基于PLC 的東風4DD 型內燃機車電氣控制系統優化設計

唐國梁

（山東淄礦鐵路運輸有限公司，濟寧 272104）

內燃機車作為鐵路運輸的核心組成部分，在貨運和旅客運輸中發揮著不可或缺的作用。然而，其電氣控制系統在實現高效性能和可靠性方面還面臨著一系列挑戰。傳統的內燃機車電氣控制系統在自動化、精確性和穩定性方面存在不足，其中自動化控制的實現一直是一項具有挑戰性的工作。在這一背景下，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術的引入提供了一種有效的解決途徑。PLC 以其高度自動化、靈活性、實時監測和精確控制的特性脫穎而出，為內燃機車電氣控制系統的優化設計帶來新的可能性。本研究旨在深入探討如何充分利用PLC 技術，通過自動換擋、運行方向控制等關鍵功能的改進，提升東風4DD 型內燃機車電氣控制系統的穩定性和安全性。

1 可編程控制器

1.1 PLC 的工作構成

PLC 是自動化控制系統中的電子設備，用于監控和控制工業過程和機械設備。PLC 的工作構成包括6 個關鍵部分。第一，輸入階段。PLC 接收來自傳感器、開關等設備的現場信息，如溫度、壓力、位置等，將其轉化為電信號。這些信號通過輸入模塊傳遞到PLC，包括數字輸入和模擬輸入。第二，邏輯處理。PLC 的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）執行用戶編寫的程序，通常使用編程語言，如梯形圖、結構化文本等。程序包含邏輯控制指令，如邏輯運算、計數、計時、比較等，用于處理和分析輸入信號。第三，程序存儲和執行。PLC 將程序存儲在內部非易失性存儲器中，確保程序即使斷電也不會丟失。CPU 按照程序邏輯順序執行指令，包括檢查輸入狀態、執行計時器和計數器操作、邏輯比較等。PLC 根據執行結果，生成輸出信號。第四，輸出階段。PLC 生成的輸出信號傳遞到輸出模塊，這些模塊將信號轉化為電壓或電流，并通過繼電器、電磁閥、電動馬達等執行設備控制工藝或機械動作[1]。第五，循環控制。PLC 工作在連續循環中，以毫秒級速度掃描輸入信號、執行邏輯程序，實時監控和控制工業過程，確保其符合要求。第六，通信和監控?，F代PLC 通常帶有通信接口，與其他PLC 或上層控制系統通信。這使得用戶能夠監控和遠程控制PLC，通常通過以太網、串行通信等協議實現集中控制和監測。

1.2 應用優勢

在東風4DD 型內燃機車的電氣控制系統中，PLC的應用具有顯著優勢。首先，PLC 實現了高度自動化控制，能夠可靠執行各種任務，如自動換擋和運行方向控制，提高了機車的操作效率。其次，PLC 具有靈活的編程能力，可以根據特定需求進行定制，適應不同的控制邏輯和工作條件。再次，PLC 能夠實時監測內燃機車的狀態和性能參數，及時響應異常情況，確保系統的安全性和可靠性。最后，PLC 系統維護相對容易，能夠進行在線或離線診斷，快速發現和解決問題，從而縮短機車的停機時間，降低維護成本[2]。

2 電氣控制系統優化設計

2.1 電氣控制系統的現狀

東風4DD 型內燃機車是我國重要的鐵路運輸工具，但是其電氣控制系統存在一定的問題。首先，由于復雜的控制系統結構和相對低的可靠性，機車頻繁出現故障，嚴重降低了列車的可用性。乘客和貨物的運輸受到直接影響，使得鐵路運輸服務的穩定性和可靠性降低。其次，電氣線路老化引發的故障不斷上升，意味著維修需求急劇增加，鐵路維修團隊不得不投入更多的資源和時間來處理這些問題，不僅增加了維護成本，而且影響了鐵路運輸的正常運行。最后，機車原有的單片機系統存在隔離不足的問題，導致調速和換擋故障頻繁發生，嚴重影響機車的性能和可靠性[3]。

2.2 電氣控制系統優化

從信號輸入到最終的驅動輸出，柴油機調速系統包括多個環節。當柴油機需要調速時，司控器通過調整手輪位置改變電壓信號的數值。根據測得的頻率，單片機通過場效應管T1、T2 和T3 輸出脈沖信號，這些脈沖信號的間隔為固定數值，以達到調速目的。

但是，調速系統電路問題可能為柴油機的正常運行帶來風險?？刂齐娫从?2 V 穩壓電源、12 V 蓄電池和110 V 蓄電池組成，電源之間沒有隔離措施。這意味著，一旦電路發生瞬間故障，柴油機的調速功能可能會受到影響，甚至導致控制電路的主要組件損壞，單片機程序故障的發生率高達30%。此外，T1、T2和T3 場效應管的損壞率高達70%。

為了解決這些問題，必須徹底改造電氣系統。計劃采用三菱PLC FX 系列產品替代原有的調速系統。PLC 系統具有可編程性，可以進行程序的移植和修改，從而提升系統的靈活性[4]。此外，PLC 還具有80 個輸入/輸出（Input/Output，I/O）點，可以適應不同的輸入信號，從而實現各種控制需求。

2.3 調速系統程序優化

司控器的調速方式從傳統的手輪式有擋無級調速升級為推拉式無擋無級調速。傳統的手輪式調速器通常涉及至少16 個觸點的復雜控制系統，而新的推拉式調速器僅需2 個觸點，分別用于升速和降速控制。該簡化不僅減少了系統中觸點故障的潛在風險，還降低了維護和維修的頻率，從而提升調速系統的可靠性[5]。同時，傳統的PLC 接收信號采用復雜的8421 碼，而當前采用更為直觀的兩位信號組合，包括升速、保持和降速?？刂瞥绦蜻壿嬯P系，如表1 所示。

表1 控制程序邏輯關系

柴油機采用無級調速的方式。具體而言，當柴油機啟動且加載條件滿足時，司控器的狀態根據操作員的動作變化得到相應調整。例如，當司控器置于“升”位，同時a04 和a05 接收輸入信號時，柴油機進入“?！蔽籦22 和“升”位b23 狀態，步進電機開始順時針旋轉，從而提高柴油機的轉速。操作員釋放司控器手柄時，手柄會迅速返回“?！蔽?，此時a04 保持輸入，a05 斷開，b22 輸出，步進電機停止旋轉，從而維持柴油機的恒定轉速。

如果司控器手柄被置于“降”位，a04 和a05 都沒有輸入信號，輸出點b22 和b23 都沒有輸出信號，步進電機將逆時針旋轉，從而降低柴油機的轉速。當司控器手柄返回“1”位或“0”位后，b22 和b23 仍然沒有輸出信號，步進電機將繼續逆時針旋轉，40 s后停止。

2.4 速度及轉速傳感器優化

原始的4DD 型機車柴油機的轉速和機車速度傳感器與液壓傳動箱的齒輪輸出軸直接相連，連接點之間有油封密封。由于密封不良，機器之間的油液泄漏問題嚴重，導致輸出軸與傳感器之間的軟連接故障率較高。為了解決這些問題，首先在輸出軸上安裝測速齒輪。齒輪的作用是直接連接機車的傳動系統，以便采集轉速數據。其次，在輸出軸和液壓傳動箱之間添加密封罩蓋，在不影響機車正常操作的情況下確保密封性，以避免出現油液泄漏問題。最后，在密封罩蓋上安裝接近開關，檢測測速齒輪的旋轉，采集所需的轉速信號。這些優化措施對于保持機車的性能具有積極的作用，確保機車在工作中更加可靠和高效運行，減少了不必要的維修和維護成本。

2.5 機車換擋程序優化

4DD 型內燃機存在換擋換向閥的問題，這一故障主要由于柴油機轉速受電磁干擾和傳感器連接問題影響，導致自動換擋不準確，系統運行受損。為解決此類問題，全面優化和改進自動換擋系統。一方面，取消原有的閥控制，引入接近開關，以準確采集柴油機轉速。另一方面，使用專門設計的功放塊來控制手動換擋主控閥。系統改進后的自動換擋控制原理，如圖1 所示。

圖1 自動換擋控制系統原理

機車行進時，PLC 根據速度進行智能控制。當速度超過自動換擋點時，PLC 進行復雜計算，輸出至功放塊，主控閥執行相應動作。自動換擋控制梯形圖，如圖2 所示。該優化方案有利于提升機車性能和可靠性，消除原有故障點，確保換擋的準確性。

圖2 自動換擋控制梯形圖

3 結語

針對柴油機的調速系統、速度及轉速傳感器、機車的換擋程序進行全面的改進和優化，以提升系統的性能和可靠性。原有的調速系統存在一系列電路問題，如電源隔離不足、場效應管的高損壞率以及復雜的控制方式。通過采用三菱PLC FX 系列產品替代原有系統，提升系統的穩定性和可靠性，降低故障率，同時增強了系統的可編程性和適應性。針對速度及轉速傳感器問題，采取安裝測速齒輪、添加密封罩蓋和安裝接近開關等措施，以減少油液泄漏的風險，確保采集準確的轉速信息。