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基于 PLC 的内燃机车逻辑控制系统研究

来源:SCI期刊网 分类:电子论文 时间:2022-01-19 09:56 热度:

摘 要:摘要院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

  摘要院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。

基于 PLC 的内燃机车逻辑控制系统研究

  关键词院PLC;内燃机;逻辑控制;控制系统

  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耀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,断开测速发电机电路,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

  淤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。于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。盂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触点太多,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。——论文作者:吕志强淤 LV Zhi-qiang曰李杰淤 LI Jie曰韩宁于 HAN Ning

  参考文献:

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  [2]张斌,胡汉春.基于 PLC 的内燃机车逻辑控制研究与改进 [J].机械工程与自动化,2007(6):100-102.

  [3]王治.DF7G 内燃机车微机系统牵引控制策略的研究[D]. 北京交通大学,2016.

  [4]赵大超.内燃机车 PLC 控制系统及优化方式分析[J].中国科技纵横,2020(3):46-47.

  [5]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.

  [6]史国辉.内燃机车 PLC 控制系统及优化方式分析[J].商品与质量,2019(37):262.

文章名称:基于 PLC 的内燃机车逻辑控制系统研究

文章地址:http://www.sciqk.com/lwfw/dzlw/12695.html

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