内燃机车PLC控制系统分析及程序优化

郑兴杰

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510310）

内燃机车PLC控制系统分析及程序优化

郑兴杰

（广州市地下铁道总公司，广东广州 510310）

内燃机车是地铁一种非常重要的行车设备，既可用于工程作业，也可用于电客车的调车和救援。首先对地铁内燃机车进行介绍与说明，重点分析了内燃机车PLC控制系统的重要信号收集、柴油机转速控制以及机车起动走行等内容，并结合内燃机车的实际运用，指出程序设计上存在的不足，提出优化设计方案，以进一步提高内燃机车运用的稳定性，同时通过增设应急旁路，提高机车的作业效率、降低影响地铁正线运营的风险。

内燃机车；地铁；PLC；程序；优化；应急

0 前言

内燃机车是地铁运营及维护要用到的一种很重要的行车设备，在许多地铁系统的维护作业中都需要使用，例如：地铁列车、运输车辆、无动力轨道车辆的牵引与调车；隧道内和车辆段内事故车辆的救援牵引作业；地铁供电设备施工和维修时工程车作为牵引动力的设备；地铁正线货物运输及地铁工程维修等等。

在地铁运用的内燃机车，基本构造由发动机、传动装置、车体和车架、走行部、制动系统、辅助装置及电气系统七大部分组成。

发动机属于内燃机车的动力源，采用了美国进口卡特彼勒3412E型柴油机，功率约为560 kW。

传动装置主要由液力传动箱、车轴齿轮箱、辅助齿轮箱等组成，柴油机所发出的功率通过5根万向轴传递到机车轮对上，使车轮转动，机车行走。

车体则采用了全钢电焊结构，整车从前到后分为冷却室、动力室、司机室、辅机室等四部分。车架由左、右两根纵向中梁，前后牵引梁，中间横梁和外围板组成，具有足够的强度和刚度。

走行部为两个相同的、可互换的转向架，车架上部重量依次通过转向架旁承、构架、轴箱弹簧、轴箱、轮对传递给钢轨，牵引力则通过转向架中心销传给车架和车钩。

制动系统则采用了JZ-7型空气制动机，机车前后操作台均可操纵，制动机的分配阀采用了二压力与三压力混合型式的机构，既具有阶段缓解作用，又具有一次缓解作用。

辅助装置主要是指静液压系统，在此系统中，柴油机仍是动力源，其驱动油泵，液压油经加压后，流向与冷却风扇连接的液压马达，当风扇转动时，可为风扇上方的柴油机散热水箱进行通风降温。

电气系统是机车控制的核心，通过各种电器元件来实现启动、调速、信号收集、充电、照明等，在控制机车运转的同时，保证机车各系统正常运作。目前在内燃机车电气系统中，PLC控制系统的运用比较广泛，三菱PLC为其中的一种产品。

1 内燃机车PLC控制系统设计分析

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。

图1 内燃机车PLC控制系统结构图

PLC的工作电源，由柴油机的24 V蓄电池经稳压器后提供，其输入端主要接收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24 V电控阀、24 V直流接触器与110 V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。

1.1 内燃机车重要信号收集

PLC接收的内燃机车重要信号，主要有柴油机转速、机车速度、冷却水温度和机油油压，这些信号使司机能及时掌握机车的工况，使其一方面可根据作业要求，对机车的运转状态进行调整，另一方面，在机车出现故障后，可及时提醒司机停止操作，避免设备带故障运行，确保了设备和人身的安全。

柴油机转速传感器由e2e-x2e1接近开关和多齿齿轮组成，其中多齿齿轮与液力传动箱一轴连接，由于液力传动箱一轴系柴油机飞轮直接驱动，因此，多齿齿轮的转速与柴油机的转速一致。接近开关为径向安装，多齿齿轮转动一圈，则产生9个脉冲量，并被PLC的高速计数器输入端X0接收。在程序中，柴油机转速传感器是以1 000 ms作为一个样本采集周期，并将数据直接放置在数据存储器D0中，程序计算与执行原理如下。

（1）柴油机转速的计算公式为：n=60D0· 1000/Nt（r/min），N为每转脉冲数，t为指定的计数时间，单位为ms；

（2）根据上文描述，N为9，t为1 000 ms，因此n=60×D0×1000/（9×1000）=D0×20/3;

（3）PLC的高速计数器输入端X0，在1 000 ms内完成一个采样周期，并将数值直接存至D0处，然后D0先乘以20，再除以3，运算的最终结果放置在D110。

（4）柴油机在启动时，柴油机转速至少要在500 r/min转以上是判别启动成功的条件之一，因此在程序的每个执行周期，PLC均要将D110进行比对，如低于500 r/min，则PLC将禁止辅助发电机的启动与机油油压的判别，使机车不能进行前进/后退的操作。

机车速度传感器设置与柴油机传感器基本一致，区别为机车速度的多齿齿轮安装在车轴的端部，且齿数较多，转动一圈能产生200个脉冲，收集的样本是存放在数据存储器D4中，程序计算与执行原理如下：

（1）车轮的转速公式计算公式为n=60×D4× 1000/Nt（r/min）；

（2）N为200，t为1 000 ms，n=60×D4×1000/ (200×1000)=3×D4/10（r/min）；

（3）n(r/min)×60=18×D4(r/h)；

（4）机车的速度V（km/h）=n（r/h）×∏×d/ 1000，其中d为车轮直径，取d=0.915 m，V=18× D4×3.14×0.915/1000（km/h）=51.72×D4/1000(km/ h)≈D4×5/100；

（5）在程序中，PLC的高速计数器输入端X1，在采集完数据后，会将数值存至D4，然后D4先乘以5，再除以100，运算最终结果放置在D130。如图2所示。

图2 柴油机转速传感器与机车速度传感器数据收集相关程序

（6）在每个程序执行周期，PLC均要将D130进行比对，如发现D130超50 km/h，则机车前进失效，柴油机自动卸载，停车制动自动实施。

冷却水温度与机油油压信号，均通过AD模数转换器收集，PLC会在程序首次的扫描执行周期，对AD模块进行判别与设置，并将采样周期数定为25次，关闭3、4通道，设置1、2通道的量程为4～20 mA。在程序往后的循环扫描执行中，PLC会将收集到的数据，通过换算后，将最终数据存储至D160（水温）和D190（油压），当机车水温高于103°C，或机油油压低于50bar时，柴油机会自动卸载，以确保设备运转安全[1]。如图3所示。

图3 冷却水温度与机油油压信号收集的相关程序

1.2 柴油机转速控制

图4 柴油机转速控制相关程序

柴油机的转速控制，主要通过ADS司机控制器、PLC可编程控制器、DA数模转换器与柴油机油门信号变换器来实现，ADS司机控制器为输入端，共4个输入点，与PLC的X5、X6、X7、X10连接，组合成16个档位信号。在程序执行过程中，首先是通过M8000与fromp指令，对DA模块进行设置与判别，然后根据档位信号进行运算，将最终数据存储在D20中，最后利用to指令，向DA模块写入220至580范围的数值。DA模块对传输过来数值会进行转换，并从2通道向YMZH油门信号变换器提供4～20 mA的电流，油门信号变换器再将其转变为PWM脉宽调制信号，最后提供给柴油机电子控制模块ECM进行电子调速控制，通过调节电子喷油泵电磁阀来调节喷油量，从而完成柴油机转速的升降[2]。如图4所示。

1.3 机车起动走行

内燃机车液力传动箱通过涡轮，将柴油机的机械能转变为液力油的动能，并通过冲击输出轴上的叶片，最终将柴油机的功率传递给车轴齿轮箱，因此通过控制液力传动箱液力油的油路通断，即可实现动力的输出通断，通过改变液力传动箱的液力油流通方向，即可实现的输出端的正转与反转。油路是通过相应滑阀控制的，而滑阀的动作是靠气压驱动，所以机车起动，前进还是后退，可同过控制气路上电控阀来实现。在PLC中，与机车前进后退有关的程序相对较为简单，如图5所示，但相应的条件限制较多，内燃机车的前进后退有效条件有：

图5 机车起动走行相关程序

（1）机组保护信号须接通；

（2）司机控制器须得电接通；

（3）机车车速未超50 km/h；

（4）柴油机水温高于30°C，但小于103°C；

（5）柴油机润滑油油压高于50 bar；

（6）低恒速功能未激活。

2 PLC程序的改进优化

2.1 柴油机调速程序改进优化

ADS司机控制器由调速手柄、连接齿轮、凸轮及开关触点组成，当转动调速手柄，会拨动齿轮和弹簧压片接触，此时对应的凸轮顶起或凹陷，接通或断开相应的开关触点，如图6所示。在实际使用过程中，发现司机在进档过程中，若动作过慢，容易出现转速增量过多的异常情况，尤其是8档进9档，柴油机转速能突然升至最高转速，由于司机在作业过程，有对标的需求，转速的提升须慢慢进档，使得机车的作业存在一定的风险，因此需对此问题进行分析与整治。

图6 PLC输入点与档位信号对应图

通过研究分析，发现导致转速异常的具体原因由ADS司机控制器的机械缺陷所致，以8档进9档为例，机车在8档时，PLC上的X5、X6、X7闭合，对应的转速是1 340 r/min，在9档时，仅X10闭合，对应的转速是1 435 r/min，在16档位时，X5、X6、X7、X10全闭合，对应的转速是2 000 r/min，若8档进9档动作过慢，手轮必定会滞留在8、9档位之间，此时开关触点容易出现旧的档位状态未消除，新的档位状态提前出现的情况，即X5、X6、X7未能及时断开，而X10提前接通，则柴油机转速从1 340 r/min直接上升至2 000 r/min，出现转速异常增高的情况。如图7和图8所示。

图7 ADS司机控制器实物图

图8 ADS司机控制器调速电路原理图

通过上述分析，解决办法之一就是对ADS司机控制器进行升级改造，参照新车的设计，将无级司控器移植该车上使用，但由于无级司控器成本较高，且升级改造涉及到司机控制台的改造，施工工程量较大，实施的可行性不高。

为节约成本，现考虑通过程序优化，解决转速提升异常问题。根据ADS司机控制器的单向变化原理，可在PLC程序中增加合理的逻辑处理程序段，保证档位信号升值不发生突变，从而增强档位输出信号的可靠性，弥补硬件上不足。具体的程序设计为，在档位信号值存储至D198后，将D198的数值传至D302，并在下一个程序执行周期，利用CMP、SUB指令，使新档位信号与当前档位信号进行比对，若档位跨越2位，则将D302数值存至D198，反之，更新D302数值。经现场调试测试，加入该段程序后，转速增量异常不再出现，且正常的紧急升降速也未见异常。如图9所示。

图9 柴油机转速控制所增加的程序段

2.2 机车应急功能设计

柴油机的机油压力与冷却水温度是机车的两个重要信号，其反映了柴油机是否处于正常的工作状态，当柴油机出现异常后，通过程序的限制，可避免柴油机带故障运行，而导致事故的发生，保障设备与人员的安全。当然传感器作为柴油机的一部分，本身也会出现故障，在机车的实际运用过程中，比较常见的是传感器损坏，信号无法传输到PLC中，柴油机无法提速，且机车前进后退操作均失效。机车一旦在正线出现类似故障，受现场条件与作业时间的限制，司机短时间内无法完成传感器更换，处置不当则有可能影响电客车的出线，为地铁运营带来一定风险。由于柴油机配有另一套机油油压和水温传感器（不与PLC连接），并可通过操作台独立的仪表盘显示，因此，经分析研究，可在PLC中增加应急程序段，并在PLC相连接的940GOT-SWD显示屏增加应急操作界面，作为应急程序的输入端，可避免实体应急开关带来新的故障点，具体设计如下：

（1）在程序尾端增加两步，使用MOV指令强制向D160与D190传输50与250数值，并利用M545与M546触发，如图10所示；

图10 新增加的应急程序段

（2）在人机交换界面中，增加应急旁路界面，利用触摸屏按钮触发M545与M546，如图11和图12所示。

图11 修改前的显示屏界面

通过上述设置，一旦机车出现机油或水温信号丢失故障时，司机可调出应急旁路界面操作，使机油油压与冷却水水温恒定在250bar和50°C，避免PLC的报警程序触发，司机则通过另一套仪表读取柴油机的真实数据，对机车进行操作，待机车回厂后再进行维修。

图12 修改后的显示屏界面

3 结束语

本文介绍的内燃机车属地铁早期采购设备，与后期机车相比，程序相对较少且不够完善，尤其体现在故障诊断与电器动作信息收集方面，因此，在完成上述程序添加及界面改进后，下一步的完善重点应放在此处，一方面使司机能尽快判断故障点，同时可使维修人员能进一步掌握机车的使用特点与运行状态。另随着地铁作业的要求提高，也可考虑利用PLC程序的改进，实现内燃机车的双机重联，即两台内燃机车连挂后，只在一台内燃机车上操作，可使两台内燃机车同步运转，增加动力机车的牵引力。

［1］廖常初.FX系列PLC编程及应用［M］.北京：机械工业出版社，2005.

［2］龚仲华.三菱FX系列PLC应用技术［M］.北京：人民电邮出版社，2010.

PLC Control System Analysis and Program Optimization of Diesel Locomotive

ZHENG Xing-jie
（Guangzhou Metro Corporation，Guangzhou510310，China）

As a very important driving device of subway，the diesel locomotives can be used in industrial engineering as well as shunting and rescuing of electric passenger cars.Firstly，the article makes a introduction and description for the subway diesel locomotive，focusing on analyzing important signal collection of the diesel locomotives PLC’s control system，speed control of diesel engine and the locomotive starting，etc.And then pointed out deficiencies of program design and proposed optimization design scheme through combining the practical application of the diesel locomotives，in order to further improve the stability of diesel locomotives.At the same time，the operation efficiency of locomotive can be improved and the risk of influence on the subway’s mainline operation can be reduced by adding emergency bypass.

diesel locomotive；metro；PLC；program；optimization；emergency

U231+.6

A

1009－9492(2014)05－0135－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2014.05.034

郑兴杰，男，1973年生，广东广州人，大学本科，助理工程师。研究领域：城市轨道交通机车车辆。

(编辑：向 飞)

2014－04－03