内燃机车PLC控制系统及优化方式研究

陈景宏举

摘要： 内燃机车使用一段时间之后，电气系统必然会出现一些问题，故障的发生几率也会大幅增加。电气系统当中的线路已经老化之后，控制系统必然会受到影响，有些配件会出现可靠性下降的情况，对其进行维修也需要投入较大的成本，另外就是单片系统并未将隔离措施设置到位，调速、换挡必然会发生故障，内燃机运行无法保持正常状态，解决问题的主要途径就是对PLC控制系统予以优化，如此方可使得机车运行更加的可靠。

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.

关键词： 内燃机车;PLC控制系统;优化方式

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

中图分类号：U268.4+2                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）03-0007-03

0  引言

在现阶段，科技发展速度持续加快，对工业产生的影响是较大的，尤其是当微机技术得到应用后，工业生产的自动化、智能化水平会有明显提升，系统运行的效率也会大幅提升。内燃机车在地铁调车、救援等方面發挥着重要作用，因而要保证其运行效率切实提高，并保证运营风险得到有效控制。若想保证逻辑控制切实达成，必须要对PLC技术加以充分利用。本文主要针对PLC技术具有的优势展开深入探析，在此基础上寻找到可行的措施来保证系统优化目标切实达成。

1  PLC技术简述

所谓PLC技术，简单来说就是可编程控制器，可以按照实际需要选择控制模块，相关的控制程序能够保证在控制功能方面的需求切实满足，在工业领域中已经得到了广泛应用。PLC在质量方面是具有优势的，而且可靠性较高。CPU选用的是达到工业级的信号处理器，相关的元件也都达到了工业级，从厂家直接购买，电源元件的审核是十分严格的，确保选择的元件不存在任何质量问题。电源模块达到了工业级，在对其进行设计时，对相关的专业知识予以应用，能够有效抵御干扰，尤其是能够对电源元件产生的干扰予以有效消除。当工业电源无法保持稳定状态，变频调速难以使用时，其依然能够实现正常工作。PLC软件具有良好的可扩展性，若想将新的功能加入其中，只需要将功能模块添加到软件中，同时对功能程序进行修正即可。PLC能够有效完成软件编程工作，这就使得系统开发所需时间大幅减少。

PLC发展至今已有近40年的历史，随着半导体技术、计算机技术和通信技术的发展，工业控制领域已有翻天覆地的变化，PLC亦在不断的发展，正朝着新的技术发展。

一是PLC网络化技术的发展，其中有两个趋势：一方面，PLC网络系统已经不再是自成体系的封闭系统，而是迅速向开放式系统发展，各大品牌PLC除了形成自己各具特色的PLC网络系统，完成设备控制任务之外，还可以与上位计算机管理系统联网，实现信息交流，成为整个信息管理系统的一部分;另一方面，现场总线技术得到广泛的采用，PLC与其他安装在现场的智能化设备，比如智能化仪表、传感器、智能型电磁阀、智能型驱动执行机构等，通过一根传输介质（比如双绞线、同轴电缆、光缆）连接起来，并按照同一通信规约互相传输信息，由此构成一个现场工业控制网络，这种网络与单纯的PLC远程网络相比，配置更灵活，扩容更方便，造价更低，性能价格比更好，也更具开放意义。

二是PLC向高性能小型化方向发展。PLC的功能正越来越丰富，而体积则越来越小。比如三菱的FX-1S系列PLC，最小的机种，体积仅为60×90×75mm，相当于一个继电器，但却具有高速计数、斜坡、交替输出及16位四则运算等能力，还具有可调电位器时间设定功能。PLC已不再是早期那种只能进行开关量逻辑运算的产品了，而是具有越来越强的模拟量处理能力，以及其他过去只有在计算机上才能具有的高级处理能力，如浮点数运算、PID调节、温度控制、精确定位、步进驱动、报表统计等。从这种意义上说，PLC系统与DCS（集散控制系统）的差别已经越来越小了，用PLC同样可以构成一个过程控制系统。

三是PLC操作向简易化方向发展。目前PLC推广的难度之一就是复杂的编程使得用户望而却步，而且不同厂商PLC所用编程的语言也不尽相同，用户往往需要掌握多种编程语言，难度较大。PID控制、网络通信、高速计数器、位置控制、数据记录、配方和文本显示器等编程和应用也是PLC程序设计中的难点，用普通的方法对它们编程时，需要熟悉有关的特殊存储器的意义，在编程时对它们赋值，运行时通过访问它们来实现对应的功能。这些程序往往还与中断有关，编程的过程既繁琐又容易出错，阻碍了PLC的进一步推广应用。PLC的发展必然朝着操作简易化方向迈进，比如使用编程向导简化对复杂任务的编程，在这一点上西门子就充当了先行者，西门子S7-200的编程软件设计了大量的编程向导，只需要在对话框中输入一些参数，就可以自动生成包括中断程序在内的用户程序，大大方便了用户的使用。

2  PLC控制系统应用与机车控制的优势

从工业生产的角度来说，PLC的应用是较为常见的，其中的微处理器则是最为关键的部件，通过其能够使得逻辑控制目的切实达成，除了可以保证开关量、模拟量能够有效处理，而且自动定时也可顺利实现。对PLC控制系统予以分析可知，存贮器的实际容量是非常大的，不再需要使用继电器，这就使得系统体积缩小，然而运行速度能够加快，可靠性也会有明显提升。PLC控制系统对冲击、电磁干扰等的抵御能力是较强的，即使环境温度频繁改变，也不会产生较大影响。另外来说，系统操作是较为简单的，因而能够得到更为普遍的应用。此系统具有的优势集中在下面几点：

①中间继电器、时间继电器均已经取消，而且线路也更为简单。从机车使用来看，中间环节出现故障的几率是较大的，所以说，切实减少中间环节可以避免故障出现，控制系统能够变得更为可靠。

②对PLC控制系统可以进行灵活应用，依据使用的实际情况来予以适当调整，因而在对新机型加以研发时可以对其予以运用，这样就可保证周期大幅缩减，成本就可控制在合理的范围内。

③PLC控制系统的智能化水平是较高的，内燃机对其加以应用能够使得柴油机控制效果更为理想，油温、水温均能够实现自动控制，这样就会使得能源消耗大幅降低。

④对PLC控制系统具有的逻辑功能加以应用能够及时发现电气线路出现的故障，并可保证判断更为准确，这样一来，检修人员就能够立刻将故障排除，如此就可保证机車能够保持良好的运行状态。

3  系统结构组成

3.1 PLC单元

在整个控制系统中，主控单位为FX2N，通过其能够收集相关的运行数据，而且可对其进行整理，这样就可保证趋势分析顺利完成，而且所有数据均可得以存储，操作人员只需要通过操作终端就能够了解机车运行的现状。

本文介绍的内燃机车的PLC控制系统，由三菱FX2N-80MT-D型微机可编程控制器、传感器、DA数模转换器、AD模数转换器、YMZH柴油机油门信号变换器、PWM脉宽调制信号、柴油机电子控制模块（ECM）、 940GOT-SWD显示屏。等组成，其中微机可编程控制器，即PLC为系统的核心。如图1所示。PLC的工作电源，由柴油机的24V蓄电池经稳压器后提供，其输人端主要接收ADS司机控制器位信号、柴油机转速信号、机车速度信号及各电器部件的开关量信号，输出方式则采用继电器输出，共20个固态继电器，以微电流驱动24V电控阀、24V直流接触器与110V直流接触器等电器元件的动作。DA模块用于柴油机机油油压信号与冷却水温度信号的收集，AD模块则用于将数值信号转换模拟信号，并通过YMZH柴油机油门信号变换器，向柴油机的ECM提供信号，实现柴油机转速的调整。

3.2 系统功能

通过该系统可以使得机车柴油机启闭能够得到有效控制;将模拟量输入模块加以应用可以顺利采集温度信息、压力信息，通过程序来完成计算就能够将柴油机转速、行车速度予以明确;机车处于行驶状态时，如果某项的模拟量超出最大值的话，可立即将报警信号发出;机车运行的相关参数可以在人机界面上清晰呈现出来[2];操作级别均可将分级加密做到位，实时参数也能够予以修改;柴油机可以做到无极调速。

4  系统软件设计

对于机车电气控制系统来说，软件设计是不可忽视的，也就是要保证子程序模块的设计是最为合理的，具体包括启动、显示、调速、报警以及控制等。具体来说，在对柴油机启动子程序模块进行设计时，启动按钮直接按下之后，机油预供油泵开始工作，此时机油压就会逐渐增加，达到0.1MPa后则立即停止，而电机启动则会使得柴油机也直接启动，启动回路也会处于断开状态，这样一来，二次启动就不会发生。对定位模块加以利用可以使得脉冲输出顺利实现，此时电机就能够真正做到无级变速，而将上下限开关就可使得柴油机转速能够处于可控范围中;控制系统完成相关信号的采集后，要针对采样值、安全设定值予以比对，在获得结果之后就能够将报警信号直接发送出去;机车采用手动控制模式的话，操作人员通过操作杆就能够使得开关转换实现，档位也能够直接调换，采用自动控制模式的话，自动调速就能够顺利达成;操控台中增加了人机界面，也就是由共同画面、集中画面、故障画面组成，在这当中，通过共同画面能够了解时间、日期，而通过集中画面则能够将水温、油压、油温之类的信息清晰呈现出来，故障画面可以保证故障信息能够直接显示，同时可以了解故障造成的后果，并提供具体的处理方法，这样一来，操作人员就可在第一时间完成故障处理。

5  柴油机控制

所谓柴油机控制，简单来说就是供电启动、停机。从柴油机启动来看，和汽车启动方式是大致相同的，也就是通过控制摇杆使得手柄处于0位置，此时为空档，柴油机能够直接予以启动，这个时候的控权开关处于闭合状态，继电器可以获得电源，将启动钥匙拨至运行位置后就可使得控制系统通电，诊断灯就会亮起，在其熄灭之后直接使用钥匙进行启动，继电器就能够通电，这个时候的柴油机会启动，继而将启动钥匙拨至运行位置，这样就完成了整个启动程序。在整个柴油机控制系统中，EDC是最为关键的，利用CAN总线通讯就能够使得EDC、PLC能够顺利连接起来，这样就能够获得控制信号，柴油机的启闭以及调速就可真正实现[3]。另外来说，对CAN总线通讯加以利用可以保证转速、油温之类的信息在触摸屏中直接显示出来。

6  制动系统控制

从制动系统控制来看，也就是针对空压机、空气干燥器、紧急制动、旁路制动电路进行控制。众所周知，机车当中的空压机主要是通过皮带来进行驱动，利用PLC系统中的总分压传感器就能够对其压力有一定的了解，而且能够保证空压机得到自动控制，如果风压在730kPa以下的话，空压机灯则会处于亮起状态，一旦超过900kPa，那么泵风就会立刻停下，此时的指示灯会熄灭。如果进行强制泵风的话，操作人员只需要对显示屏中的按钮予以控制就能够适当调整。当机车处于行驶状态时，如果发生紧急状况的话，必须要立即将紧急按钮按下，这个时候，紧急电阀就能够通电，列车管就会直接排风，机车紧急制动就会呈现出零速联锁的情况，此时机车就会重新启动。这里需要指出的是，在主副操纵台的旁边还设置了用于制动的按钮，获得指令之后就可使得旁路制动继电器通电，柴油机就会直接卸载。

7  冷却系统控制

对静压油箱当中设置了吸油、回油过滤器、低液位报警器、油压油温传感器，在这当中，过滤器当中安装了堵塞发讯器，如果过滤器发生堵塞的话，高电平就会直接发出，显示器就能够直接予以显示。通过温度传感器能够对油温信息予以采集，并传送到PLC当中，从显示屏中就可了解相关情况。如果液位在最小设定值以下的话，报警信号能够发出来[4]。通过PLC来控制继电器，使得冷却风扇能够通电，如果采用自动控制模式的话，那么就可依据进气、冷却液的温度，以及传动、静液压的油温来对继电器动作进行控制，如此一来，冷却风扇的速度就可得到有效控制。对冷却风扇进行手动控制的过程中，操作人员需要进行细致观察，在获得结果之后就可据此来控制风扇转速。在对冷却风扇予以启动之后，转速应该由低到高，切不可采用高速驱动方式。对高速、低速进行转换的过程中，转化档位的停留时间应该达到15s，之后方可對档位予以转换。处于运行状态时，如果冷却风扇出现故障的话，必须要立即置于0档位，这样可以保证风扇断电，不会出现再次转动的情况，否则的话，维修人员的安全就难以得到保证。

8  内燃机车PLC逻辑控制系统的设计及优化

8.1 PLC控制系统在柴油机调速程序中的优化

从ADS司机控制器的组成来看，调速手柄、连接齿轮、凸轮、开关触点均是不可缺少的。对调速手柄施加重力的话，齿轮就会和弹簧压片相接触，凸轮则会被顶起，或是凹陷，如此一来，开关触点则会被接通，或是被断开。司机进档如果过快的话，那么齿轮转速就会明显加大，这个时候发生异常的几率则会明显增加。若想使得柴油机调速控制能够顺利实现，常见的做法是对转速方向予以升降，也可对转速快慢进行改变，前者是控制步进电机的正转、反转进行控制，后者则是要控制好步距角行进的速度。而要保证柴油机调速器能够真正发挥出作用，必须要对三项步进电机具有的功能有切实的了解，并要知晓其运作的具体方式，针对调速程序予以优化。

8.2 机车应急功能优化

在柴油机运行中，影响其功能的两个主要部分就是机油压力和冷却水温度，直接反应了柴油机运行的正常与否。如果柴油机出现异常，可以使用相应程序进行限制，防止机车携带故障运行，发生事故。同时，柴油机中的传感器自身也会发生故障，传感器损坏，信号不能正常传输到PLC中，都会影响机车正常运行。如果机车出现故障，司机在短时间中不能对其进行解决，如果处置不合理，就会导致机车因为故障不能及时消除，而影响铁路线路的正常运用，给铁路运行带来风险[5]。对此，可以在PLC控制系统中加入应急程序段，并增加相应的应急操作界面，用它来作为应急程序的输入端，这种方法，可以防止应急开关在特殊情况下出现新的故障点。

9  结语

PLC技术在内燃机中的使用有效地解决了多种继电器以及接触屏控制系统复杂的问题，简化了工作流程，通过PLC控制系统的使用，机车的电气控制系统工作稳定性得到加强，机车的触摸式液晶显示屏极大地方便了操作人员对机车运行状态的实时监测，此外可以对机车的故障信息进行记录，有助于对设备进行检查与维修。

参考文献：

[1]王宏亮，王双林，周鸿亮.基于内燃机车电气控制系统的应用[J].内燃机与配件，2020（08）：86-87.

[2]廖丽.内燃机车PLC控制系统及优化方式分析[J].中国设备工程，2019（14）：48-50.

[3]冯璐珂.内燃机车电气控制系统采用PLC控制的分析[J].机械管理开发，2018，33（12）：252-254.

[4]刘永平.内燃机车PLC控制系统及优化方式分析[J].科学技术创新，2017（28）：70-71.

[5]郑兴杰.内燃机车PLC控制系统分析及程序优化[J].机电工程技术，2014，43（05）：135-139，175.