摘要：應(yīng)用PLC改造GK1F機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng).主要介紹PLC控制系統(tǒng)的特點(diǎn),以及在工礦機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：PLC控制；I/O接口；控制電路；GK1F機(jī)車(chē)
1. 前言
在2000年以前，在我部運(yùn)用的內(nèi)燃機(jī)車(chē)中仍有3臺(tái)機(jī)車(chē)沿用繼電器聯(lián)鎖的控制方式。這種方式，布線(xiàn)復(fù)雜，可靠性差，故障查找困難，維修不便。部分觸點(diǎn)因長(zhǎng)期在大電流通過(guò)的情況下動(dòng)作，造成慣性灼傷，頻繁燒損。特別是機(jī)車(chē)風(fēng)泵的控制電路中采用串電阻三級(jí)起動(dòng)，極易造成電阻箱燒損和起動(dòng)電流大的故障。由于各種機(jī)車(chē)電氣故障居高不下，直接影響到機(jī)車(chē)的利用率。同時(shí)，復(fù)雜的機(jī)車(chē)邏輯電路也給增設(shè)安全保護(hù)裝置帶來(lái)不便。
近年來(lái)，PLC應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，在工業(yè)控制的眾多領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用；特別是在機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)中大量運(yùn)用。為此我們與四方機(jī)車(chē)車(chē)輛廠合作，采用PLC對(duì)現(xiàn)有的GK1F機(jī)車(chē)進(jìn)行改造，取得了良好的效果。此舉措不僅可以大大地簡(jiǎn)化線(xiàn)路，而且在電氣系統(tǒng)運(yùn)行可靠性有了顯著提高。同時(shí)還改變了風(fēng)泵電機(jī)的起動(dòng)方式，降低了故障率也使維修人員維修方便，提高了工作效率。
2. GK1F型機(jī)車(chē)PLC電氣控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2.1電氣系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)思路
根據(jù)我部原有電氣系統(tǒng)為PLC控制的GK1F機(jī)車(chē)（1021—1024）和GK2B機(jī)車(chē)（1001、1002），以及資陽(yáng)機(jī)車(chē)車(chē)輛廠改造的PLC控制的GK1F機(jī)車(chē)（1006—1007）；根據(jù)各種情況綜合對(duì)比我們選擇與青島四方機(jī)車(chē)車(chē)輛廠聯(lián)合對(duì)我部剩余的三臺(tái)機(jī)車(chē)進(jìn)行改造。其電氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想與GK1F機(jī)車(chē)和GK2B機(jī)車(chē)的電氣系統(tǒng)相近；且各配件與這兩種機(jī)車(chē)的配件基本相同，便于維修和互換。在具體設(shè)計(jì)思想上維持原繼電器、接觸器控制系統(tǒng)的邏輯順序和控制原理。
2.2 PLC的I/O點(diǎn)數(shù)選定
在控制電路中，輸入PLC的控制信號(hào)為32點(diǎn)，包括司機(jī)指令信號(hào)（如司機(jī)控制器、各琴鍵開(kāi)關(guān)、按鈕開(kāi)關(guān)等元件的觸點(diǎn)信號(hào)）和機(jī)車(chē)狀態(tài)信號(hào)（如溫度繼電器、壓力繼電器、柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)和機(jī)車(chē)速度信號(hào)等）。PLC輸出的控制信號(hào)點(diǎn)數(shù)為32點(diǎn)，包括動(dòng)作執(zhí)行元件（各接觸器線(xiàn)圈、電空閥及去電子調(diào)速箱的控制信號(hào)）。
2.3硬件組成
2.3.1 PLC系統(tǒng)
這是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，采用的是日本三菱公司的FX2—80MR—D型PLC。該機(jī)型為整體式PLC機(jī)，結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕，具有很強(qiáng)的抗*力和負(fù)載能力。而且FX2系列PLC機(jī)是三菱公司90年代初推出的產(chǎn)品，它的zui大的特點(diǎn)是在小型機(jī)上實(shí)現(xiàn)大型機(jī)的功能，可與計(jì)算機(jī)自由聯(lián)接。（性能參數(shù)見(jiàn)表1）該機(jī)型有40個(gè)輸入點(diǎn)和40個(gè)輸出點(diǎn)。不帶擴(kuò)展模塊，*系統(tǒng)的要求。機(jī)車(chē)速度和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采用了目前鐵路機(jī)車(chē)通用的數(shù)字式測(cè)速傳感器。
表1 FX2系列PLC機(jī)功能技術(shù)指標(biāo)表
| 項(xiàng)目 | 性能指標(biāo) |
| 操作控制方式 | 反復(fù)掃描程序 |
| I/O刷新方式 | 批處理方式 |
| 操作處理時(shí)間 | 基本指令：0.74μs/步 |
| 編程語(yǔ)言 | 繼電器符號(hào)語(yǔ)言（梯形圖）+步進(jìn)指令 |
| 指令數(shù) | 基本指令20條；步進(jìn)指令2條；應(yīng)用指令85條 |
| 輸入繼電器 | 24V DC，7mA，光電隔離 |
| 輸出繼電器 | 30V DC，2A（電阻負(fù)載） |
| 定時(shí)器 | 時(shí)鐘脈沖：1ms、10ms、100ms |
| 輔助（中間）繼電器 | 通用輔助繼電器、鎖存型輔助繼電器、特殊輔助繼電器 |
2.3.2輸出驅(qū)動(dòng)部分
因?yàn)檩敵霾糠挚刂频呢?fù)載多為感性負(fù)載，為此選用固態(tài)繼電器進(jìn)行功率放大。但在電路中未加設(shè)二極管保護(hù)和過(guò)壓吸收電路；僅在發(fā)電機(jī)回路中加裝了過(guò)壓吸收保護(hù)電路。
2.3.3電源部分
系統(tǒng)需要用DC24V供電，而機(jī)車(chē)電源為DC110V。因此需要一個(gè)將DC110V轉(zhuǎn)換為DC24V的開(kāi)關(guān)電源。在改造過(guò)程中選用了由四方機(jī)車(chē)車(chē)輛廠設(shè)計(jì)制造的開(kāi)關(guān)電源。該電源有較寬的輸入范圍（DC30V—DC135V），既能滿(mǎn)足柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)蓄電池壓降大的需要，又不至于電壓失調(diào)時(shí)的過(guò)壓沖擊。
2.4 PLC控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)
該控制系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)由四方機(jī)車(chē)車(chē)輛廠設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，程序大多根據(jù)原機(jī)車(chē)電氣原理圖的控制方式編寫(xiě)。在程序設(shè)計(jì)時(shí)取消了原電路中所有的中間繼電器、時(shí)間繼電器和大部分中間起聯(lián)鎖作用的接觸器的輔助觸點(diǎn)；同時(shí)還取消了原有的電氣換檔裝置和機(jī)車(chē)超速保護(hù)裝置。這些裝置的功能*由程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)，使電路得到了簡(jiǎn)化且功能進(jìn)一步增強(qiáng)。此外還增加了柴油機(jī)工作計(jì)時(shí)表，準(zhǔn)確的記錄了柴油機(jī)的工作時(shí)間；為檢修人員確定柴油機(jī)的修程提供了參考依據(jù)。下面僅對(duì)系統(tǒng)改造中程序設(shè)計(jì)的幾個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行闡述。
2.4.1柴油機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速控制
柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)在此前已經(jīng)進(jìn)行了改造，由原來(lái)的電空閥——操作風(fēng)缸控制改為步進(jìn)電機(jī)無(wú)級(jí)調(diào)速。所以在這次改造中對(duì)于柴油機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仍沿襲以往的程序設(shè)計(jì)；使PLC輸出4個(gè)信號(hào)（調(diào)速1至調(diào)速4）；這4個(gè)調(diào)速信號(hào)經(jīng)放大后作為信號(hào)向電子調(diào)速控制箱提供輸入信號(hào)。
2.4.2電氣換檔改造
電氣換檔系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種換檔方法；一種為柴油機(jī)3把位以上換Ⅱ檔，無(wú)須采集柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)。另一種為分別采集機(jī)車(chē)速度信號(hào)和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，對(duì)兩信號(hào)進(jìn)行比較；當(dāng)達(dá)到設(shè)定值時(shí)機(jī)車(chē)換檔。其具體換檔點(diǎn)速度見(jiàn)表2。
表2 機(jī)車(chē)換檔點(diǎn)速度表（50km/h限速）
| 司機(jī)控制器 檔位 | 機(jī)車(chē)速度（km/h）大于 | 換檔情況 | 機(jī)車(chē)速度（km/h）小于 | 換檔情況 |
| 3 | 15.16 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 14.04 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 4 | 16.29 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 15.08 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 5 | 17.42 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 16.13 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 6 | 18.54 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 17.17 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 7 | 19.67 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 18.21 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 8 | 20.80 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 19.26 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 9 | 21.91 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 20.29 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 10 | 23.05 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 21.34 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 11 | 24.18 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 22.39 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 12 | 25.29 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 23.42 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 13 | 26.42 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 24.27 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 14 | 27.56 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 25.52 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 15 | 28.67 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 26.55 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
| 16 | 29.80 | Ⅰ檔換Ⅱ檔 | 27.59 | Ⅱ檔換Ⅰ檔 |
2.4.3風(fēng)泵起動(dòng)電路
風(fēng)泵起動(dòng)電路取消了原有的串電阻起動(dòng)方式，改為降壓起動(dòng)方式。當(dāng)輸入信號(hào)滿(mǎn)足風(fēng)泵打風(fēng)時(shí)，在發(fā)電機(jī)降壓3秒鐘后輸出風(fēng)泵起動(dòng)信號(hào)風(fēng)泵起動(dòng)。并設(shè)計(jì)程序防止兩風(fēng)泵同時(shí)起動(dòng)；以減少對(duì)主電路和發(fā)電機(jī)的沖擊。
3.其它外部電路設(shè)計(jì)
在外部電路改造中大量的利用了原有的電路，盡量節(jié)約及減少工作強(qiáng)度。下面對(duì)以下幾個(gè)主要電路的改造進(jìn)行分析。
3.1發(fā)電機(jī)——電壓調(diào)整器電路的改造
本次改造對(duì)發(fā)電機(jī)——電壓調(diào)整器電路進(jìn)行了較大的改造，其中電壓調(diào)整器采用四方機(jī)車(chē)車(chē)輛廠設(shè)計(jì)制造的電壓調(diào)整器，具有降壓功能，可以與TPZ9型電壓調(diào)整器互換使用。電壓調(diào)整器的降壓信號(hào)由PLC提供；在外部電路加設(shè)了三個(gè)大功率二極管用于過(guò)壓吸收從而消除發(fā)電機(jī)發(fā)電初始和發(fā)電結(jié)束時(shí)產(chǎn)生的過(guò)電壓對(duì)其它電路的影響。
3.2電氣換檔電路改造
電氣換檔系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造后取消了原有的電氣換檔裝置并對(duì)機(jī)車(chē)速度信號(hào)傳感器和柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器進(jìn)行了改造；這兩種傳感器均采用目前鐵路上通用的數(shù)字傳感器。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器采用電磁式轉(zhuǎn)速傳感器，其安裝位置位于液傳箱彈性聯(lián)軸節(jié)后部；機(jī)車(chē)速度傳感器采用上海德意達(dá)生產(chǎn)的速度傳感器；其安裝位置在機(jī)車(chē)第二動(dòng)輪右側(cè)的軸箱端蓋上。
4.結(jié)束語(yǔ)
采用了PLC改造GK1F機(jī)車(chē)電氣控制系統(tǒng)，改變了機(jī)車(chē)傳統(tǒng)的電氣控制方式。PLC的輸入、輸出部分和固態(tài)繼電器均有發(fā)光二極管顯示，方便了檢修人員查找電氣故障，提高了檢修效率，進(jìn)而提高了機(jī)車(chē)?yán)寐?。自改造至今電氣故障大大減小，設(shè)備利用率提高經(jīng)濟(jì)效益顯著。
但在我們也應(yīng)當(dāng)看到，我們對(duì)PLC的應(yīng)用還是比較初級(jí)的。在狀態(tài)檢測(cè)和狀態(tài)記錄、無(wú)級(jí)調(diào)速的步進(jìn)控制（直接采用PLC控制，取消原來(lái)的電子調(diào)速控制箱），以及人機(jī)界面的適時(shí)顯示均是空白。隨著技術(shù)的提高，我們不應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足現(xiàn)有的改造，應(yīng)當(dāng)在上述方面進(jìn)行進(jìn)一步的提高，從而創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
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