内燃机车PLC控制系统分析及程序优化.pdf

DOI 1 0 ． 3 9 6 9／ j ． i s s n ． 1 0 0 9 - 9 4 9 2 ． 2 0 1 4 ． 0 5 ． 0 3 4 内燃机车P L C控制系统分析及程序优化 郑兴 杰 广州 I 市地下铁 道总公 司， 广 东广州 5 1 0 3 1 0 摘要内燃机车是地铁一种非常重要的行车设备，既可用于工程作业 ，也可用于电客车的调车和救援。首先对地铁内燃机车进 行介绍与说明，重点分析了内燃机车P L C 控制系统的重要信号收集、柴油机转速控制以及机车起动走行等内容， 并结合内燃机 车的实际运用，指出程序设计上存在的不足，提出优化设计方案，以进一步提高内燃机车运用的稳定性 ，同时通过增设应急旁 路，提高机车的作业效率、降低影响地铁正线运营的风险。 关键词内燃机车；地铁；P L C ；程序 ；优化；应急 中图分类号U 2 3 1 ． 6 文献标识码A 文章编号1 0 0 9 9 4 9 2 2 0 1 4 0 5 0 1 3 5 0 5 P LC Co n t r o l S y s t e m An a l y s i s a n d Pr o g r a m Op t i mi z a t i o n o f Di e s e l Lo c o m o t i v e Z H E N G X i n g - j i e Gu a n g z h o u Me t r o C o r p o r a t i o n，Gu a n g z h o u 51 0 3 1 0，C h i n a Abs t r a c t As a v e r y i mp o r t a n t d riv i n g d e v i c e o f s u b wa y ， t h e d i e s e l l o c o mo t i v e s c a n b e u s e d i n i n d u s t ria l e n g i n e e rin g a s we l l a s s h u n t i n g a n d r e s c u i n g o f e l e c t ri c p a s s e n g e r c a r s ．Fi rst l y， t h e a r t i c l e ma k e s a i n t r o d u c t i o n a n d d e s c rip t i o n f o r t h e s u b wa y d i e s e l l o c o mo t i v e， f o c u s i n g o n a na l y z i n g i mp o r t a n t s i g n a l c o l l e c t i o n o f t h e d i e s e l l o c o mo t i v e s PL C’ S c o n t r o l s y s t e m， s p e e d c o n t r o l o f d i e s e l e n g i n e and t h e l o c o mo t i v e s t a rti n g，e t c ． An d t h e n p o i n t e d o u t d e fi c i e n c i e s o f p r o g r a m d e s i g n a n d p r o p o s e d o p t i mi z a t i o n d e s i g n s c h e me t h r o u g h c o mb i n i n g t h e pr a c t i c al a p p l i c a t i o n o f t h e d i e s e l l o c o mo t i v e s，i n o r d e r t o f u r t h e r i mp r o v e t h e s t a b i l i t y o f d i e s e l l o c o mo t i v e s ． At t h e s a me t i me， t h e o p e r a t i o n e ffi c i e n c y o f l o c o mo t i v e c a n b e i mp mv e d a n d t h e r i s k o f i n flu e nc e o n t h e s u b wa y’S ma i n l i n e o p e r a t i o n c a n b e r e d u c e d b y a d d i n g e me r g e n c y b y p a s s ． Ke y wo r ds di e s e l l o c o mo t i v e ； me t r o； PL C； p r o gra m ； o p t i mi z a t i o n； e me r g e n c y O 前言 内燃机车是地铁运 营及维护要 用到的一种很 重要 的行车设备 ，在许 多地铁系统的维护作业 中 都需要使用 ，例如 地铁列车 、运输 车辆 、无动 力轨道车辆的牵引与调车 ；隧道内和车辆段内事 故车辆的救援牵引作业；地铁供电设备施工和维 修时工程车作为牵引动力的设备；地铁正线货物 运输及地铁工程维修等等。 在地铁运用的内燃机车 ，基本构造 由发动 机 、传动装置、车体和车架 、走行部 、制动系 统 、辅助装置及电气系统七大部分组成 。 发动机属于内燃机车的动力源，采用了美国 进口卡特彼勒3 4 1 2 E 型柴油机，功率约为5 6 0 k W。 传动装置主要 由液力传动箱 、车轴齿轮箱、 辅助齿轮箱等组成，柴油机所发出的功率通过5 根万向轴传递到机车轮对上，使车轮转动，机车 行走 。 车体则采用 了全钢电焊结构 ，整车从前到后 分 为冷却 室 、动力 室 、司机室 、辅机 室等 四部 分 。车架 由左 、右两根纵 向中梁 ，前后牵引梁 ， 中间横梁和外围板组成 ，具有足够的强度和刚度 。 走行部为两个相同的、可互换的转向架，车 架上部重量依次通过转向架旁承、构架、轴箱弹 簧、轴箱、轮对传递给钢轨，牵引力则通过转向 架中心销传给车架和车钩。 制动系统则采用 了J Z 一 7型空气制动机 ，机车 收稿 13 期2 0 1 4 0 4 0 3 匿 亟 量 自动化 前 后操 作 台均可 操纵 ，制 动机 的分配 阀采 用 了二压 力与三压力混合型式的机 构 ，既 具 有 阶 段 缓 解 作 用 ，又具有一次缓解作用。 辅 助装 置 主要 是 指静 液 压 系 统 ，在 此 系统 中 ， 柴油 机仍是 动力 源 ，其驱 动 油 泵 ， 液 压 油 经 加 压 后 ，流 向与冷 却风扇 连接 的液压 马达 ，当风扇转动时 ， 油机散热水箱进行通风降温。 l S Q 柴油机转速传感器 柴油机油压信 号 s R 机 车 速 度 传 感 器H 蔷 目A 。 模 数 转 换 器 日。 A 徽 换 器 A D S 司机控制器 可为风扇上方 的柴 电气系统是机车控制 的核心 ，通过各种 电器 元件来实现启动 、调速、信号收集、充电、照明 等 ，在控制机车运转的同时 ，保证机车各系统正 常运作 。 目前在 内燃机车电气系统 中，P L C控制 系统的运用 比较广泛 ，三菱 P L C为其 中的一种产 品。 1 内燃机车 P L C控制系统设计分析 本文介绍的内燃机车的P L C控制系统 ，由三 菱 F X 2 N 一 8 0 M T D型微机可编程控制器 、传感 器 、D A数模 转换器 、AD模数转换器 、Y MZ H柴 油机油门信号变换器、P WM脉宽调制信号、柴油 机 电子控制 模块 E C M 、9 4 0 G O T S WD显示屏 等组成 ，其 中微机可编程控制器 ，即P L C为系统 的核心。如图 1 所示。 P L C的工作电源 ，由柴油机的 2 4 V蓄电池经 稳压器后提供 ，其输入端主要接收A D S 司机控制 器位信号、柴油机转速信号、机车速度信号及各 电器部件的开关量信号 ，输 出方式则采用继电器 输 出，共 2 0 个 固态继 电器 ，以微电流驱动 2 4 V电 控 阀、2 4 V直流接触器与 1 1 0 V直流接触器等 电 器元件的动作 。 D A 模块用于柴油机机油油压信号与冷却水温 度信号的收集，A D 模块则用于将数值信号转换模 拟信号 ，并通过Y M Z H柴油机油门信号变换器 ， 向柴油机的E C M提供信号，实现柴油机转速的调 整 。 1 ． 1 内燃机车重要信号收集 P L C 接收的内燃机车重要信号，主要有柴油 机转速、机车速度、冷却水温度和机油油压，这 些信号使司机能及时掌握机车的工况，使其一方 柴油机水温信 号 E c M H P w M 脉 冲 调 制 信 号H 门 信 号 图 1 内燃机车P L C控制系统结构图 面可根据 作业要 求 ，对机车 的运转状 态进 行调 整，另一方面，在机车出现故障后 ，可及时提醒 司机停止操作 ，避免设备带故障运行 ，确保了设 备和人身的安全 。 柴油机转速传感器 由e 2 e x 2 e l 接近开关 和多 齿齿轮组成 ，其 中多齿齿轮与液力传动箱一轴连 接 ，由于液力传动箱一轴系柴油机飞轮直接驱 动 ，因此 ，多齿 齿 轮的转速 与柴油 机 的转速一 致 。接近开关为径 向安装 ，多齿齿轮转动 一圈 ， 则产生9 个脉冲量 ，并被 P L C的高速计数器输入 端X 0 接收。在程序中，柴油机转速传感器是以 l 0 0 0 m s 作为一个样本采集周期 ，并将数据 直接 放置在数据存储器 D O中，程序计算与执行原理如 下 。 1 柴 油 机 转 速 的计 算 公 式 为 n 6 0 D 。 1 0 0 0 ／ N t r ／ m i n ，N为每转脉冲数 ，t 为指定 的计 数时间 ，单位为ms ； 2 根据上文描述 ，Ⅳ为9 ，t 为 1 0 0 0ms ，因 此 n 6 0 D 0 x 1 0 0 0 ／ 9 x l O 0 0 D 0 x 2 0 ／ 3 ； 3 P L C的高速计数器输人端 X 0 ，在 1 0 0 0 ms 内完成一个采样周期 ，并将数值直接存至 D O 处 ， 然后 D O 先乘以2 0 ，再除以3 ，运算的最终结果放 置在 Dl 1 0 。 4 柴油机在启 动时 ，柴油机转速至少要在 5 0 0 d m i n 转以上是判别启动成功的条件之一，因 此在程序的每个执行周期 ，P L C 均要将D l 1 0 进行 比对，如低于5 0 0 r ／ m i n ，则P L C 将禁止辅助发电 机的启动与机油油压的判别 ，使机车不能进行前 进／ 后退的操作 。 机车速度传感器设置与柴油机传感器基本一 致，区别为机车速度的多齿齿轮安装在车轴的端 部 ，且齿数较多 ，转动一圈能产生2 0 0 个脉冲 ， 郑兴杰内燃机车P L C 控制 系统分析及程序优化 收集的样本是存放在数据存储器D 4 中，程序计算 与执行原理如下 1 车轮 的转 速公式计 算公式 为 n 6 0 x D 4 x l O 0 0 ／ N t r ／ mi n ； 2 』 ＼ ， 为 2 0 0 ，t 为 1 0 0 0 ms ，n 6 0 x D 4 1 0 0 0 ／ 2 0 0 1 0 0 0 3 x D 4 ／ 1 0 r ／ mi n ； 3 n r ／ mi n x 6 0 1 8 x D 4 r ／ h ； 4 机 车的速度 V k m ／ h 兀x d ／ 1 0 0 0 ，其 中 d 为车 轮直径 ，取 d O ． 9 1 5 m，V 1 8 x D 4 x 3 ． 1 4 x 0 ． 9 1 5 ／ 1 0 0 0 k m ／ h 5 1 ． 7 2 x D 4 ／ 1 0 0 0 k m ／ h 1 D4 x 5 ／ 1 0 0 ； 5 在程序 中，P L C的高速计数器输人端 x1 ，在采 集完数 据后 ，会将 数值存 至 D 4 ，然后 D 4 先乘以5 ，再除以1 0 0 ，运算最终结果放置在 D1 3 0 。如图 2 所示。 6 在每个程序执行周期 ，P L C均要将 D1 3 0 进行比对，如发现 D 1 3 0 超 5 0 k m ／ h ，则机车前进 失效 ，柴油机 自动卸载 ，停车制动 自动实施 。 o 0 O K t ∞ O o 0 l K l o o O 邸 I D0 3 o DL l O K5 ∞ D o l ∞ D l 0 o 髓 D 4 K 5 D 1 2 , 0 K l o o 图2 柴油机转速传感器与机车速度传感器数据收集相关程序 冷却水温度与机油油压信号 ，均通过A D 模 数转换器收集，P L C 会在程序首次的扫描执行周 期，对A D 模块进行判别与设置，并将采样周期数 定为2 5 次 ，关闭 3 、4 通道 ，设置 1 、2 通道的量程 为 4 ～ 2 0 mA。在程序往后的循环扫描执行中 ，P L C 会将收集到的数据，通过换算后 ，将最终数据存 储至D 1 6 0 水温和D 1 9 0 油压 ，当机车水温 高于 1 0 3 。 C，或机油油压低于 5 0 b a r 时 ，柴油机会 自动卸载 ，以确保设备运转安全 】 。如图3 所示 。 1 ． 2 柴油机转速控制 柴油机的转速控制 ，主要 通过 A D S 司机控制 K O I 【 D K l m 瞄 口 l ∞ 髓 } ∞ l 1 Kl I 鼢 喇撕 K l D f 1 0 l D ∞ K I 5 Dl 柏 K l ∞ DI S O ∞ D 6 1 龆 Dm K l D埔O K O 图3 冷却水温度与机油油压信号收集的相关程序 器 、P L C可编程控制器 、D A数模转换器与柴油机 油 门信号变换器来实现 ，A D S司机控制器 为输入 端 ，共 4 个输 入点 ，与 P L C的 X 5 、X 6 、X 7 、Xl O ， 啪 D “ I ∞ ∞ D 1 4 胁 H l o 船 呦 ● ∞ 啪 亘 羹 K l 哪 I ∞ ∞ 酊 ∞D 啪 ∞ m DI 朝∞O 图4 柴油机转速控制相关程序 - t - ● ● _ _ _ l _ _ _ l _ _ _ - _ _ _ l _ _ _ l _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ lI