東風4DD型內燃機車電氣控制系統的設計分析

馬帥 趙文波

摘 要：為使東風4DD型內燃機車電氣控制系統的控制效率更好，運行更穩定可靠，介紹了東風4DD型內燃機車電氣控制系統，分析了設計了內燃機車電氣控制系統，探討了以PLC控制技術為核心的內燃機車電氣控制技術，研究了4DD型內燃機的主要電控系統，以供內燃機車電氣控制系統的設計參考。

關鍵詞：內燃機車 PLC 啟動控制 無極調速 恒功率控制

Abstract：In order to make the control efficiency of the electrical control system of Dongfeng 4DD diesel locomotive better， the operation more stable and reliable， the electrical control system of Dongfeng 4DD diesel locomotive is introduced， the electrical control system of diesel locomotive is analyzed， the electrical control technology of diesel locomotive with PLC control technology as the core is discussed， and the main electronic control system of 4DD internal combustion engine is studied for the design reference of the electrical control system of diesel locomotives.

Key words：diesel locomotive， PLC， start control， stepless speed regulation， constant power control

1 引言

隨著計算機技術對各行業的不斷沖擊，在制造業上數控技術正在蓬勃發展，當前市面上較為流行的電氣控制技術對內燃機的控制系統有很好的發展平臺，基于數字化操作，對傳統的控制方式進行改造，已經成為了內燃機控制系統改革的一大趨勢。基于對當前現狀的分析，本次設計在實際運用上具有很大的現實意義。

2 相關介紹

2.1 可編程控制器

由于國內外計算機技術的不斷提升，通過對傳統的控制系統的改造和升級，誕生出的一套高級的系統編程控制器，由于其具有編程簡單、工作穩定、開發和使用的預算不高等優點，在當前的電氣控制領域具有很高的性價比，被作為數控機械技術中一種較為流行的電氣控制系統。對于傳統內燃機的控制方式，其內部結構比較復雜，構件之間的配合較為繁瑣，傳統的控制方式不適合現在的科學性要求。因此，選用當前較為流行的PLC控制技術對其進行改進，能夠有效的提升內燃機的控制和使用性能。

2.2 PLC電氣控制系統

2.2.1 技術優勢

電氣控制系統在實際工作過程中受外界影響因素較小，而且操作形式較為便捷，在實際使用過程中較為穩定，能夠適用當前市面上流行的內燃機車的絕大部分工況，因此無論是從開發還是使用的角度對操作人員都比較友好。對于電氣控制系統進行科學化的設計，能夠增加控制工作的穩定性，使實際工作更加安全，對于編程的要求較低，代碼通俗易懂，在后期的日常維護和修理中也較為便捷。

2.2.2 硬件構成

設備主要采用小型PLC，程序員可以將編寫好的程序輸入計算機主機中，調試編譯。

PLC編程器組成：鍵盤、顯示屏、工作方式選擇開關、外存儲器接口。

由于PLC的使用優勢，可以實現多種語言的編程，同時，還具有非常強大的監控功能。

2.2.3 性能指標

數控系統主要由兩個方面組成：硬件和軟件。硬件為軟件的實施提供原始設備支持，軟件通過硬件發揮它特有的效應，相當于大樓的框架。硬件沒有軟件控制時，相當于一堆廢鐵。由軟件發出指令，硬件來執行。硬件的性能優劣是評價數控系統的好壞的關鍵指標。通過查閱相關文獻和設計手冊，對本次設計選擇的數控系統結構如下：

中央處理器：CPU、內存、硬盤、輸入/輸出設備、其他配套設備。

該系統與當前我們使用的電腦的原理類似，中央處理器為設備的主要工作和控制單元，由PLC發出指令，CPU進行解讀，判斷是否同意執行，而后由CPU統一協調完成指令。

2.2.4 編程語言

對于當前市面上較為流行的PLC控制系統，對于程序員的自身要求并不是太高，通常情況下常采用電氣控制通用指令搭配設計所需的工況狀態圖對所需操作進行一定的更改。在編程語言的難度上并不太高，而且搭配式編程模式對于后期的監測和更改也較為方便。

3 基于內燃機車電氣控制系統的結構設計

3.1 硬件系統設計

對于本次設計在CPU的選擇上應當滿足：

（1）CPU處理速度和幀率。

（2）內虛擬是否滿足要求。

（3）是否滿足多種高級編程語言環境需求。

（4）是否滿足多種輸入輸出設備。

（5）操作系統是否能夠滿足要求

通過查閱相關文獻和設計手冊，結合本次設計所需實際需求，對于本次設計中需要熟悉操作系統在類型的選擇上為MCS-51系列單片機。在芯片的選擇上選為8051類型。

（1）8核多線程處理器。

（2）幀率要求為2?s或1?s。

（3）滿足存儲的單元為128字節

（4）內存分配空間方式合理。

（5）對數據在內存中的增刪改查比較方便。

8051單片機總共有四十個引腳，并且它的設計結構為兩列直插的這種形式。

電源引腳

對單片機的運行提供電力支持。

Vcc（40腳）在使用時為插口類型，滿足額定電壓5V;

Vss（20腳）在使用時與地面相接作為零線。

時鐘引腳XTAL1.XTAL2

XTAL1（19腳）在使用時與地面相接作為零線。

XTAL2（18腳）在使用時用來擴大內部傳輸信號。

控制引腳

Rst/VPD（9引腳）格式化操作。在實際工作中首位引腳在通電狀態下工作不低于雙工時。當RST較高時，CPU會在第二個周期內進行內部復位。在VCC關機前增加VPD（斷電保護），RAM內容保持不變。

PSEN：一旦外部程序向儲存器申請讀取的信號燈閃爍時，表示儲存器可以接受輸出。一般一個PSEN周期內，可以有效的響應兩次。如果從內部程序內存中讀取時，無PSEN脈沖。

EA/VPP：如果EA的電流比較高時，CPU會根據提前設定的執行要求，調動內部存儲器來執行命令。反而言之，如果EA的電流不是很高時，CPU無法執行內部的程序，只能執行外部的程序，調動外部存儲器。并且，根據相關要求，8051的EA必須與大地相連。

3.2 軟件系統設計

通過對PLC軟件的學習后得知，對于本次設計選用的PLC軟件在設計上不僅要考慮自身操作系統的選擇，而且需要根據實際使用中的高級編程語言的選用來做具體的設計。

系統程序：PLC軟件開發時自帶的操作系統。

讀寫程序：將輸入的代碼解讀為操作版可以理解的二進制指令，并操作實際工件運行。

監測程序：實時監測工作情況。

用戶程序：操作員根據自身實際需求對PLC軟件進行適當的操作，達到自身使用需求。

4 基于計算機技術的PLC控制系統

4.1 系統結構

4.2 電路設計及優化

在上電時刻，電路板內部電流隨正極流向負極，此時的復位端口與電源的正極相連，當工作過程中能夠一直滿足不低于10ms的工作電壓狀態，電路板的實際工作就會正常進行，復位工作也能有效的進行。對于內部結構，在電路的設計時xtal1與xtal2的接線部位安裝相應的計時裝置，可允許的電流赫茲在不小于1.2到不大于12Mhz之間，通過查閱相關文獻和設計手冊，結合本次設計所需實際需求，本次設計中電流赫茲在6Mhz，所以上述內部計時裝置可以滿足本次設計需求。對于外部計時設計，xtal1通過與地表相連作為地線，xtal2接線部位添加外部計時裝置作為擴展所需。

4.3 硬件線路設計

由于8051沒有內部程序內存，它需要擴展外部程序內存。可以使用容量比較大的芯片，單塊兒大容量芯片在設計中可以很好的滿足設計所需要求，不需額外添加一定數量的其他芯片，使得本次設計在結構上變得更加容易，簡化設計需求。通過查閱相關文獻和設計手冊，結合本次設計所需實際需求，在容量上選擇16K大小的芯片類型。

外接電源：Vcc：在使用時為插口類型，滿足額定電壓5V;Vss：在使用時與地面相接作為零線。基于定位：A0-A13。基于傳輸：D0-D7。

基于聯系：CE：接收外部指令接口片；OE：是否開關；PGM：程序引入機構；VPP：程序啟動電壓接口；NC：空腳，不用。

5 東風4DD型內燃機車主要電控系統

當前市面上較為流行的電控系統方式為交—直流電傳動控制方式。

5.1 機車柴油機的啟動控制

柴油機在實際工作中，啟動前需要對其他配合的構件工況進行仔細檢查，如表1。

柴油機在啟動時是通過蓄電池帶動啟發電機進行工作，柴油自身的辛烷值與汽油相比就有所不同，在點火啟動上比較困難，因此對啟發電機的要求較高，當電機功率不能滿足要求時，容易造成柴油機啟動不穩定，燃油不能夠充分的利用，所以通常情況下柴油機啟動時會冒黑煙，會對大氣造成很大的污染，在過冷的地區，常常也會出現無法啟動的問題。因此，柴油機在啟動前的預熱工作就顯得尤為重要，為節約內燃機車蓄電池電能，設計采用外接380伏電加熱管組對柴油機冷卻液進行快速制熱，在保證冷卻液不缺且充足的情況下，迅速為柴油機的啟動做好預熱，可極大縮短柴油機的爆發啟動時間，減少冒黑煙的發生。

在內燃機車的啟動操作中，如果預準備工作不充分，在柴油機還沒達到理想啟動狀態時強行啟動柴油機，啟發電機在轉速上并沒有達到額定要求，因此燃燒室內燃料不完全燃燒，會排出大量具有污染性的氣體，在低溫極端天氣出現時，由于柴油機本身預熱不夠充分，常常會出現無法啟動的問題，柴油機持續低速空轉，無法到達額定的工作轉速。對于本次設計所需柴油機的啟動電路設計如下：

通過上述分析不難得出，QC在整個電控系統中發揮著較為重要的作用。通過查閱相關文獻和設計手冊，結合設計對內燃機啟動的測試情況分析，柴油機在啟動時主要分為下述四個過程：3K扳鍵開關控制潤滑油泵接觸器QBC吸合進行預供油起機準備、4K扳鍵開關控制燃油泵接觸器RBC吸合供給燃油，斷開QBC，按下柴油機起機按鈕1QA，通過燃油泵接觸器常開觸點使QBC得電向柴油機各摩擦表面供油預潤滑，1SJ時間繼電器延時約45s后，啟動接觸器QC自動閉合，啟動發電機驅動柴油機旋轉、啟機按鈕須一直按壓到柴油機末端潤滑油壓力上升到110kpa，前、后增壓器潤滑油管路上油壓繼電器觸頭1SJ和2SJ吸合，方可松開啟動按鈕。從啟動接觸器QC閉合后，柴油機啟動按鈕接通時間不允許超過40s。柴油機轉速達到額定怠速430r/min，成功啟動。管路內潤滑油壓力是否達到額定要求是發動機能否成功啟動的關鍵，所以在電氣控制中可以將該項參數作為一項重要的監測數值。通過相應的編程方式，對上述四個狀態下柴油機內部管理的液體壓力進行實時監測和反饋。

5.2 機車的恒功率調節

通過查閱相關文獻和設計手冊，柴油發動機在實際工作中與汽車電瓶為串聯結構，結合本次設計實際工作需求，對機車的功率在計算上都需考慮在內，通過對相關知識的學習和總結，得出下述計算公式：

對于上述公式：

PF是本次設計內燃機實際輸出功率大小；

Nf是工作過程中不可抵抗因素對實際電機的影響效率；

Nc是本次設計柴油發動機在實際工作中有效功率大小；

ηf是本次設計發電機在實際工作中有效效率大小;

ηz是本次設計整流柜在實際工作中有效效率大小；

UF是本次設計發電機的額定工作電壓大小;

ⅠF是本次設計發電機的額定工作電流大小。

通過查閱相關文獻和設計手冊，對于上述公式中，在實際工作中的部分參數變化較低，在實際計算中可依據設計手冊和電機選擇類型的額定參數直接進行數學運算。其中，實際工作中電機的工作電壓和電流是否達到理論值，受電泵選擇的額定電壓和內燃機在工作中由于不可抗力對電機內部構件產生震動等因素對傳輸電壓或液壓的影響，因此實際工作狀態與理論設計狀態有一定的浮動空間，在進行數學模型的建立中可知得知，不能達到理想的函數關系圖形，期間會有一定的波動曲線。

6 結語

（1）設計所得控制系統通過測試可得可實行性較高、控制穩定、操作簡單，后期維護和修理方便。

（2）通過測試不難得出，該系統下的內燃機實際工作效率得到有效提升，燃料利用率有了相應的改進。

參考文獻：

[1]馬宇飛.內燃機電力系統在電氣工程自動化控制中的實踐[J].內燃機與配件.2019，（05）：80-83.

[2]朱輝，楊陽.內燃機的電氣工程自動化控制分析[J].電子元器件與信息技術.2021，5（08）：77-79.

作者簡介

馬帥：（1982—），男，湖南邵陽人，本科學歷，工程師。研究方向：內燃機車電氣，機械檢修。