吕志强 李杰 韩宁

摘要：PLC在工业控制领域被广泛使用，具有性能可靠、控制简便等特点。本文首先介绍内燃机车的主要特点及其发展，简述PLC技术，然后以某型内燃机车为例，探讨基于PLC优化内燃机车的逻辑控制系统设计，主要包括PLC选型、I/O接线等硬件设计以及柴油机启动，内燃机车启动控制程序等软件设计，旨在实现更加高效可靠的内燃机车控制。

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.

關键词：PLC;内燃机;逻辑控制;控制系统

Key words： PLC;internal combustion engine;logic control;control system

中图分类号：U262                                   文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）02-0011-03

0  引言

随着社会经济的不断发展，内燃机车交通运输服务需求不断增加，其运行速度和运行负荷大大增加，因此，对内燃机车控制系统的要求也越来越高。然而，常规内燃机车控制系统的电路不仅复杂，操作维护困难，而且控制触点多，易发故障。如果持续大电流，电路很可能会烧坏，进而威胁到行车安全。基于PLC的内燃机车逻辑控制系统电路更精简，系统运行更稳定，运维成本也更低。因此，有必要积极探讨基于PLC的内燃机车逻辑控制系统，有效提高内燃机车控制效率。

1  内燃机车特点及其发展趋势

内燃机车使用内燃机作为动力来源，燃料在气缸内燃烧，将热能转化为机械能，借助传动机构驱动车轮。内燃机车传动机构主要包括机械传动、电力传动、液压传动三种。1924年，苏联研制成功世界上第一台内燃机车并投入运行。同年，德国也研制出内燃机车。次年，美国研制成功电动内燃机车。二战后，内燃机车技术取得了飞速发展，其性能和制造技术水平大大提高，运力提升近一半。1950年代至1960年代，随着高性能硅换向器的研制成功，内燃机车的数量急剧增加。1970年代，电子技术被用于内燃机车，使得其性能和可靠性不断提高。当前，内燃机车正逐步向智能化、自动化控制水平迈进，集成了很多自动控制和电气工程领域的先进技术。

2  逻辑控制系统硬件设计

某类型内燃机车的电路由主电路、接口电路、辅助电路、励磁电路、控制电路构成。用PLC控制替换现有的继电器控制，以提高机车控制系统的可靠性。在基于PLC内燃机车逻辑控制系统设计中主要基于现有电路确定I/O点数量、确定PLC型号。基于PLC的控制系统结构如图1所示。

2.1 I/O点数确定

由于该型机车的辅助电路、励磁电路、主电路已多次优化，故在本次设计中保持不变。在控制电路中，控制输入信号主要是基于包含在开关和电气部分中的模拟信号，如液压信号、曲轴箱压力信号、油量信号等，通过将信号转换为开关量，减少模拟量输入模块限制。同时，优化电路设计，减少PLC输入引脚，合理设计PLC程序，可以提高PLC运行效率。优化后，大约需要60个输入点。在控制输出信号方面，主要涉及接触器、转换开关、继电器等30多个输出端，但是继电器可用PLC软件继电器实现，通过使用WJT无极控制变速器（Continuously Variable Speed Controller）控制步进电机，因此，输出点可以精简到22个。该型机车线圈电流通断频繁，启动电压达110V，应设置输出模块，通过PLC控制继电器的方法确保控制系统稳定运行。

2.2 PLC型号选择

在明确I/O点数以及系统基本要求的基础上选择合适的PLC型号。基于上述分析，本次设计的内燃机车逻辑控制系统选用欧姆龙公司的CMP2A-60CDR-D型PLC。该型PLC包含36个输入点、24个输出点，可以扩展3个单元，每个单元的I/O点分别为12、8，可满足系统需求，可以对继电器进行高效控制。CP1E-N60DR-D型PLC的I/O模块、CPU电源均为DC 24V，而内燃机车额定控制电压为DCI I0V，因此需要通过转换器进行电压转换，将110 V DC 转换为 24V DC。因为机车柴油机启动过程中蓄电池电压将降到40V。转换器的转换范围为50～140V，以有效确保逻辑控制系统的稳定运行。

3  逻辑控制系统软件设计

3.1 柴油机启动控制

柴油机长时间停机的情况下应先进行甩车操作，以排出气缸中的杂物。甩车之前，先打开3K开关，启动机油泵电机进行润滑。机油泵启动后关闭4K开关，启动燃油泵电机为柴油机加油。然后按下1QA启动按钮启动柴油机，柴油机启动控制流程如图2所示。

3.2 内燃机车启动控制

当内燃机车准备运行时，先控制辅助电路进行辅助发电、固定发电以及空压机启动等操作，然后将操纵杆移到所需位置（例如“前牵”），接通2K开关，将主手柄SK从“0”移到“1”，换向开关接通，此时内燃机车启动。内燃机车控制流程如图3所示。

先接通2K开关，接通继电器线圈电源。然后接通1GK-6GK故障开关，并将其置于在执行位。准备操作用来接通牵引电动机电路的电空接触器1C-6C。控制方向转换操控手柄从“0”位置移动到“前牵”位置，SK2，SK3开关接通。此时触点0010、1100均接通，牵引电空阀1HGg线圈通电，机车准备运行。将主手柄从“0”移到“l”并接通操作手柄SK7。机车没有启动，因此直流牵引电动机电空接触器1C-6C没有激活，此时输出点20000、0103、00111、1101陆续接通，形成前进电空阀1HKf线圈回路，机车运行后，前进电空阀线圈1HKf仍持续通电。内燃机车运行正常的情况下，励磁机励磁电路接触器LLC线圈控制电路线圈通电，输出点20001、1105-1202接通，1C-6C线圈通电，直流牵引电动机1D-6D电路接通，利用1GK-6GK设置故障位，切除故障电动机。如中间有电机因故障被切除，可利用相应的故障开关接通。因为输出点20002、LLC线圈接通，输出点1203接通，使励磁接触器LC线圈通电，励磁电流驱动牵引发电机发电，直流牵引电动机1D-6D运行，内容汽车完成启动进入运行阶段。

3.3 电气保护电路控制

该型内燃机车配套多项保护装置，如盘车保护装置、温度保护装置、过流保护装置、空转保护装置、油压保护装置等，以有效确保柴油机及其他电气设备的稳定工作，进而有效保障机车安全运行。在基于PIC的逻辑控制系统中保留原有保护装置，将保护装置电路对应的触点作为相互锁定触点融入PLC程序中。内燃机车电气保护梯形图如图4所示。

3.3.1 电阻制动

换向手柄在“制动”位时，括司机控制器SK1开关接通，输出1103点接通，断开制动电空阀2HGg，制动线圈通电。主手柄置于“1”位，励磁机励磁电路接触器LLC线圈和励磁接触器LC线圈按照规定的顺序执行动作，1104、0204、00205、1103、1204接通，电阻制动接触器ZC线圈通电，实现电阻制动。

3.3.2 故障励磁

如果测速发电机CF发生故障，则接通故障励磁开关9K，1104、0003、1101常闭，0201、1007导通，和1104并联的常开触点自动锁定。打开继电器GLFC线圈电源，斷开测速发电机电路，排除故障源。同时，0201、1006接通，固定发电接触GFC线圈接通，开始固定发电。然后将主手柄抬至“l”位置为柴油机充电，从而可以保护电触点并保持机车运行稳定。此时1205接通，GLC线圈通电，启动故障励磁。在固定发电状态下，励磁机的励磁电流由启动发电机QF提供。

3.3.3 磁场削弱

闭合磁场削弱控制开关XKK，0206接通，1206接通，组合接触器XC线圈通电，进入磁场削弱状态。

3.3.4 接地和过流保护

当电流继电器LJ或DJ线圈通电后，0202断开，对应的励磁机励磁电路接触器LLC线圈失电，直流牵引电动机电空接触器1C-6C、励磁接触器LC依次失电。

3.3.5 盘车保护

输入点0001中包含转轴联锁盘车脱开ZLS常闭触点。当盘车脱开时，ZLS常闭触点闭合，此时起动柴油机接触器线圈才能得电，柴油机启动或甩车，从而保证柴油机的运行稳定以及操作人员的安全。

3.3.6 牵引电机故障切除

如果牵引电机故障，可以通过故障开关1GK-6GK从主电路中切除故障电机从，从而保证内燃机车的稳定运行。

3.3.7 原有电路的继电器

软继电器0003的作用类似原有电路路继电器1ZJ，能有效确定机车启动平稳。软继电0004的作用类似原有电路的继电器2ZJ，其输入端位水温继电器或差动继电器。当水温超出安全范围时，软继电器0004得电动作，以切断励磁机励磁电路接触器LLC线圈，使励磁接触器LC线圈失电，进而控制柴油机停止运行。软继电器0005的作用类似原有电路的继电器3ZJ，其输入端为油量开关，主要起到保护大负荷运转时柴油机的润滑油压。软继电器0006的作用类似原有电路的继电器4ZJ，输入端为是曲轴箱差示压力，主要起到柴油机防暴作用。

4  系统抗干扰技术

内燃机车的运行环境比较复杂，可能会受到各种因素的影响而干扰机车控制系统的正常运行，如内燃机车的工作环境温度、湿度、噪音等，如果不采取有效措施抗干扰就可能导致机车运行故障，甚至造成重大事故。因此，必须先明确控制系统的干扰来源，进而采取相应的抗干扰措施有效减少干扰，提高控制系统的可靠性。

4.1 干扰来源

4.1.1 系统开关动作时形成的干扰

内燃机车控制系统中包含许多开关和触点，例如输入端的开关、换档开关、调速手轮开关等。开关、触点在断开、闭合时存在弹性振动，可能会形成持续几毫秒的开路电压，产生电流脉冲，对内燃机车的数字电路和电子设备形成较大干扰。

4.1.2 继电器、接触器线圈动作时形成的干扰

继电器在内燃机车控制系统中的应用非常广泛，主要包括控制继电器、保护继电器两类。前者的作用是实现各电路的转换，后者的主要作用是检测机车故障，确保机车安全运行。机车运行过程中，接触器需要频繁断开和连接主回路和辅助回路，形成较大的通断电流。断开线圈时形成浪涌电压，这对电子设备的干扰很大。

4.1.3 直流牵引电机换向形成的干扰

内燃机车直流牵引电机工作时可能会因为振动、磁场削弱、电流变换幅度过大等原因形成电磁火花。而且牵引电机悬挂在机车车身下方，随着轨道颠簸，换向器和电刷在振动作用下可能松动，进而影响换向器和电刷之间的滑动接触，进而导致机械火花的产生，电磁火花对电子设备运行稳定影响较大。

4.1.4 控制电路供电电源形成的干扰

在柴油机启动前，内燃机车控制器由蓄电池供电。同时，电池还为机车起动机、起动机油泵电机和燃油泵电机等辅助设备供电。开启或关闭这些装置，尤其是柴油机启动时，会显着降低机车蓄电池的输出电压，降低控制系统的可靠性。

4.2 抗干扰设计

①对于机车继电器和电磁阀线圈断电时产生的浪涌电压，可以在继电器、电磁阀和其他线圈两端并联浪涌电压吸收器，采取二极管、电容、压敏电阻等多种装置有效吸收浪涌电压。例如，可以用压敏电阻吸收ns级别的浪涌电压。②内燃机车电源可采用DC/DC升压滤波方式，可有效地防止因电源波动而导致的控制系统故障。DC/DC升压滤波模块不仅可以为控制系统供电，还可以为微机系统供电，使其更加安全。③内燃机车正常运行时，机车大部分设备由辅助发电机供电，部分设备由蓄电池供电，单独与蓄电池相连。减少蓄电池供电的设备可以减少用电设备之间的干扰，电池电压比较稳定，可以消减电磁干扰。

5  结语

综上所述，随着中国铁路运输装备的逐步现代化，推进内燃机车的新技术创新是必然趋势。传统的继电器逻辑控制方法联锁控制觸点太多，接线复杂，控制电路复杂，可靠性差，维护麻烦。基于此，本文针对某型内燃机车采用可编程逻辑控制器（PLC）开发了机车逻辑控制系统。该系统非常便携，可用于修改现有内燃机车的控制逻辑。也可作为内燃机车逻辑控制的学习实验平台，充分利用机车原有的设备和运行方式，简化操作，方便改装，提高机车的可靠性，获得优良的经济效益。

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作者简介：吕志强（1971-），男，北京人，北京电子科技职业学院讲师，本科，研究方向为汽车电控、车联网;李杰（1964-），男，北京人，北京电子科技职业学院副教授，本科，研究方向为汽车企业运营与管理、汽车配件、保险;韩宁（1987-），男，山东德州人，天津中凯华科技有限公司总经理，本科，研究方向为汽车营销、新能源专业及智能网联专业“岗课赛证”融通、汽车企业运营与管理。