基于内燃机车电气控制系统的应用

王宏亮 王双林 周鸿亮

摘要：内燃机车电气控制自动化在现代轨道交通中有着极其广泛的应用。应用计算机技术对电气控制系统的进行优化设计，对于改善内燃机车的工作性质、车行动力、控制功能等有着重要的促进作用。本文主要分为四大部分。第一部分为内燃机车电气控制系统相关的介绍;第二部分分析了内燃机电气控制系统的结构设计;第三部分探讨了基于计算机技术的PLC控制系统;第四部分内燃机车电器控制系统的优化应用。通过探讨PLC控制系统应用的优势，来为内燃机车电气控制系统的优化设计提供一些参考。

关键词：内燃机车;电气控制系统;应用;PLC

0  引言

20世纪80年代，我国从德国进口内燃机。随着国内内燃机使用需求量不断上升，同时之前进口的内燃机因使用时间较久，维修需要的配件较多，而国内修配件内需不足，因此我国从1958年开始制造内燃机。国产内燃机最先有东风型三种。随着国产内燃机生产技术的进步，我国内燃机车的型号越来越多，内燃机车电气控制系统也在不断的优化。目前，国产内燃机车电气控制系统应用可编程控制器进行在线编辑。可编程控制器的应用使得电气控制系统的操作和管理都变得更加的便捷。基于计算机技术的PLC控制技术的应用对于内燃机电气控制系统的优化提供了更多的途径和可能。研究内燃机车电气控制系统的应用对于改善我国内燃机车机械性能、优化系统功能有着重要的意义。基于此，本文研究该课题。

1  相關介绍

1.1 可编程控制器

可编程控制器简称PLC，是一种高级的系统编程控制器，具有编程操作灵活便捷、系统可靠性高、价格适中、性价比高的优势。目前广泛应用于机械设备的系统控制及编程。内燃机车结构繁杂，内燃机车电气控制系统控制的项目及内容较多，需要替代继电器、余热锅炉自控器及其他接触器完成机车的一整套工作，因此系统的可靠性至关重要。利用可编程控制器对内燃机车电气控制系统进行远程编程和优化，对于改善机车内燃机的系统性能有着重要的作用。

1.2 PLC电气控制系统

1.2.1 技术优势

PLC具有抗干扰性强、操作灵活、适应性和稳定性好的技术特点，这也是PLC之所以能够成为内燃机车电气控制系统的原因。应用PLC可以实现对于内燃机车电气控制系统的功能的延展，优化系统设计，提高系统工作的可靠性、安全性，简化系统结构及线路设计，从而方便系统安全、调试和检修。

1.2.2 硬件构成

PLC由中央处理器、输入口接口、通讯接口、可扩展接口、智能接口、存储器、智能单元等硬件构成。

1.2.3 性能指标

PLC的性能指标包括存储容量、输入/出点数、扫描速度、智能单元的数量、扩展能力等。

1.2.4 编程语言

PLC常用指令表、状态流程图、梯形图等语言进行系统编程。多种语言的应用于配合为PLC电气控制系统的程序的表达提供了方便，同时也为系统属性和功能的优化设计提供了更多的可能。

2  基于内燃机车电气控制系统的结构设计

2.1 硬件系统设计

内燃机车电气控制系统的硬件主要包括主机板、接口板、单片机键盘、IC卡接口板、现场信号接口板构成。这些硬件分别负责内燃机电气控制系统的信号输入输出、线路连接、通讯连接等，对应程序得到CPU系统、输入输出系统、通讯系统等。程序硬件系统的设计需要在CPU板上配置FDD驱动控制器、LCD显示接口、IDE硬盘控制器、CRT显示接口、PS2键盘接口、RS232C串行口、以太网接口、PC104扩展总线。总结构设计为四层，使用状态流程图设定系统总框架，再利用指令表语言对系统属性进行细化。系统结构围绕主机与操控系统、控制电源、编程器、功能隔离电路、主电源线路、执行线路之间创建连接PLC与主机直接相连，通过对主机编程来调控其他硬件系统属性和功能，改善系统的综合性能。

2.2 软件系统设计

内燃机车电气控制系统的关键主要包括控制程序、人机界面两大部分。其中控制程序的设计主要有六大板块的内容，包括发动机速度控制程序;机车牵引工况控制程序;液压系统控制程序;智能控制程序;CAN通讯控制程序与功率匹配控制程序。主要应用梯形图语言来构建系统结构的主框架，最后再利用指令表语言对程序内容进行填充，丰富程序的表达。

例如PLC通过主机向发动机发送指令语言，发动机程序接到指令后向硬件输出功率信号，从而调节发动机泵的公路参数。发动机速度的调整也与上述功率参数的调整类似。人机界面的设计包括主监控页面、IO检测截面、状态检测截面、故障管理截面四部分。人机界面程度设计主要采用状态流程图语言和指令表语言编程。状态语言作为截面状态结构的主要语言，设定不同的故障显示状态框架，在用指令表语言对状态细化表达。如主机页面显示发动机故障，截面状态设计故障和正常两种状态表达，故障状态的表达标记为显示截面显示红色，正常状态的表达标记为显示截面的绿色。故障状态下利用指令表语言编程报警程序，即红色闪烁，启动红色闪动程序即为故障报警的表达。

3  基于计算机技术的PLC控制系统

3.1 系统结构

基于PLC的内燃机车电气控制系统结构如图1所示。

3.2 电路设计及优化

从图1中可以看出，该系统的每一层接口之间为双向的连接。系统结构的双向连接需要设计输入输出回路主机与基本单元、扩展单元之间通过输入输出电路连接，在扩展单元内部在设计一个基本单元插座，就可以将扩展出更多的电路连接接口，从而为设计二级管理提供了接口保障。二级线路管理的设计有助于进一步提高线路运行过程中的可靠性。

3.3 硬件线路设计

硬软件系统设计好后要进行程序调试。机车内探机电气控制系统硬件线路相对繁杂。为了确保程序运行的可靠性，建议在PLC控制电路中设计连锁关系，连锁关系的设计主要借助梯形图语言和指令表语言进行设计。主电路需要设计四个固定的继电器。所有的继电器固定在同一块电路板上，为电路板设计四组输出线路和1个1A保险。四个继电器公用一个保险。主电路之下设计二级管。二极管线路的设计是为了方便故障的检修。二级管线路从主线路分级出来，线路连接简化，因此有助于清晰直观的观察线路故障。

4  内燃机车电器控制系统的优化应用及效果

应用可编程控制器优化内燃机车电气系统，将I/O通道分配为内、外两个通道、外部通道设计为输入、输出通道，用于与其他机械设备连接和沟通，内部通道设置继电器来取代过去有触点控制的方式。通道号编码为十三进制数字。改变通道地址时给十三进制数字增加两位十进制数字即可。PLC内燃机电气控制系统的控制过程应用梯形图指令来编码。控制系统的按钮、转换开关、板键开关等都与电气控制系统指令设计保持统一，编程为双重控制功能。

应用PLC对内燃机车电气控制系统进行优化设计后，内燃机车打滑滑油功能、柴油机甩车功能、燃油供给功能、柴油机启动功能、固定发电功能、压缩机功能、内燃机车启动功能等都得到了改善，内燃机车电气控制系统的综合控制能力更加协调。由于控制系统的协调性更好，内燃机运作状态更加稳定可靠，减少了机械运作过程中的零部件损坏和线路故障。同时双重控制的设计为内燃机车运行状态下对LUC的转换为动态性完成牵引工作提供了方便。

5  结语

综上所述，基于PLC的内燃机车电气控制系统具有系统优化的功能。通过编程对系统不足之处进行改进，不断尝试性的调整机械设备的机械性能，有助于减少系统的故障引起的设备磨损等情况，从而保护机械设备，延长机车的适用寿命。同时，基于PLC的内燃机电气控制系统在设计上线路较为简洁，控制系统维护方便，故障排查效率高，这对于降低内燃机车设备的维修成本有着重要的意义。基于PLC控制系统对于基础系统性能和功能的优化，我建议企业引进PLC控制系统，并推广可编程控制器的应用。

参考文献：

[1]蒋斌鹏.基于内燃机车电气控制系统的研究及改进设计[D].西南交通大学，2016.

[2]郭瑾.内燃机车电气控制系统的研究及改进设计[J].机械管理开发，2018（12）：232-234.

[3]王左力，刘博，温芝强.GK1L型内燃机车电气控制系统的升级改造[J].机械工程与自动化，2019（01）：184-186.

[4]王双旺，孙志洪.基于TTC60控制器的内燃机车电气控制系统设计[J].隧道建设，2014（06）：598-602.

[5]张斌.基于PLC的内燃机车逻辑控制系统的研究[D].西南交通大學，2007.

[6]蒲红霞，刘顺国，邱有尚.广州地铁6号线内燃机车电气系统的设计[J].内燃机车，2012（11）：21-22，56.

[7]孙志洪，王骞，张立秀.基于PLC的变频牵引机车智能控制系统[J].隧道建设，2012（01）：131-133.