PLC在GK型内燃机车的运用

PLC在GK1C型内燃机车的应用

莱钢集团有限公司运输部机车段

摘要GK1C机车安装了FX2N型PLC，通过PLC的控制，实现了柴油机启动、调速、机车加载等功能。加装遥控装置，与PLC连接，使机车具有遥控功能。安装LCD，实时显示机车的状态信息和故障等内容。

关键词 PLC FX2N GK1C 遥控触摸屏

一、前言

PLC是一种数字运算的电子操作系统，具有可靠性高、开发简易、维护方便等优点。近年来，PLC控制技术发展迅速，不仅实现了较为复杂的开关量的逻辑控制，还具备模拟量控制、运动控制、过程控制、数据处理、通信及联网功能，在GK型内燃机车电气系统中得以大量运用。以下以南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司出产的GK1C型内燃机车为例，简要介绍该系统的构造原理与设计。

二、机车简介

GK1C机车采用液力传动，配备了6240ZJD型柴油发动机。机车由走行总体、液力传动箱、电气控制系统、动力系统等几部分组成。乘务员通过操纵司控器，产生调速信号至PLC，PLC发出控制指令,调节柴油机转速。柴油机通过万向轴与液力传动箱连接,传动箱按照PLC指令，变化不同的档位、方向，再由万向轴连接车轴齿轮箱，实现功率传递，进而实现机车功率的控制。

机车属大型动力传输设备，工作环境恶劣，夏季机车电气柜内部温度可达50以上。机车频繁提速、减速，对机车电气元件产生冲击。机车上电气元件较多，大功率直流电机启动启动运行时，会产生强电磁干扰。根据控制对象及环境的要求，该型机车采用了FX2N-80-MT型PLC作为整个系统的控制核心。

三、PLC系统组成

该型PLC自带80个I/O点，另加2个开关量输入模块，1个输出模块，一个模拟量输出模块。机车各种信号、指令通过输入模块和专用的通讯电缆输入至PLC，PLC经过各种运算，输出信号实现不同的控制要求。系统结构如图1所示。

1、开关量输入

开关量包括机车启停机、方向、变扭器档位、机

车各水温、油压继电器接点等。另外，系统还有两个

高速输入点，分别是得意达速度传感器计数脉冲和

T05磁电传感器数字脉冲。机车还安装差示压力计，

检测柴油机机体与外界大气压力之差，超过一定数

值，柴油机自动停机。

2、开关量输出

机车电气负载额定电压大多是DC110V，而PLC

的输出电压只有24V，带负载能力很小。因此选用固

态继电器进行功率放大。为克服各线圈断电时浪涌电

压对电气系统的影响，在线圈两端加装了抑制器，同

时在固态继电器电路板加装了续流二极管。输出负载包括柴油机起机、调速升保降、液力传动箱档位及方向控制、空压机启动、侧百叶、冷却风扇等。

3、模拟量输出

电气系统具有遥控控制功能。PLC配置了模拟特殊模块FX2N-4AD和FX2N-2DA。FX2N-4AD为模拟量输入模块，有四个输入通道，最大分辨力12位，模拟值输入范围为-10V～10V或者4～20mA；FX2N-2DA为模拟输出模块，有2个输出通道，最大分辨力12位，模拟值输出值范围为-10V到10V或者4到20mA。遥控机车需要机车低恒速运行，保持速度稳定，因此，需要不断调节制动量。遥控操作机车制动采用电磁比例阀控制。由PLC输出阶段控制指令，系统中D/A模块输出一定的电流（4－20mA），控制比例阀工作，改变均衡风缸压力大小，实现机车制动。

4、无线遥控系统

车上安装了无线遥控接收器。本系统采用数字调频FSK。控制器把操纵指令变为数字指令，既一系列二进制信号，经编码、调制，用无线方式发送到机车上接收器，接收器进行编码、译码、鉴别，还原成控制指令，送到单片机系统。由单片机根据指令，采取相应的信号输出，经继电器至PLC。

5、柴油机调速设备

柴油机为无级调速，调速驱动装置采用单片机控制技术，接收PLC控制指令，对其进行量化处理，输出驱动三相步进电机，带动供油拉杆，改变高压油泵供油量。

6、人机界面

机车在操纵台设置了5.7〃触摸式单色液晶显示器LCD，

通过RS422通讯口与PLC交换信息。根据机车实际应用的需要

和PLC系统中现有的信息资源，对LCD显示器的界面进行了统

筹安排，主要包括：机车各种主要参数的显示、机车状态显示、

机车参数的设置及修改、故障显示及查询等功能。由于该液晶

显示器为触摸式，这样，检修人员和乘务员通过设置在显示界

面的特定区域的触摸按键实现人机交换。显示器界面主要分为

4级，第1级为主界面（图2），第2级分为辅助界面、开关量

界面、故障界面、帮助界面四个界面，其余为第3级界面。故

障界面内设故障复位按钮和故障履历、遥控故障界面。帮助界

面有帮助说明、柴油机启动、柴油机调速、加载条件、加载I

档、加载II档、手动换档点参考等界面，检修人员可调出上述内容，方便快捷的处理故障。

四、软件设计

系统程序采用梯形图，具有编程简单，维护方便的优点。根据机车的控制工艺要求，明确系统的I/O 点以及之间的逻辑关系，由逻辑关系转变为梯形图。控制系统主要分为如下几部分。

1、柴油机启动控制

司控器在0位，闭合燃油泵开关，燃油泵电机工作。按下启动按钮, PLC有信号输入，Y025有输出，滑油泵电机接触器线圈得电，滑油泵工作，为柴油机润滑系统供油。延时50S后，Y033输出，通过功放模块，启动接触器QC线圈得电吸合，启动发电机处于启动工况。QDF工作后，再经过8S，QC自动断开，启动回路断

开（启动时限保护），柴油机启动完毕。其梯形图如下：

2、加载

为使机车运行安全，机车必须满足一定的控制条件才能加载，变扭器才允许充油换档。加载条件设置重点考虑到机车各部件安全技术指标。如滑油压力不小于160kPa，柴油机高温水温小于88℃，列车管风压不小于300kPa，等。其梯形图如下：

3、柴油机滑油压力保护

油压过低会使动力不足，柴油机各部件磨损严重。该车当柴油机转速大于400r/min时, 如果滑油压力低于80kPa，柴油机停机电磁铁TJD会失电，使柴油机停机，同时LCD显示“启机油压低”报警。当柴油机转速大于735r/min时, 如果滑油压力低于160kPa时，柴油机卸载回惰转，同时LCD显示“加载油压低”报警。逻辑图略。

4、机车方向

闭合机车总控开关1K，当司机控制器手轮司控器置于前位时，机车前进X013得电。此时Y030接通即机车方向1接触器1FXC接通，控制机车前头灯、前风笛。司机控制器手轮司控器置于后位，机车后退14得电。此时Y031接通即机车方向2接触器2FXC接通，控制机车后头灯、后风笛。逻辑图略。

5、柴油机调速：

该车柴油机调速为无级调速。当柴油机启动后，若加载条件M1得电，将司控器置“升速”位时，司控器“保”位X011、司控器“升”位X012有输入，则柴油机“保”位Y000、柴油机“升”位Y001输出，步进电机BJD顺转，柴油机升速，松开司控器控制手柄，则手柄即回“保”位，此时，X011有输入，X012断开，Y000输出，BJD停转，柴油机转速保持恒定。当司控器控制手柄置“降”速位时，X11与X12均无输入，Y000、Y001无输出， BJD逆转，柴油机降速。当司控器控制手柄回到“1”位或“0”位后，Y0、Y1无输出，同样控制BJD逆转，40s后，BJD逆转停止。其梯形图如下：

6、自动换挡

液力传动箱设有两个二轴，一个控制前进，一个控制后退。每个二轴均装有两个变扭器，Ⅰ挡启动变扭器和Ⅱ挡运转变扭器。换挡的目的是保持变扭器在高效区工作。为控制方便，换挡开关HDK设有四个位置‘自动’、‘手动Ⅰ挡’、‘手动Ⅱ挡’、‘0’。机车正常工作时将HDK置于“自动”位，自动换挡故障采用手动换挡。手动换档时司机需根据机车速度和柴油机转速的对应关系采用手动Ⅰ挡或Ⅱ挡，以确保变扭器在最经济的工况下运用。

当机车运行方向一定，即前进X013或后退X014得电，当司控器不处于‘0’位时，将换档开关置于“自动”位，自动换档X005得电。当加载条件M1满足，此时Y005或Y010接通即Ⅰ向Ⅰ档电空阀2DKF或Ⅱ向Ⅰ档电空阀5DKF吸合，变扭器Ⅰ档充油。当机车速度达到一定值时，可编程控制器根据机车速度，即X0输入值和柴油机当前转速值（X1或X2输入值）之间的比值控制Y006或Y011的接通即Ⅰ向Ⅱ档电空阀3DKF或Ⅱ向Ⅱ档电空阀6DKF的通断，控制变扭器的工作档位。其梯形图如下：

7、手动换挡

当机车运行方向一定，即X013或X014接通，当司控器不处于‘0’位时，将换档开关HDK置于手动Ⅰ挡

位， X006得电，若M1也同时接通，此时Y005或Y010接通即Ⅰ向Ⅰ档电空阀2DKF或Ⅱ向Ⅰ档电空阀5DKF吸合。变扭器Ⅰ档充油。若将换档开关HDK置于手动Ⅱ挡位，X007得电，则Y006或Y011接通即Ⅰ向Ⅱ档电空阀3DKF或Ⅱ向Ⅱ档电空阀6DKF的通断，控制变扭器的工作档位。梯形图见前面自动换档。

五、结束语

由于采用了PLC控制，GK1C机车电气控制系统工作十分稳定，相对其他未采用PLC控制的机车，故障率很低。该型机车安装了触摸式单色液晶显示器LCD，可以方面的查询机车运行状态、故障履历，有利于设备的维护检修。同时，该车还选配遥控功能，装载遥控接收器，能够实现遥控驾驶。

作者简介：段崇义（1967- ）男山东莱芜人高级工程师

张勇（1975－）男山东曹县人，工程师

张务民（1974- ）男山东莱芜人技师

联系地址：山东省莱芜钢铁集团有限公司运输部机车段

邮政编码：271104

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参考文献 1. GK1C机车电路说明书四方机车车辆厂

2．顾战松陈铁年《可编程控制器原理与应用》