基于PLC 的东风4DD 型内燃机车电气控制系统优化设计

唐国梁

（山东淄矿铁路运输有限公司，济宁 272104）

内燃机车作为铁路运输的核心组成部分，在货运和旅客运输中发挥着不可或缺的作用。然而，其电气控制系统在实现高效性能和可靠性方面还面临着一系列挑战。传统的内燃机车电气控制系统在自动化、精确性和稳定性方面存在不足，其中自动化控制的实现一直是一项具有挑战性的工作。在这一背景下，可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技术的引入提供了一种有效的解决途径。PLC 以其高度自动化、灵活性、实时监测和精确控制的特性脱颖而出，为内燃机车电气控制系统的优化设计带来新的可能性。本研究旨在深入探讨如何充分利用PLC 技术，通过自动换挡、运行方向控制等关键功能的改进，提升东风4DD 型内燃机车电气控制系统的稳定性和安全性。

1 可编程控制器

1.1 PLC 的工作构成

PLC 是自动化控制系统中的电子设备，用于监控和控制工业过程和机械设备。PLC 的工作构成包括6 个关键部分。第一，输入阶段。PLC 接收来自传感器、开关等设备的现场信息，如温度、压力、位置等，将其转化为电信号。这些信号通过输入模块传递到PLC，包括数字输入和模拟输入。第二，逻辑处理。PLC 的中央处理器（Central Processing Unit，CPU）执行用户编写的程序，通常使用编程语言，如梯形图、结构化文本等。程序包含逻辑控制指令，如逻辑运算、计数、计时、比较等，用于处理和分析输入信号。第三，程序存储和执行。PLC 将程序存储在内部非易失性存储器中，确保程序即使断电也不会丢失。CPU 按照程序逻辑顺序执行指令，包括检查输入状态、执行计时器和计数器操作、逻辑比较等。PLC 根据执行结果，生成输出信号。第四，输出阶段。PLC 生成的输出信号传递到输出模块，这些模块将信号转化为电压或电流，并通过继电器、电磁阀、电动马达等执行设备控制工艺或机械动作[1]。第五，循环控制。PLC 工作在连续循环中，以毫秒级速度扫描输入信号、执行逻辑程序，实时监控和控制工业过程，确保其符合要求。第六，通信和监控。现代PLC 通常带有通信接口，与其他PLC 或上层控制系统通信。这使得用户能够监控和远程控制PLC，通常通过以太网、串行通信等协议实现集中控制和监测。

1.2 应用优势

在东风4DD 型内燃机车的电气控制系统中，PLC的应用具有显著优势。首先，PLC 实现了高度自动化控制，能够可靠执行各种任务，如自动换挡和运行方向控制，提高了机车的操作效率。其次，PLC 具有灵活的编程能力，可以根据特定需求进行定制，适应不同的控制逻辑和工作条件。再次，PLC 能够实时监测内燃机车的状态和性能参数，及时响应异常情况，确保系统的安全性和可靠性。最后，PLC 系统维护相对容易，能够进行在线或离线诊断，快速发现和解决问题，从而缩短机车的停机时间，降低维护成本[2]。

2 电气控制系统优化设计

2.1 电气控制系统的现状

东风4DD 型内燃机车是我国重要的铁路运输工具，但是其电气控制系统存在一定的问题。首先，由于复杂的控制系统结构和相对低的可靠性，机车频繁出现故障，严重降低了列车的可用性。乘客和货物的运输受到直接影响，使得铁路运输服务的稳定性和可靠性降低。其次，电气线路老化引发的故障不断上升，意味着维修需求急剧增加，铁路维修团队不得不投入更多的资源和时间来处理这些问题，不仅增加了维护成本，而且影响了铁路运输的正常运行。最后，机车原有的单片机系统存在隔离不足的问题，导致调速和换挡故障频繁发生，严重影响机车的性能和可靠性[3]。

2.2 电气控制系统优化

从信号输入到最终的驱动输出，柴油机调速系统包括多个环节。当柴油机需要调速时，司控器通过调整手轮位置改变电压信号的数值。根据测得的频率，单片机通过场效应管T1、T2 和T3 输出脉冲信号，这些脉冲信号的间隔为固定数值，以达到调速目的。

但是，调速系统电路问题可能为柴油机的正常运行带来风险。控制电源由12 V 稳压电源、12 V 蓄电池和110 V 蓄电池组成，电源之间没有隔离措施。这意味着，一旦电路发生瞬间故障，柴油机的调速功能可能会受到影响，甚至导致控制电路的主要组件损坏，单片机程序故障的发生率高达30%。此外，T1、T2和T3 场效应管的损坏率高达70%。

为了解决这些问题，必须彻底改造电气系统。计划采用三菱PLC FX 系列产品替代原有的调速系统。PLC 系统具有可编程性，可以进行程序的移植和修改，从而提升系统的灵活性[4]。此外，PLC 还具有80 个输入/输出（Input/Output，I/O）点，可以适应不同的输入信号，从而实现各种控制需求。

2.3 调速系统程序优化

司控器的调速方式从传统的手轮式有挡无级调速升级为推拉式无挡无级调速。传统的手轮式调速器通常涉及至少16 个触点的复杂控制系统，而新的推拉式调速器仅需2 个触点，分别用于升速和降速控制。该简化不仅减少了系统中触点故障的潜在风险，还降低了维护和维修的频率，从而提升调速系统的可靠性[5]。同时，传统的PLC 接收信号采用复杂的8421 码，而当前采用更为直观的两位信号组合，包括升速、保持和降速。控制程序逻辑关系，如表1 所示。

表1 控制程序逻辑关系

柴油机采用无级调速的方式。具体而言，当柴油机启动且加载条件满足时，司控器的状态根据操作员的动作变化得到相应调整。例如，当司控器置于“升”位，同时a04 和a05 接收输入信号时，柴油机进入“保”位b22 和“升”位b23 状态，步进电机开始顺时针旋转，从而提高柴油机的转速。操作员释放司控器手柄时，手柄会迅速返回“保”位，此时a04 保持输入，a05 断开，b22 输出，步进电机停止旋转，从而维持柴油机的恒定转速。

如果司控器手柄被置于“降”位，a04 和a05 都没有输入信号，输出点b22 和b23 都没有输出信号，步进电机将逆时针旋转，从而降低柴油机的转速。当司控器手柄返回“1”位或“0”位后，b22 和b23 仍然没有输出信号，步进电机将继续逆时针旋转，40 s后停止。

2.4 速度及转速传感器优化

原始的4DD 型机车柴油机的转速和机车速度传感器与液压传动箱的齿轮输出轴直接相连，连接点之间有油封密封。由于密封不良，机器之间的油液泄漏问题严重，导致输出轴与传感器之间的软连接故障率较高。为了解决这些问题，首先在输出轴上安装测速齿轮。齿轮的作用是直接连接机车的传动系统，以便采集转速数据。其次，在输出轴和液压传动箱之间添加密封罩盖，在不影响机车正常操作的情况下确保密封性，以避免出现油液泄漏问题。最后，在密封罩盖上安装接近开关，检测测速齿轮的旋转，采集所需的转速信号。这些优化措施对于保持机车的性能具有积极的作用，确保机车在工作中更加可靠和高效运行，减少了不必要的维修和维护成本。

2.5 机车换挡程序优化

4DD 型内燃机存在换挡换向阀的问题，这一故障主要由于柴油机转速受电磁干扰和传感器连接问题影响，导致自动换挡不准确，系统运行受损。为解决此类问题，全面优化和改进自动换挡系统。一方面，取消原有的阀控制，引入接近开关，以准确采集柴油机转速。另一方面，使用专门设计的功放块来控制手动换挡主控阀。系统改进后的自动换挡控制原理，如图1 所示。

图1 自动换挡控制系统原理

机车行进时，PLC 根据速度进行智能控制。当速度超过自动换挡点时，PLC 进行复杂计算，输出至功放块，主控阀执行相应动作。自动换挡控制梯形图，如图2 所示。该优化方案有利于提升机车性能和可靠性，消除原有故障点，确保换挡的准确性。

图2 自动换挡控制梯形图

3 结语

针对柴油机的调速系统、速度及转速传感器、机车的换挡程序进行全面的改进和优化，以提升系统的性能和可靠性。原有的调速系统存在一系列电路问题，如电源隔离不足、场效应管的高损坏率以及复杂的控制方式。通过采用三菱PLC FX 系列产品替代原有系统，提升系统的稳定性和可靠性，降低故障率，同时增强了系统的可编程性和适应性。针对速度及转速传感器问题，采取安装测速齿轮、添加密封罩盖和安装接近开关等措施，以减少油液泄漏的风险，确保采集准确的转速信息。