唐國梁

（山東淄礦鐵路運(yùn)輸有限公司，濟(jì)寧 272104）

內(nèi)燃機(jī)車作為鐵路運(yùn)輸?shù)暮诵慕M成部分，在貨運(yùn)和旅客運(yùn)輸中發(fā)揮著不可或缺的作用。然而，其電氣控制系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)高效性能和可靠性方面還面臨著一系列挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)在自動(dòng)化、精確性和穩(wěn)定性方面存在不足，其中自動(dòng)化控制的實(shí)現(xiàn)一直是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的工作。在這一背景下，可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）技術(shù)的引入提供了一種有效的解決途徑。PLC 以其高度自動(dòng)化、靈活性、實(shí)時(shí)監(jiān)測和精確控制的特性脫穎而出，為內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)帶來新的可能性。本研究旨在深入探討如何充分利用PLC 技術(shù)，通過自動(dòng)換擋、運(yùn)行方向控制等關(guān)鍵功能的改進(jìn)，提升東風(fēng)4DD 型內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性。

1 可編程控制器

1.1 PLC 的工作構(gòu)成

PLC 是自動(dòng)化控制系統(tǒng)中的電子設(shè)備，用于監(jiān)控和控制工業(yè)過程和機(jī)械設(shè)備。PLC 的工作構(gòu)成包括6 個(gè)關(guān)鍵部分。第一，輸入階段。PLC 接收來自傳感器、開關(guān)等設(shè)備的現(xiàn)場信息，如溫度、壓力、位置等，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。這些信號(hào)通過輸入模塊傳遞到PLC，包括數(shù)字輸入和模擬輸入。第二，邏輯處理。PLC 的中央處理器（Central Processing Unit，CPU）執(zhí)行用戶編寫的程序，通常使用編程語言，如梯形圖、結(jié)構(gòu)化文本等。程序包含邏輯控制指令，如邏輯運(yùn)算、計(jì)數(shù)、計(jì)時(shí)、比較等，用于處理和分析輸入信號(hào)。第三，程序存儲(chǔ)和執(zhí)行。PLC 將程序存儲(chǔ)在內(nèi)部非易失性存儲(chǔ)器中，確保程序即使斷電也不會(huì)丟失。CPU 按照程序邏輯順序執(zhí)行指令，包括檢查輸入狀態(tài)、執(zhí)行計(jì)時(shí)器和計(jì)數(shù)器操作、邏輯比較等。PLC 根據(jù)執(zhí)行結(jié)果，生成輸出信號(hào)。第四，輸出階段。PLC 生成的輸出信號(hào)傳遞到輸出模塊，這些模塊將信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓或電流，并通過繼電器、電磁閥、電動(dòng)馬達(dá)等執(zhí)行設(shè)備控制工藝或機(jī)械動(dòng)作[1]。第五，循環(huán)控制。PLC 工作在連續(xù)循環(huán)中，以毫秒級(jí)速度掃描輸入信號(hào)、執(zhí)行邏輯程序，實(shí)時(shí)監(jiān)控和控制工業(yè)過程，確保其符合要求。第六，通信和監(jiān)控?，F(xiàn)代PLC 通常帶有通信接口，與其他PLC 或上層控制系統(tǒng)通信。這使得用戶能夠監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制PLC，通常通過以太網(wǎng)、串行通信等協(xié)議實(shí)現(xiàn)集中控制和監(jiān)測。

1.2 應(yīng)用優(yōu)勢

在東風(fēng)4DD 型內(nèi)燃機(jī)車的電氣控制系統(tǒng)中，PLC的應(yīng)用具有顯著優(yōu)勢。首先，PLC 實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化控制，能夠可靠執(zhí)行各種任務(wù)，如自動(dòng)換擋和運(yùn)行方向控制，提高了機(jī)車的操作效率。其次，PLC 具有靈活的編程能力，可以根據(jù)特定需求進(jìn)行定制，適應(yīng)不同的控制邏輯和工作條件。再次，PLC 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測內(nèi)燃機(jī)車的狀態(tài)和性能參數(shù)，及時(shí)響應(yīng)異常情況，確保系統(tǒng)的安全性和可靠性。最后，PLC 系統(tǒng)維護(hù)相對(duì)容易，能夠進(jìn)行在線或離線診斷，快速發(fā)現(xiàn)和解決問題，從而縮短機(jī)車的停機(jī)時(shí)間，降低維護(hù)成本[2]。

2 電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 電氣控制系統(tǒng)的現(xiàn)狀

東風(fēng)4DD 型內(nèi)燃機(jī)車是我國重要的鐵路運(yùn)輸工具，但是其電氣控制系統(tǒng)存在一定的問題。首先，由于復(fù)雜的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和相對(duì)低的可靠性，機(jī)車頻繁出現(xiàn)故障，嚴(yán)重降低了列車的可用性。乘客和貨物的運(yùn)輸受到直接影響，使得鐵路運(yùn)輸服務(wù)的穩(wěn)定性和可靠性降低。其次，電氣線路老化引發(fā)的故障不斷上升，意味著維修需求急劇增加，鐵路維修團(tuán)隊(duì)不得不投入更多的資源和時(shí)間來處理這些問題，不僅增加了維護(hù)成本，而且影響了鐵路運(yùn)輸?shù)恼＿\(yùn)行。最后，機(jī)車原有的單片機(jī)系統(tǒng)存在隔離不足的問題，導(dǎo)致調(diào)速和換擋故障頻繁發(fā)生，嚴(yán)重影響機(jī)車的性能和可靠性[3]。

2.2 電氣控制系統(tǒng)優(yōu)化

從信號(hào)輸入到最終的驅(qū)動(dòng)輸出，柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)包括多個(gè)環(huán)節(jié)。當(dāng)柴油機(jī)需要調(diào)速時(shí)，司控器通過調(diào)整手輪位置改變電壓信號(hào)的數(shù)值。根據(jù)測得的頻率，單片機(jī)通過場效應(yīng)管T1、T2 和T3 輸出脈沖信號(hào)，這些脈沖信號(hào)的間隔為固定數(shù)值，以達(dá)到調(diào)速目的。

但是，調(diào)速系統(tǒng)電路問題可能為柴油機(jī)的正常運(yùn)行帶來風(fēng)險(xiǎn)。控制電源由12 V 穩(wěn)壓電源、12 V 蓄電池和110 V 蓄電池組成，電源之間沒有隔離措施。這意味著，一旦電路發(fā)生瞬間故障，柴油機(jī)的調(diào)速功能可能會(huì)受到影響，甚至導(dǎo)致控制電路的主要組件損壞，單片機(jī)程序故障的發(fā)生率高達(dá)30%。此外，T1、T2和T3 場效應(yīng)管的損壞率高達(dá)70%。

為了解決這些問題，必須徹底改造電氣系統(tǒng)。計(jì)劃采用三菱PLC FX 系列產(chǎn)品替代原有的調(diào)速系統(tǒng)。PLC 系統(tǒng)具有可編程性，可以進(jìn)行程序的移植和修改，從而提升系統(tǒng)的靈活性[4]。此外，PLC 還具有80 個(gè)輸入/輸出（Input/Output，I/O）點(diǎn)，可以適應(yīng)不同的輸入信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)各種控制需求。

2.3 調(diào)速系統(tǒng)程序優(yōu)化

司控器的調(diào)速方式從傳統(tǒng)的手輪式有擋無級(jí)調(diào)速升級(jí)為推拉式無擋無級(jí)調(diào)速。傳統(tǒng)的手輪式調(diào)速器通常涉及至少16 個(gè)觸點(diǎn)的復(fù)雜控制系統(tǒng)，而新的推拉式調(diào)速器僅需2 個(gè)觸點(diǎn)，分別用于升速和降速控制。該簡化不僅減少了系統(tǒng)中觸點(diǎn)故障的潛在風(fēng)險(xiǎn)，還降低了維護(hù)和維修的頻率，從而提升調(diào)速系統(tǒng)的可靠性[5]。同時(shí)，傳統(tǒng)的PLC 接收信號(hào)采用復(fù)雜的8421 碼，而當(dāng)前采用更為直觀的兩位信號(hào)組合，包括升速、保持和降速?？刂瞥绦蜻壿嬯P(guān)系，如表1 所示。

表1 控制程序邏輯關(guān)系

柴油機(jī)采用無級(jí)調(diào)速的方式。具體而言，當(dāng)柴油機(jī)啟動(dòng)且加載條件滿足時(shí)，司控器的狀態(tài)根據(jù)操作員的動(dòng)作變化得到相應(yīng)調(diào)整。例如，當(dāng)司控器置于“升”位，同時(shí)a04 和a05 接收輸入信號(hào)時(shí)，柴油機(jī)進(jìn)入“?！蔽籦22 和“升”位b23 狀態(tài)，步進(jìn)電機(jī)開始順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而提高柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。操作員釋放司控器手柄時(shí)，手柄會(huì)迅速返回“保”位，此時(shí)a04 保持輸入，a05 斷開，b22 輸出，步進(jìn)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)，從而維持柴油機(jī)的恒定轉(zhuǎn)速。

如果司控器手柄被置于“降”位，a04 和a05 都沒有輸入信號(hào)，輸出點(diǎn)b22 和b23 都沒有輸出信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)將逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，從而降低柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)司控器手柄返回“1”位或“0”位后，b22 和b23 仍然沒有輸出信號(hào)，步進(jìn)電機(jī)將繼續(xù)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，40 s后停止。

2.4 速度及轉(zhuǎn)速傳感器優(yōu)化

原始的4DD 型機(jī)車柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速和機(jī)車速度傳感器與液壓傳動(dòng)箱的齒輪輸出軸直接相連，連接點(diǎn)之間有油封密封。由于密封不良，機(jī)器之間的油液泄漏問題嚴(yán)重，導(dǎo)致輸出軸與傳感器之間的軟連接故障率較高。為了解決這些問題，首先在輸出軸上安裝測速齒輪。齒輪的作用是直接連接機(jī)車的傳動(dòng)系統(tǒng)，以便采集轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。其次，在輸出軸和液壓傳動(dòng)箱之間添加密封罩蓋，在不影響機(jī)車正常操作的情況下確保密封性，以避免出現(xiàn)油液泄漏問題。最后，在密封罩蓋上安裝接近開關(guān)，檢測測速齒輪的旋轉(zhuǎn)，采集所需的轉(zhuǎn)速信號(hào)。這些優(yōu)化措施對(duì)于保持機(jī)車的性能具有積極的作用，確保機(jī)車在工作中更加可靠和高效運(yùn)行，減少了不必要的維修和維護(hù)成本。

2.5 機(jī)車換擋程序優(yōu)化

4DD 型內(nèi)燃機(jī)存在換擋換向閥的問題，這一故障主要由于柴油機(jī)轉(zhuǎn)速受電磁干擾和傳感器連接問題影響，導(dǎo)致自動(dòng)換擋不準(zhǔn)確，系統(tǒng)運(yùn)行受損。為解決此類問題，全面優(yōu)化和改進(jìn)自動(dòng)換擋系統(tǒng)。一方面，取消原有的閥控制，引入接近開關(guān)，以準(zhǔn)確采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速。另一方面，使用專門設(shè)計(jì)的功放塊來控制手動(dòng)換擋主控閥。系統(tǒng)改進(jìn)后的自動(dòng)換擋控制原理，如圖1 所示。

圖1 自動(dòng)換擋控制系統(tǒng)原理

機(jī)車行進(jìn)時(shí)，PLC 根據(jù)速度進(jìn)行智能控制。當(dāng)速度超過自動(dòng)換擋點(diǎn)時(shí)，PLC 進(jìn)行復(fù)雜計(jì)算，輸出至功放塊，主控閥執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。自動(dòng)換擋控制梯形圖，如圖2 所示。該優(yōu)化方案有利于提升機(jī)車性能和可靠性，消除原有故障點(diǎn)，確保換擋的準(zhǔn)確性。

圖2 自動(dòng)換擋控制梯形圖

3 結(jié)語

針對(duì)柴油機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)、速度及轉(zhuǎn)速傳感器、機(jī)車的換擋程序進(jìn)行全面的改進(jìn)和優(yōu)化，以提升系統(tǒng)的性能和可靠性。原有的調(diào)速系統(tǒng)存在一系列電路問題，如電源隔離不足、場效應(yīng)管的高損壞率以及復(fù)雜的控制方式。通過采用三菱PLC FX 系列產(chǎn)品替代原有系統(tǒng)，提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，降低故障率，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可編程性和適應(yīng)性。針對(duì)速度及轉(zhuǎn)速傳感器問題，采取安裝測速齒輪、添加密封罩蓋和安裝接近開關(guān)等措施，以減少油液泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，確保采集準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)速信息。