內燃機車PLC控制系統及優化方式研究

陳景宏舉

摘要： 內燃機車使用一段時間之后，電氣系統必然會出現一些問題，故障的發生幾率也會大幅增加。電氣系統當中的線路已經老化之后，控制系統必然會受到影響，有些配件會出現可靠性下降的情況，對其進行維修也需要投入較大的成本，另外就是單片系統并未將隔離措施設置到位，調速、換擋必然會發生故障，內燃機運行無法保持正常狀態，解決問題的主要途徑就是對PLC控制系統予以優化，如此方可使得機車運行更加的可靠。

Abstract： After the diesel locomotive is used for a period of time， some problems will inevitably appear in the electrical system， and the probability of failure will increase greatly. After the circuit in the electrical system has aged， the control system will be affected. The reliability of some accessories will be reduced， and a large cost will be invested in its maintenance. In addition， the single-chip system does not set the isolation measures in place， the speed regulation and gear change will inevitably fail， and the internal combustion engine cannot maintain normal operation， The main way to solve the problem is to optimize the PLC control system， so as to make the locomotive run more reliable.

關鍵詞： 內燃機車;PLC控制系統;優化方式

Key words： diesel locomotive;PLC control system;optimization mode

中圖分類號：U268.4+2 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）03-0007-03

0 ?引言

在現階段，科技發展速度持續加快，對工業產生的影響是較大的，尤其是當微機技術得到應用后，工業生產的自動化、智能化水平會有明顯提升，系統運行的效率也會大幅提升。內燃機車在地鐵調車、救援等方面發揮著重要作用，因而要保證其運行效率切實提高，并保證運營風險得到有效控制。若想保證邏輯控制切實達成，必須要對PLC技術加以充分利用。本文主要針對PLC技術具有的優勢展開深入探析，在此基礎上尋找到可行的措施來保證系統優化目標切實達成。

1 ?PLC技術簡述

所謂PLC技術，簡單來說就是可編程控制器，可以按照實際需要選擇控制模塊，相關的控制程序能夠保證在控制功能方面的需求切實滿足，在工業領域中已經得到了廣泛應用。PLC在質量方面是具有優勢的，而且可靠性較高。CPU選用的是達到工業級的信號處理器，相關的元件也都達到了工業級，從廠家直接購買，電源元件的審核是十分嚴格的，確保選擇的元件不存在任何質量問題。電源模塊達到了工業級，在對其進行設計時，對相關的專業知識予以應用，能夠有效抵御干擾，尤其是能夠對電源元件產生的干擾予以有效消除。當工業電源無法保持穩定狀態，變頻調速難以使用時，其依然能夠實現正常工作。PLC軟件具有良好的可擴展性，若想將新的功能加入其中，只需要將功能模塊添加到軟件中，同時對功能程序進行修正即可。PLC能夠有效完成軟件編程工作，這就使得系統開發所需時間大幅減少。

PLC發展至今已有近40年的歷史，隨著半導體技術、計算機技術和通信技術的發展，工業控制領域已有翻天覆地的變化，PLC亦在不斷的發展，正朝著新的技術發展。

一是PLC網絡化技術的發展，其中有兩個趨勢：一方面，PLC網絡系統已經不再是自成體系的封閉系統，而是迅速向開放式系統發展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC網絡系統，完成設備控制任務之外，還可以與上位計算機管理系統聯網，實現信息交流，成為整個信息管理系統的一部分;另一方面，現場總線技術得到廣泛的采用，PLC與其他安裝在現場的智能化設備，比如智能化儀表、傳感器、智能型電磁閥、智能型驅動執行機構等，通過一根傳輸介質（比如雙絞線、同軸電纜、光纜）連接起來，并按照同一通信規約互相傳輸信息，由此構成一個現場工業控制網絡，這種網絡與單純的PLC遠程網絡相比，配置更靈活，擴容更方便，造價更低，性能價格比更好，也更具開放意義。

二是PLC向高性能小型化方向發展。PLC的功能正越來越豐富，而體積則越來越小。比如三菱的FX-1S系列PLC，最小的機種，體積僅為60×90×75mm，相當于一個繼電器，但卻具有高速計數、斜坡、交替輸出及16位四則運算等能力，還具有可調電位器時間設定功能。PLC已不再是早期那種只能進行開關量邏輯運算的產品了，而是具有越來越強的模擬量處理能力，以及其他過去只有在計算機上才能具有的高級處理能力，如浮點數運算、PID調節、溫度控制、精確定位、步進驅動、報表統計等。從這種意義上說，PLC系統與DCS（集散控制系統）的差別已經越來越小了，用PLC同樣可以構成一個過程控制系統。

三是PLC操作向簡易化方向發展。目前PLC推廣的難度之一就是復雜的編程使得用戶望而卻步，而且不同廠商PLC所用編程的語言也不盡相同，用戶往往需要掌握多種編程語言，難度較大。PID控制、網絡通信、高速計數器、位置控制、數據記錄、配方和文本顯示器等編程和應用也是PLC程序設計中的難點，用普通的方法對它們編程時，需要熟悉有關的特殊存儲器的意義，在編程時對它們賦值，運行時通過訪問它們來實現對應的功能。這些程序往往還與中斷有關，編程的過程既繁瑣又容易出錯，阻礙了PLC的進一步推廣應用。PLC的發展必然朝著操作簡易化方向邁進，比如使用編程向導簡化對復雜任務的編程，在這一點上西門子就充當了先行者，西門子S7-200的編程軟件設計了大量的編程向導，只需要在對話框中輸入一些參數，就可以自動生成包括中斷程序在內的用戶程序，大大方便了用戶的使用。

2 ?PLC控制系統應用與機車控制的優勢

從工業生產的角度來說，PLC的應用是較為常見的，其中的微處理器則是最為關鍵的部件，通過其能夠使得邏輯控制目的切實達成，除了可以保證開關量、模擬量能夠有效處理，而且自動定時也可順利實現。對PLC控制系統予以分析可知，存貯器的實際容量是非常大的，不再需要使用繼電器，這就使得系統體積縮小，然而運行速度能夠加快，可靠性也會有明顯提升。PLC控制系統對沖擊、電磁干擾等的抵御能力是較強的，即使環境溫度頻繁改變，也不會產生較大影響。另外來說，系統操作是較為簡單的，因而能夠得到更為普遍的應用。此系統具有的優勢集中在下面幾點：

①中間繼電器、時間繼電器均已經取消，而且線路也更為簡單。從機車使用來看，中間環節出現故障的幾率是較大的，所以說，切實減少中間環節可以避免故障出現，控制系統能夠變得更為可靠。

②對PLC控制系統可以進行靈活應用，依據使用的實際情況來予以適當調整，因而在對新機型加以研發時可以對其予以運用，這樣就可保證周期大幅縮減，成本就可控制在合理的范圍內。

③PLC控制系統的智能化水平是較高的，內燃機對其加以應用能夠使得柴油機控制效果更為理想，油溫、水溫均能夠實現自動控制，這樣就會使得能源消耗大幅降低。

④對PLC控制系統具有的邏輯功能加以應用能夠及時發現電氣線路出現的故障，并可保證判斷更為準確，這樣一來，檢修人員就能夠立刻將故障排除，如此就可保證機車能夠保持良好的運行狀態。

3 ?系統結構組成

3.1 PLC單元

在整個控制系統中，主控單位為FX2N，通過其能夠收集相關的運行數據，而且可對其進行整理，這樣就可保證趨勢分析順利完成，而且所有數據均可得以存儲，操作人員只需要通過操作終端就能夠了解機車運行的現狀。

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。PLC的工作電源，由柴油機的24V蓄電池經穩壓器后提供，其輸人端主要接收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24V電控閥、24V直流接觸器與110V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。

3.2 系統功能

通過該系統可以使得機車柴油機啟閉能夠得到有效控制;將模擬量輸入模塊加以應用可以順利采集溫度信息、壓力信息，通過程序來完成計算就能夠將柴油機轉速、行車速度予以明確;機車處于行駛狀態時，如果某項的模擬量超出最大值的話，可立即將報警信號發出;機車運行的相關參數可以在人機界面上清晰呈現出來[2];操作級別均可將分級加密做到位，實時參數也能夠予以修改;柴油機可以做到無極調速。

4 ?系統軟件設計

對于機車電氣控制系統來說，軟件設計是不可忽視的，也就是要保證子程序模塊的設計是最為合理的，具體包括啟動、顯示、調速、報警以及控制等。具體來說，在對柴油機啟動子程序模塊進行設計時，啟動按鈕直接按下之后，機油預供油泵開始工作，此時機油壓就會逐漸增加，達到0.1MPa后則立即停止，而電機啟動則會使得柴油機也直接啟動，啟動回路也會處于斷開狀態，這樣一來，二次啟動就不會發生。對定位模塊加以利用可以使得脈沖輸出順利實現，此時電機就能夠真正做到無級變速，而將上下限開關就可使得柴油機轉速能夠處于可控范圍中;控制系統完成相關信號的采集后，要針對采樣值、安全設定值予以比對，在獲得結果之后就能夠將報警信號直接發送出去;機車采用手動控制模式的話，操作人員通過操作桿就能夠使得開關轉換實現，檔位也能夠直接調換，采用自動控制模式的話，自動調速就能夠順利達成;操控臺中增加了人機界面，也就是由共同畫面、集中畫面、故障畫面組成，在這當中，通過共同畫面能夠了解時間、日期，而通過集中畫面則能夠將水溫、油壓、油溫之類的信息清晰呈現出來，故障畫面可以保證故障信息能夠直接顯示，同時可以了解故障造成的后果，并提供具體的處理方法，這樣一來，操作人員就可在第一時間完成故障處理。

5 ?柴油機控制

所謂柴油機控制，簡單來說就是供電啟動、停機。從柴油機啟動來看，和汽車啟動方式是大致相同的，也就是通過控制搖桿使得手柄處于0位置，此時為空檔，柴油機能夠直接予以啟動，這個時候的控權開關處于閉合狀態，繼電器可以獲得電源，將啟動鑰匙撥至運行位置后就可使得控制系統通電，診斷燈就會亮起，在其熄滅之后直接使用鑰匙進行啟動，繼電器就能夠通電，這個時候的柴油機會啟動，繼而將啟動鑰匙撥至運行位置，這樣就完成了整個啟動程序。在整個柴油機控制系統中，EDC是最為關鍵的，利用CAN總線通訊就能夠使得EDC、PLC能夠順利連接起來，這樣就能夠獲得控制信號，柴油機的啟閉以及調速就可真正實現[3]。另外來說，對CAN總線通訊加以利用可以保證轉速、油溫之類的信息在觸摸屏中直接顯示出來。

6 ?制動系統控制

從制動系統控制來看，也就是針對空壓機、空氣干燥器、緊急制動、旁路制動電路進行控制。眾所周知，機車當中的空壓機主要是通過皮帶來進行驅動，利用PLC系統中的總分壓傳感器就能夠對其壓力有一定的了解，而且能夠保證空壓機得到自動控制，如果風壓在730kPa以下的話，空壓機燈則會處于亮起狀態，一旦超過900kPa，那么泵風就會立刻停下，此時的指示燈會熄滅。如果進行強制泵風的話，操作人員只需要對顯示屏中的按鈕予以控制就能夠適當調整。當機車處于行駛狀態時，如果發生緊急狀況的話，必須要立即將緊急按鈕按下，這個時候，緊急電閥就能夠通電，列車管就會直接排風，機車緊急制動就會呈現出零速聯鎖的情況，此時機車就會重新啟動。這里需要指出的是，在主副操縱臺的旁邊還設置了用于制動的按鈕，獲得指令之后就可使得旁路制動繼電器通電，柴油機就會直接卸載。

7 ?冷卻系統控制

對靜壓油箱當中設置了吸油、回油過濾器、低液位報警器、油壓油溫傳感器，在這當中，過濾器當中安裝了堵塞發訊器，如果過濾器發生堵塞的話，高電平就會直接發出，顯示器就能夠直接予以顯示。通過溫度傳感器能夠對油溫信息予以采集，并傳送到PLC當中，從顯示屏中就可了解相關情況。如果液位在最小設定值以下的話，報警信號能夠發出來[4]。通過PLC來控制繼電器，使得冷卻風扇能夠通電，如果采用自動控制模式的話，那么就可依據進氣、冷卻液的溫度，以及傳動、靜液壓的油溫來對繼電器動作進行控制，如此一來，冷卻風扇的速度就可得到有效控制。對冷卻風扇進行手動控制的過程中，操作人員需要進行細致觀察，在獲得結果之后就可據此來控制風扇轉速。在對冷卻風扇予以啟動之后，轉速應該由低到高，切不可采用高速驅動方式。對高速、低速進行轉換的過程中，轉化檔位的停留時間應該達到15s，之后方可對檔位予以轉換。處于運行狀態時，如果冷卻風扇出現故障的話，必須要立即置于0檔位，這樣可以保證風扇斷電，不會出現再次轉動的情況，否則的話，維修人員的安全就難以得到保證。

8 ?內燃機車PLC邏輯控制系統的設計及優化

8.1 PLC控制系統在柴油機調速程序中的優化

從ADS司機控制器的組成來看，調速手柄、連接齒輪、凸輪、開關觸點均是不可缺少的。對調速手柄施加重力的話，齒輪就會和彈簧壓片相接觸，凸輪則會被頂起，或是凹陷，如此一來，開關觸點則會被接通，或是被斷開。司機進檔如果過快的話，那么齒輪轉速就會明顯加大，這個時候發生異常的幾率則會明顯增加。若想使得柴油機調速控制能夠順利實現，常見的做法是對轉速方向予以升降，也可對轉速快慢進行改變，前者是控制步進電機的正轉、反轉進行控制，后者則是要控制好步距角行進的速度。而要保證柴油機調速器能夠真正發揮出作用，必須要對三項步進電機具有的功能有切實的了解，并要知曉其運作的具體方式，針對調速程序予以優化。

8.2 機車應急功能優化

在柴油機運行中，影響其功能的兩個主要部分就是機油壓力和冷卻水溫度，直接反應了柴油機運行的正常與否。如果柴油機出現異常，可以使用相應程序進行限制，防止機車攜帶故障運行，發生事故。同時，柴油機中的傳感器自身也會發生故障，傳感器損壞，信號不能正常傳輸到PLC中，都會影響機車正常運行。如果機車出現故障，司機在短時間中不能對其進行解決，如果處置不合理，就會導致機車因為故障不能及時消除，而影響鐵路線路的正常運用，給鐵路運行帶來風險[5]。對此，可以在PLC控制系統中加入應急程序段，并增加相應的應急操作界面，用它來作為應急程序的輸入端，這種方法，可以防止應急開關在特殊情況下出現新的故障點。

9 ?結語

PLC技術在內燃機中的使用有效地解決了多種繼電器以及接觸屏控制系統復雜的問題，簡化了工作流程，通過PLC控制系統的使用，機車的電氣控制系統工作穩定性得到加強，機車的觸摸式液晶顯示屏極大地方便了操作人員對機車運行狀態的實時監測，此外可以對機車的故障信息進行記錄，有助于對設備進行檢查與維修。

參考文獻：

[1]王宏亮，王雙林，周鴻亮.基于內燃機車電氣控制系統的應用[J].內燃機與配件，2020（08）：86-87.

[2]廖麗.內燃機車PLC控制系統及優化方式分析[J].中國設備工程，2019（14）：48-50.

[3]馮璐珂.內燃機車電氣控制系統采用PLC控制的分析[J].機械管理開發，2018，33（12）：252-254.

[4]劉永平.內燃機車PLC控制系統及優化方式分析[J].科學技術創新，2017（28）：70-71.

[5]鄭興杰.內燃機車PLC控制系統分析及程序優化[J].機電工程技術，2014，43（05）：135-139，175.