運輸部機車段 王繼強

摘要：應用PLC改造GK1F機車電氣控制系統.主要介紹PLC控制系統的特點,以及在工礦機車電氣控制系統中的應用.

關鍵詞：PLC控制；I/O接口；控制電路；GK1F機車

1.前言

在2000年以前，在我部運用的內燃機車中仍有3臺機車沿用繼電器聯鎖的控制方式。這種方式，布線復雜，可靠性差，故障查找困難，維修不便。部分觸點因長期在大電流通過的情況下動作，造成慣性灼傷，頻繁燒損。特別是機車風泵的控制電路中采用串電阻三級起動，極易造成電阻箱燒損和起動電流大的故障。由于各種機車電氣故障居高不下，直接影響到機車的利用率。同時，復雜的機車邏輯電路也給增設安全保護裝置帶來不便。

近年來，PLC應用技術發展迅速，在工業控制的眾多領域都得到廣泛的應用；特別是在機車電氣控制系統中大量運用。為此我們與四方機車車輛廠合作，采用PLC對現有的GK1F機車進行改造，取得了良好的效果。此舉措不僅可以大大地簡化線路，而且在電氣系統運行可靠性有了顯著提高。同時還改變了風泵電機的起動方式，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型機車PLC電氣控制系統設計

2.1電氣系統的改造設計思路

根據我部原有電氣系統為PLC控制的GK1F機車（1021—1024）和GK2B機車（1001、1002），以及資陽機車車輛廠改造的PLC控制的GK1F機車（1006—1007）；根據各種情況綜合對比我們選擇與青島四方機車車輛廠聯合對我部剩余的三臺機車進行改造。其電氣系統的設計思想與GK1F機車和GK2B機車的電氣系統相近；且各配件與這兩種機車的配件基本相同，便于維修和互換。在具體設計思想上維持原繼電器、接觸器控制系統的邏輯順序和控制原理。

2.2 PLC的I/O點數選定

在控制電路中，輸入PLC的控制信號為32點，包括司機指令信號（如司機控制器、各琴鍵開關、按鈕開關等元件的觸點信號）和機車狀態信號（如溫度繼電器、壓力繼電器、柴油機轉速信號和機車速度信號等）。PLC輸出的控制信號點數為32點，包括動作執行元件（各接觸器線圈、電空閥及去電子調速箱的控制信號）。

2.3硬件組成

2.3.1 PLC系統

這是整個系統的核心部分，采用的是日本三菱公司的FX2—80MR—D型PLC。該機型為整體式PLC機，結構緊湊、體積小、重量輕，具有很強的抗干擾能力和負載能力。而且FX2系列PLC機是三菱公司90年代初推出的產品，它的最大的特點是在小型機上實現大型機的功能，可與計算機自由聯接。（性能參數見表1）該機型有40個輸入點和40個輸出點。不帶擴展模塊，完全滿足系統的要求。機車速度和柴油機轉速傳感器采用了目前鐵路機車通用的數字式測速傳感器。

表1 FX2系列PLC機功能技術指標表

2.3.2輸出驅動部分

因為輸出部分控制的負載多為感性負載，為此選用固態繼電器進行功率放大。但在電路中未加設二極管保護和過壓吸收電路；僅在發電機回路中加裝了過壓吸收保護電路。

2.3.3電源部分

系統需要用DC24V供電，而機車電源為DC110V。因此需要一個將DC110V轉換為DC24V的專用開關電源。在改造過程中選用了由四方機車車輛廠設計制造的專用開關電源。該電源有較寬的輸入范圍（DC30V—DC135V），既能滿足柴油機起動時蓄電池壓降大的需要，又不至于電壓失調時的過壓沖擊。

2.4 PLC控制系統的程序設計

該控制系統的程序設計由四方機車車輛廠設計院設計，程序大多根據原機車電氣原理圖的控制方式編寫。在程序設計時取消了原電路中所有的中間繼電器、時間繼電器和大部分中間起聯鎖作用的接觸器的輔助觸點；同時還取消了原有的電氣換檔裝置和機車超速保護裝置。這些裝置的功能完全由程序控制來實現，使電路得到了簡化且功能進一步增強。此外還增加了柴油機工作計時表，準確的記錄了柴油機的工作時間；為檢修人員確定柴油機的修程提供了參考依據。下面僅對系統改造中程序設計的幾個關鍵環節進行闡述。

2.4.1柴油機無級調速控制

柴油機調速系統在此前已經進行了改造，由原來的電空閥——操作風缸控制改為步進電機無級調速。所以在這次改造中對于柴油機調速系統仍沿襲以往的程序設計；使PLC輸出4個信號（調速1至調速4）；這4個調速信號經放大后作為信號向電子調速控制箱提供輸入信號。

2.4.2電氣換檔改造

電氣換檔系統設計了兩種換檔方法；一種為柴油機3把位以上換Ⅱ檔，無須采集柴油機轉速信號。另一種為分別采集機車速度信號和柴油機轉速信號，對兩信號進行比較；當達到設定值時機車換檔。其具體換檔點速度見表2。

表2 機車換檔點速度表（50km/h限速）

2.4.3風泵起動電路

風泵起動電路取消了原有的串電阻起動方式，改為降壓起動方式。當輸入信號滿足風泵打風時，在發電機降壓3秒鐘后輸出風泵起動信號風泵起動。并設計程序防止兩風泵同時起動；以減少對主電路和發電機的沖擊。

3.其它外部電路設計

在外部電路改造中大量的利用了原有的電路，盡量節約及減少工作強度。下面對以下幾個主要電路的改造進行分析。

3.1發電機——電壓調整器電路的改造

本次改造對發電機——電壓調整器電路進行了較大的改造，其中電壓調整器采用四方機車車輛廠設計制造的電壓調整器，具有降壓功能，可以與TPZ9型電壓調整器互換使用。電壓調整器的降壓信號由PLC提供；在外部電路加設了三個大功率二極管用于過壓吸收從而消除發電機發電初始和發電結束時產生的過電壓對其它電路的影響。

3.2電氣換檔電路改造

電氣換檔系統經過改造后取消了原有的電氣換檔裝置并對機車速度信號傳感器和柴油機轉速傳感器進行了改造；這兩種傳感器均采用目前鐵路上通用的數字傳感器。柴油機轉速傳感器采用電磁式轉速傳感器，其安裝位置位于液傳箱彈性聯軸節后部；機車速度傳感器采用上海德意達生產的速度傳感器；其安裝位置在機車第二動輪右側的軸箱端蓋上。

4.結束語

采用了PLC改造GK1F機車電氣控制系統，改變了機車傳統的電氣控制方式。PLC的輸入、輸出部分和固態繼電器均有發光二極管顯示，方便了檢修人員查找電氣故障，提高了檢修效率，進而提高了機車利用率。自改造至今電氣故障大大減小，設備利用率提高經濟效益顯著。

但在我們也應當看到，我們對PLC的應用還是比較初級的。在狀態檢測和狀態記錄、無級調速的步進控制（直接采用PLC控制，取消原來的電子調速控制箱），以及人機界面的適時顯示均是空白。隨著技術的提高，我們不應當滿足現有的改造，應當在上述方面進行進一步的提高，從而創造更大的經濟價值。

參考文獻

1. GK1F機車和GK2B機車電路說明書 四方機車車輛廠

2．張鳳珊 《電氣控制及可編程序控制器》 中國輕工業出版社

3. 顧戰松 陳鐵年 《可編程控制器原理與應用》國防工業