基于PLC的內燃機車邏輯控制系統研究

呂志強 李杰 韓寧

摘要：PLC在工業控制領域被廣泛使用，具有性能可靠、控制簡便等特點。本文首先介紹內燃機車的主要特點及其發展，簡述PLC技術，然后以某型內燃機車為例，探討基于PLC優化內燃機車的邏輯控制系統設計，主要包括PLC選型、I/O接線等硬件設計以及柴油機啟動，內燃機車啟動控制程序等軟件設計，旨在實現更加高效可靠的內燃機車控制。

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.

關鍵詞：PLC;內燃機;邏輯控制;控制系統

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

隨著社會經濟的不斷發展，內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，對內燃機車控制系統的要求也越來越高。然而，常規內燃機車控制系統的電路不僅復雜，操作維護困難，而且控制觸點多，易發故障。如果持續大電流，電路很可能會燒壞，進而威脅到行車安全。基于PLC的內燃機車邏輯控制系統電路更精簡，系統運行更穩定，運維成本也更低。因此，有必要積極探討基于PLC的內燃機車邏輯控制系統，有效提高內燃機車控制效率。

1 ?內燃機車特點及其發展趨勢

內燃機車使用內燃機作為動力來源，燃料在氣缸內燃燒，將熱能轉化為機械能，借助傳動機構驅動車輪。內燃機車傳動機構主要包括機械傳動、電力傳動、液壓傳動三種。1924年，蘇聯研制成功世界上第一臺內燃機車并投入運行。同年，德國也研制出內燃機車。次年，美國研制成功電動內燃機車。二戰后，內燃機車技術取得了飛速發展，其性能和制造技術水平大大提高，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，內燃機車的數量急劇增加。1970年代，電子技術被用于內燃機車，使得其性能和可靠性不斷提高。當前，內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域的先進技術。

2 ?邏輯控制系統硬件設計

某類型內燃機車的電路由主電路、接口電路、輔助電路、勵磁電路、控制電路構成。用PLC控制替換現有的繼電器控制，以提高機車控制系統的可靠性。在基于PLC內燃機車邏輯控制系統設計中主要基于現有電路確定I/O點數量、確定PLC型號。基于PLC的控制系統結構如圖1所示。

2.1 I/O點數確定

由于該型機車的輔助電路、勵磁電路、主電路已多次優化，故在本次設計中保持不變。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，通過將信號轉換為開關量，減少模擬量輸入模塊限制。同時，優化電路設計，減少PLC輸入引腳，合理設計PLC程序，可以提高PLC運行效率。優化后，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、轉換開關、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，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，應設置輸出模塊，通過PLC控制繼電器的方法確保控制系統穩定運行。

2.2 PLC型號選擇

在明確I/O點數以及系統基本要求的基礎上選擇合適的PLC型號。基于上述分析，本次設計的內燃機車邏輯控制系統選用歐姆龍公司的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，而內燃機車額定控制電壓為DCI I0V，因此需要通過轉換器進行電壓轉換，將110 V DC 轉換為 24V DC。因為機車柴油機啟動過程中蓄電池電壓將降到40V。轉換器的轉換范圍為50～140V，以有效確保邏輯控制系統的穩定運行。

3 ?邏輯控制系統軟件設計

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，啟動機油泵電機進行潤滑。機油泵啟動后關閉4K開關，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 內燃機車啟動控制

當內燃機車準備運行時，先控制輔助電路進行輔助發電、固定發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，將主手柄SK從“0”移到“1”，換向開關接通，此時內燃機車啟動。內燃機車控制流程如圖3所示。

先接通2K開關，接通繼電器線圈電源。然后接通1GK-6GK故障開關，并將其置于在執行位。準備操作用來接通牽引電動機電路的電空接觸器1C-6C。控制方向轉換操控手柄從“0”位置移動到“前牽”位置，SK2，SK3開關接通。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”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仍持續通電。內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，勵磁電流驅動牽引發電機發電，直流牽引電動機1D-6D運行，內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備的穩定工作，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線圈按照規定的順序執行動作，1104、0204、00205、1103、1204接通，電阻制動接觸器ZC線圈通電，實現電阻制動。

3.3.2 故障勵磁

如果測速發電機CF發生故障，則接通故障勵磁開關9K，1104、0003、1101常閉，0201、1007導通，和1104并聯的常開觸點自動鎖定。打開繼電器GLFC線圈電源，斷開測速發電機電路，排除故障源。同時，0201、1006接通，固定發電接觸GFC線圈接通，開始固定發電。然后將主手柄抬至“l”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定。此時1205接通，GLC線圈通電，啟動故障勵磁。在固定發電狀態下，勵磁機的勵磁電流由啟動發電機QF提供。

3.3.3 磁場削弱

閉合磁場削弱控制開關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。

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中包含轉軸聯鎖盤車脫開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1GK-6GK從主電路中切除故障電機從，從而保證內燃機車的穩定運行。

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。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，主要起到保護大負荷運轉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 ?系統抗干擾技術

內燃機車的運行環境比較復雜，可能會受到各種因素的影響而干擾機車控制系統的正常運行，如內燃機車的工作環境溫度、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，提高控制系統的可靠性。

4.1 干擾來源

4.1.1 系統開關動作時形成的干擾

內燃機車控制系統中包含許多開關和觸點，例如輸入端的開關、換檔開關、調速手輪開關等。開關、觸點在斷開、閉合時存在彈性振動，可能會形成持續幾毫秒的開路電壓，產生電流脈沖，對內燃機車的數字電路和電子設備形成較大干擾。

4.1.2 繼電器、接觸器線圈動作時形成的干擾

繼電器在內燃機車控制系統中的應用非常廣泛，主要包括控制繼電器、保護繼電器兩類。前者的作用是實現各電路的轉換，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，這對電子設備的干擾很大。

4.1.3 直流牽引電機換向形成的干擾

內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生，電磁火花對電子設備運行穩定影響較大。

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備供電。開啟或關閉這些裝置，尤其是柴油機啟動時，會顯著降低機車蓄電池的輸出電壓，降低控制系統的可靠性。

4.2 抗干擾設計

①對于機車繼電器和電磁閥線圈斷電時產生的浪涌電壓，可以在繼電器、電磁閥和其他線圈兩端并聯浪涌電壓吸收器，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故障。DC/DC升壓濾波模塊不僅可以為控制系統供電，還可以為微機系統供電，使其更加安全。③內燃機車正常運行時，機車大部分設備由輔助發電機供電，部分設備由蓄電池供電，單獨與蓄電池相連。減少蓄電池供電的設備可以減少用電設備之間的干擾，電池電壓比較穩定，可以消減電磁干擾。

5 ?結語

綜上所述，隨著中國鐵路運輸裝備的逐步現代化，推進內燃機車的新技術創新是必然趨勢。傳統的繼電器邏輯控制方法聯鎖控制觸點太多，接線復雜，控制電路復雜，可靠性差，維護麻煩。基于此，本文針對某型內燃機車采用可編程邏輯控制器（PLC）開發了機車邏輯控制系統。該系統非常便攜，可用于修改現有內燃機車的控制邏輯。也可作為內燃機車邏輯控制的學習實驗平臺，充分利用機車原有的設備和運行方式，簡化操作，方便改裝，提高機車的可靠性，獲得優良的經濟效益。

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作者簡介：呂志強（1971-），男，北京人，北京電子科技職業學院講師，本科，研究方向為汽車電控、車聯網;李杰（1964-），男，北京人，北京電子科技職業學院副教授，本科，研究方向為汽車企業運營與管理、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理，本科，研究方向為汽車營銷、新能源專業及智能網聯專業“崗課賽證”融通、汽車企業運營與管理。