可靠性。

3.3 硬件線路設計

硬軟件系統設計好后要進行程序調試。機車內探機電氣控制系統硬件線路相對繁雜。為了確保程序運行的可靠性，建議在PLC控制電路中設計連鎖關系，連鎖關系的設計主要借助梯形圖語言和指令表語言進行設計。主電路需要設計四個固定的繼電器。所有的繼電器固定在同一塊電路板上，為電路板設計四組輸出線路和1個1A保險。四個繼電器公用一個保險。主電路之下設計二級管。二極管線路的設計是為了方便故障的檢修。二級管線路從主線路分級出來，線路連接簡化，因此有助于清晰直觀的觀察線路故障。

4? 內燃機車電器控制系統的優化應用及效果

應用可編程控制器優化內燃機車電氣系統，將I/O通道分配為內、外兩個通道、外部通道設計為輸入、輸出通道，用于與其他機械設備連接和溝通，內部通道設置繼電器來取代過去有觸點控制的方式。通道號編碼為十三進制數字。改變通道地址時給十三進制數字增加兩位十進制數字即可。PLC內燃機電氣控制系統的控制過程應用梯形圖指令來編碼。控制系統的按鈕、轉換開關、板鍵開關等都與電氣控制系統指令設計保持統一，編程為雙重控制功能。

應用PLC對內燃機車電氣控制系統進行優化設計后，內燃機車打滑滑油功能、柴油機甩車功能、燃油供給功能、柴油機啟動功能、固定發電功能、壓縮機功能、內燃機車啟動功能等都得到了改善，內燃機車電氣控制系統的綜合控制能力更加協調。由于控制系統的協調性更好，內燃機運作狀態更加穩定可靠，減少了機械運作過程中的零部件損壞和線路故障。同時雙重控制的設計為內燃機車運行狀態下對LUC的轉換為動態性完成牽引工作提供了方便。

5? 結語

綜上所述，基于PLC的內燃機車電氣控制系統具有系統優化的功能。通過編程對系統不足之處進行改進，不斷嘗試性的調整機械設備的機械性能，有助于減少系統的故障引起的設備磨損等情況，從而保護機械設備，延長機車的適用壽命。同時，基于PLC的內燃機電氣控制系統在設計上線路較為簡潔，控制系統維護方便，故障排查效率高，這對于降低內燃機車設備的維修成本有著重要的意義。基于PLC控制系統對于基礎系統性能和功能的優化，我建議企業引進PLC控制系統，并推廣可編程控制器的應用。

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