运输部机车段王继强
摘要：应用PLC改造GK1F机车电气控制系统.主要介绍PLC控制系统的特点,以及在工矿机车电气控制系统中的应用.
关键词：PLC控制；I/O接口；控制电路；GK1F机车
1.前言
在2000年以前，在我部运用的内燃机车中仍有3台机车沿用继电器联锁的控制方式。这种方式，布线复杂，可靠性差，故障查找困难，维修不便。部分触点因长期在大电流通过的情况下动作，造成惯性灼伤，频繁烧损。特别是机车风泵的控制电路中采用串电阻三级起动，极易造成电阻箱烧损和起动电流大的故障。由于各种机车电气故障居高不下，直接影响到机车的利用率。同时，复杂的机车逻辑电路也给增设安全保护装置带来不便。
近年来，PLC应用技术发展迅速，在工业控制的众多领域都得到广泛的应用；特别是在机车电气控制系统中大量运用。为此我们与四方机车车辆厂合作，采用PLC对现有的GK1F机车进行改造，取得了良好的效果。此举措不仅可以大大地简化线路，而且在电气系统运行可靠性有了显著提高。同时还改变了风泵电机的起动方式，降低了故障率也使维修人员维修方便，提高了工作效率。
2.GK1F型机车PLC电气控制系统设计
2.1电气系统的改造设计思路
根据我部原有电气系统为PLC控制的GK1F机车（1021—1024）和GK2B机车（1001、1002），以及资阳机车车辆厂改造的PLC控制的GK1F机车（1006—1007）；根据各种情况综合对比我们选择与青岛四方机车车辆厂联合对我部剩余的三台机车进行改造。其电气系统的设计思想与GK1F机车和GK2B机车的电气系统相近；且各配件与这两种机车的配件基本相同，便于维修和互换。在具体设计思想上维持原继电器、接触器控制系统的逻辑顺序和控制原理。
2.2 PLC的I/O点数选定
在控制电路中，输入PLC的控制信号为32点，包括司机指令信号（如司机控制器、各琴键开关、按钮开关等元件的触点信号）和机车状态信号（如温度继电器、压力继电器、柴油机转速信号和机车速度信号等）。PLC输出的控制信号点数为32点，包括动作执行元件（各接触器线圈、电空阀及去电子调速箱的控制信号）。
2.3硬件组成
2.3.1 PLC系统
这是整个系统的核心部分，采用的是日本三菱公司的FX2—80MR—D型PLC。该机型为整体式PLC机，结构紧凑、体积小、重量轻，具有很强的抗干扰能力和负载能力。而且FX2系列PLC机是三菱公司90年代初推出的产品，它的最大的特点是在小型机上实现大型机的功能，可与计算机自由联接。（性能参数见表1）该机型有40个输入点和40个输出点。不带扩展模块，完全满足系统的要求。机车速度和柴油机转速传感器采用了目前铁路机车通用的数字式测速传感器。
表1FX2系列PLC机功能技术指标表
项目
性能指标
操作控制方式
反复扫描程序
I/O刷新方式
批处理方式
操作处理时间
基本指令：0.74μs/步
编程语言
继电器符号语言（梯形图）+步进指令
指令数
基本指令20条；步进指令2条；应用指令85条
输入继电器
24V DC，7mA，光电隔离
输出继电器
30V DC，2A（电阻负载）
定时器
时钟脉冲：1ms、10ms、100ms
辅助（中间）继电器
通用辅助继电器、锁存型辅助继电器、特殊辅助继电器
2.3.2输出驱动部分
因为输出部分控制的负载多为感性负载，为此选用固态继电器进行功率放大。但在电路中未加设二极管保护和过压吸收电路；仅在发电机回路中加装了过压吸收保护电路。
2.3.3电源部分
系统需要用DC24V供电，而机车电源为DC110V。因此需要一个将DC110V转换为DC24V的专用开关电源。在改造过程中选用了由四方机车车辆厂设计制造的专用开关电源。该电源有较宽的输入范围（DC30V—DC135V），既能满足柴油机起动时蓄电池压降大的需要，又不至于电压失调时的过压冲击。
2.4 PLC控制系统的程序设计
该控制系统的程序设计由四方机车车辆厂设计院设计，程序大多根据原机车电气原理图的控制方式编写。在程序设计时取消了原电路中所有的中间继电器、时间继电器和大部分中间起联锁作用的接触器的辅助触点；同时还取消了原有的电气换档装置和机车超速保护装置。这些装置的功能完全由程序控制来实现，使电路得到了简化且功能进一步增强。此外还增加了柴油机工作计时表，准确的记录了柴油机的工作时间；为检修人员确定柴油机的修程提供了参考依据。下面仅对系统改造中程序设计的几个关键环节进行阐述。
2.4.1柴油机无级调速控制
柴油机调速系统在此前已经进行了改造，由原来的电空阀——操作风缸控制改为步进电机无级调速。所以在这次改造中对于柴油机调速系统仍沿袭以往的程序设计；使PLC输出4个信号（调速1至调速4）；这4个调速信号经放大后作为信号向电子调速控制箱提供输入信号。
2.4.2电气换档改造
电气换档系统设计了两种换档方法；一种为柴油机3把位以上换Ⅱ档，无须采集柴油机转速信号。另一种为分别采集机车速度信号和柴油机转速信号，对两信号进行比较；当达到设定值时机车换档。其具体换档点速度见表2。
表2机车换档点速度表（50km/h限速）
司机控制器
档位
机车速度（km/h）大于
换档情况
机车速度（km/h）小于
换档情况
3
15.16
Ⅰ档换Ⅱ档
14.04
Ⅱ档换Ⅰ档
4
16.29
Ⅰ档换Ⅱ档
15.08
Ⅱ档换Ⅰ档
5
17.42
Ⅰ档换Ⅱ档
16.13
Ⅱ档换Ⅰ档
6
18.54
Ⅰ档换Ⅱ档
17.17
Ⅱ档换Ⅰ档
7
19.67
Ⅰ档换Ⅱ档
18.21
Ⅱ档换Ⅰ档
8
20.80
Ⅰ档换Ⅱ档
19.26
Ⅱ档换Ⅰ档
9
21.91
Ⅰ档换Ⅱ档
20.29
Ⅱ档换Ⅰ档
10
23.05
Ⅰ档换Ⅱ档
21.34
Ⅱ档换Ⅰ档
11
24.18
Ⅰ档换Ⅱ档
22.39
Ⅱ档换Ⅰ档
12
25.29
Ⅰ档换Ⅱ档
23.42
Ⅱ档换Ⅰ档
13
26.42
Ⅰ档换Ⅱ档
24.27
Ⅱ档换Ⅰ档
14
27.56
Ⅰ档换Ⅱ档
25.52
Ⅱ档换Ⅰ档
15
28.67
Ⅰ档换Ⅱ档
26.55
Ⅱ档换Ⅰ档
16
29.80
Ⅰ档换Ⅱ档
27.59
Ⅱ档换Ⅰ档
2.4.3风泵起动电路
风泵起动电路取消了原有的串电阻起动方式，改为降压起动方式。当输入信号满足风泵打风时，在发电机降压3秒钟后输出风泵起动信号风泵起动。并设计程序防止两风泵同时起动；以减少对主电路和发电机的冲击。
3.其它外部电路设计
在外部电路改造中大量的利用了原有的电路，尽量节约及减少工作强度。下面对以下几个主要电路的改造进行分析。
3.1发电机——电压调整器电路的改造
本次改造对发电机——电压调整器电路进行了较大的改造，其中电压调整器采用四方机车车辆厂设计制造的电压调整器，具有降压功能，可以与TPZ9型电压调整器互换使用。电压调整器的降压信号由PLC提供；在外部电路加设了三个大功率二极管用于过压吸收从而消除发电机发电初始和发电结束时产生的过电压对其它电路的影响。
3.2电气换档电路改造
电气换档系统经过改造后取消了原有的电气换档装置并对机车速度信号传感器和柴油机转速传感器进行了改造；这两种传感器均采用目前铁路上通用的数字传感器。柴油机转速传感器采用电磁式转速传感器，其安装位置位于液传箱弹性联轴节后部；机车速度传感器采用上海德意达生产的速度传感器；其安装位置在机车第二动轮右侧的轴箱端盖上。
4.结束语
采用了PLC改造GK1F机车电气控制系统，改变了机车传统的电气控制方式。PLC的输入、输出部分和固态继电器均有发光二极管显示，方便了检修人员查找电气故障，提高了检修效率，进而提高了机车利用率。自改造至今电气故障大大减小，设备利用率提高经济效益显著。
但在我们也应当看到，我们对PLC的应用还是比较初级的。在状态检测和状态记录、无级调速的步进控制（直接采用PLC控制，取消原来的电子调速控制箱），以及人机界面的适时显示均是空白。随着技术的提高，我们不应当满足现有的改造，应当在上述方面进行进一步的提高，从而创造更大的经济价值。
参考文献
1. GK1F机车和GK2B机车电路说明书四方机车车辆厂
2．张凤珊《电气控制及可编程序控制器》中国轻工业出版社
3. 顾战松陈铁年《可编程控制器原理与应用》国防工业