東風(fēng)4DD型內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)分析

馬帥 趙文波

摘 要：為使東風(fēng)4DD型內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的控制效率更好，運(yùn)行更穩(wěn)定可靠，介紹了東風(fēng)4DD型內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)，分析了設(shè)計(jì)了內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)，探討了以PLC控制技術(shù)為核心的內(nèi)燃機(jī)車電氣控制技術(shù)，研究了4DD型內(nèi)燃機(jī)的主要電控系統(tǒng)，以供內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī)車 PLC 啟動(dòng)控制 無極調(diào)速 恒功率控制

Abstract：In order to make the control efficiency of the electrical control system of Dongfeng 4DD diesel locomotive better， the operation more stable and reliable， the electrical control system of Dongfeng 4DD diesel locomotive is introduced， the electrical control system of diesel locomotive is analyzed， the electrical control technology of diesel locomotive with PLC control technology as the core is discussed， and the main electronic control system of 4DD internal combustion engine is studied for the design reference of the electrical control system of diesel locomotives.

Key words：diesel locomotive， PLC， start control， stepless speed regulation， constant power control

1 引言

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)各行業(yè)的不斷沖擊，在制造業(yè)上數(shù)控技術(shù)正在蓬勃發(fā)展，當(dāng)前市面上較為流行的電氣控制技術(shù)對(duì)內(nèi)燃機(jī)的控制系統(tǒng)有很好的發(fā)展平臺(tái)，基于數(shù)字化操作，對(duì)傳統(tǒng)的控制方式進(jìn)行改造，已經(jīng)成為了內(nèi)燃機(jī)控制系統(tǒng)改革的一大趨勢(shì)。基于對(duì)當(dāng)前現(xiàn)狀的分析，本次設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)用上具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。

2 相關(guān)介紹

2.1 可編程控制器

由于國內(nèi)外計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提升，通過對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)的改造和升級(jí)，誕生出的一套高級(jí)的系統(tǒng)編程控制器，由于其具有編程簡(jiǎn)單、工作穩(wěn)定、開發(fā)和使用的預(yù)算不高等優(yōu)點(diǎn)，在當(dāng)前的電氣控制領(lǐng)域具有很高的性價(jià)比，被作為數(shù)控機(jī)械技術(shù)中一種較為流行的電氣控制系統(tǒng)。對(duì)于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的控制方式，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，構(gòu)件之間的配合較為繁瑣，傳統(tǒng)的控制方式不適合現(xiàn)在的科學(xué)性要求。因此，選用當(dāng)前較為流行的PLC控制技術(shù)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)，能夠有效的提升內(nèi)燃機(jī)的控制和使用性能。

2.2 PLC電氣控制系統(tǒng)

2.2.1 技術(shù)優(yōu)勢(shì)

電氣控制系統(tǒng)在實(shí)際工作過程中受外界影響因素較小，而且操作形式較為便捷，在實(shí)際使用過程中較為穩(wěn)定，能夠適用當(dāng)前市面上流行的內(nèi)燃機(jī)車的絕大部分工況，因此無論是從開發(fā)還是使用的角度對(duì)操作人員都比較友好。對(duì)于電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行科學(xué)化的設(shè)計(jì)，能夠增加控制工作的穩(wěn)定性，使實(shí)際工作更加安全，對(duì)于編程的要求較低，代碼通俗易懂，在后期的日常維護(hù)和修理中也較為便捷。

2.2.2 硬件構(gòu)成

設(shè)備主要采用小型PLC，程序員可以將編寫好的程序輸入計(jì)算機(jī)主機(jī)中，調(diào)試編譯。

PLC編程器組成：鍵盤、顯示屏、工作方式選擇開關(guān)、外存儲(chǔ)器接口。

由于PLC的使用優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)多種語言的編程，同時(shí)，還具有非常強(qiáng)大的監(jiān)控功能。

2.2.3 性能指標(biāo)

數(shù)控系統(tǒng)主要由兩個(gè)方面組成：硬件和軟件。硬件為軟件的實(shí)施提供原始設(shè)備支持，軟件通過硬件發(fā)揮它特有的效應(yīng)，相當(dāng)于大樓的框架。硬件沒有軟件控制時(shí)，相當(dāng)于一堆廢鐵。由軟件發(fā)出指令，硬件來執(zhí)行。硬件的性能優(yōu)劣是評(píng)價(jià)數(shù)控系統(tǒng)的好壞的關(guān)鍵指標(biāo)。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)本次設(shè)計(jì)選擇的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下：

中央處理器：CPU、內(nèi)存、硬盤、輸入/輸出設(shè)備、其他配套設(shè)備。

該系統(tǒng)與當(dāng)前我們使用的電腦的原理類似，中央處理器為設(shè)備的主要工作和控制單元，由PLC發(fā)出指令，CPU進(jìn)行解讀，判斷是否同意執(zhí)行，而后由CPU統(tǒng)一協(xié)調(diào)完成指令。

2.2.4 編程語言

對(duì)于當(dāng)前市面上較為流行的PLC控制系統(tǒng)，對(duì)于程序員的自身要求并不是太高，通常情況下常采用電氣控制通用指令搭配設(shè)計(jì)所需的工況狀態(tài)圖對(duì)所需操作進(jìn)行一定的更改。在編程語言的難度上并不太高，而且搭配式編程模式對(duì)于后期的監(jiān)測(cè)和更改也較為方便。

3 基于內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

對(duì)于本次設(shè)計(jì)在CPU的選擇上應(yīng)當(dāng)滿足：

（1）CPU處理速度和幀率。

（2）內(nèi)虛擬是否滿足要求。

（3）是否滿足多種高級(jí)編程語言環(huán)境需求。

（4）是否滿足多種輸入輸出設(shè)備。

（5）操作系統(tǒng)是否能夠滿足要求

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)所需實(shí)際需求，對(duì)于本次設(shè)計(jì)中需要熟悉操作系統(tǒng)在類型的選擇上為MCS-51系列單片機(jī)。在芯片的選擇上選為8051類型。

（1）8核多線程處理器。

（2）幀率要求為2?s或1?s。

（3）滿足存儲(chǔ)的單元為128字節(jié)

（4）內(nèi)存分配空間方式合理。

（5）對(duì)數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的增刪改查比較方便。

8051單片機(jī)總共有四十個(gè)引腳，并且它的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)為兩列直插的這種形式。

電源引腳

對(duì)單片機(jī)的運(yùn)行提供電力支持。

Vcc（40腳）在使用時(shí)為插口類型，滿足額定電壓5V;

Vss（20腳）在使用時(shí)與地面相接作為零線。

時(shí)鐘引腳XTAL1.XTAL2

XTAL1（19腳）在使用時(shí)與地面相接作為零線。

XTAL2（18腳）在使用時(shí)用來擴(kuò)大內(nèi)部傳輸信號(hào)。

控制引腳

Rst/VPD（9引腳）格式化操作。在實(shí)際工作中首位引腳在通電狀態(tài)下工作不低于雙工時(shí)。當(dāng)RST較高時(shí)，CPU會(huì)在第二個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行內(nèi)部復(fù)位。在VCC關(guān)機(jī)前增加VPD（斷電保護(hù)），RAM內(nèi)容保持不變。

PSEN：一旦外部程序向儲(chǔ)存器申請(qǐng)讀取的信號(hào)燈閃爍時(shí)，表示儲(chǔ)存器可以接受輸出。一般一個(gè)PSEN周期內(nèi)，可以有效的響應(yīng)兩次。如果從內(nèi)部程序內(nèi)存中讀取時(shí)，無PSEN脈沖。

EA/VPP：如果EA的電流比較高時(shí)，CPU會(huì)根據(jù)提前設(shè)定的執(zhí)行要求，調(diào)動(dòng)內(nèi)部存儲(chǔ)器來執(zhí)行命令。反而言之，如果EA的電流不是很高時(shí)，CPU無法執(zhí)行內(nèi)部的程序，只能執(zhí)行外部的程序，調(diào)動(dòng)外部存儲(chǔ)器。并且，根據(jù)相關(guān)要求，8051的EA必須與大地相連。

3.2 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

通過對(duì)PLC軟件的學(xué)習(xí)后得知，對(duì)于本次設(shè)計(jì)選用的PLC軟件在設(shè)計(jì)上不僅要考慮自身操作系統(tǒng)的選擇，而且需要根據(jù)實(shí)際使用中的高級(jí)編程語言的選用來做具體的設(shè)計(jì)。

系統(tǒng)程序：PLC軟件開發(fā)時(shí)自帶的操作系統(tǒng)。

讀寫程序：將輸入的代碼解讀為操作版可以理解的二進(jìn)制指令，并操作實(shí)際工件運(yùn)行。

監(jiān)測(cè)程序：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工作情況。

用戶程序：操作員根據(jù)自身實(shí)際需求對(duì)PLC軟件進(jìn)行適當(dāng)?shù)牟僮鳎_(dá)到自身使用需求。

4 基于計(jì)算機(jī)技術(shù)的PLC控制系統(tǒng)

4.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.2 電路設(shè)計(jì)及優(yōu)化

在上電時(shí)刻，電路板內(nèi)部電流隨正極流向負(fù)極，此時(shí)的復(fù)位端口與電源的正極相連，當(dāng)工作過程中能夠一直滿足不低于10ms的工作電壓狀態(tài)，電路板的實(shí)際工作就會(huì)正常進(jìn)行，復(fù)位工作也能有效的進(jìn)行。對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)，在電路的設(shè)計(jì)時(shí)xtal1與xtal2的接線部位安裝相應(yīng)的計(jì)時(shí)裝置，可允許的電流赫茲在不小于1.2到不大于12Mhz之間，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)所需實(shí)際需求，本次設(shè)計(jì)中電流赫茲在6Mhz，所以上述內(nèi)部計(jì)時(shí)裝置可以滿足本次設(shè)計(jì)需求。對(duì)于外部計(jì)時(shí)設(shè)計(jì)，xtal1通過與地表相連作為地線，xtal2接線部位添加外部計(jì)時(shí)裝置作為擴(kuò)展所需。

4.3 硬件線路設(shè)計(jì)

由于8051沒有內(nèi)部程序內(nèi)存，它需要擴(kuò)展外部程序內(nèi)存?？梢允褂萌萘勘容^大的芯片，單塊兒大容量芯片在設(shè)計(jì)中可以很好的滿足設(shè)計(jì)所需要求，不需額外添加一定數(shù)量的其他芯片，使得本次設(shè)計(jì)在結(jié)構(gòu)上變得更加容易，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)需求。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)所需實(shí)際需求，在容量上選擇16K大小的芯片類型。

外接電源：Vcc：在使用時(shí)為插口類型，滿足額定電壓5V;Vss：在使用時(shí)與地面相接作為零線?；诙ㄎ唬篈0-A13。基于傳輸：D0-D7。

基于聯(lián)系：CE：接收外部指令接口片；OE：是否開關(guān)；PGM：程序引入機(jī)構(gòu)；VPP：程序啟動(dòng)電壓接口；NC：空腳，不用。

5 東風(fēng)4DD型內(nèi)燃機(jī)車主要電控系統(tǒng)

當(dāng)前市面上較為流行的電控系統(tǒng)方式為交—直流電傳動(dòng)控制方式。

5.1 機(jī)車柴油機(jī)的啟動(dòng)控制

柴油機(jī)在實(shí)際工作中，啟動(dòng)前需要對(duì)其他配合的構(gòu)件工況進(jìn)行仔細(xì)檢查，如表1。

柴油機(jī)在啟動(dòng)時(shí)是通過蓄電池帶動(dòng)啟發(fā)電機(jī)進(jìn)行工作，柴油自身的辛烷值與汽油相比就有所不同，在點(diǎn)火啟動(dòng)上比較困難，因此對(duì)啟發(fā)電機(jī)的要求較高，當(dāng)電機(jī)功率不能滿足要求時(shí)，容易造成柴油機(jī)啟動(dòng)不穩(wěn)定，燃油不能夠充分的利用，所以通常情況下柴油機(jī)啟動(dòng)時(shí)會(huì)冒黑煙，會(huì)對(duì)大氣造成很大的污染，在過冷的地區(qū)，常常也會(huì)出現(xiàn)無法啟動(dòng)的問題。因此，柴油機(jī)在啟動(dòng)前的預(yù)熱工作就顯得尤為重要，為節(jié)約內(nèi)燃機(jī)車蓄電池電能，設(shè)計(jì)采用外接380伏電加熱管組對(duì)柴油機(jī)冷卻液進(jìn)行快速制熱，在保證冷卻液不缺且充足的情況下，迅速為柴油機(jī)的啟動(dòng)做好預(yù)熱，可極大縮短柴油機(jī)的爆發(fā)啟動(dòng)時(shí)間，減少冒黑煙的發(fā)生。

在內(nèi)燃機(jī)車的啟動(dòng)操作中，如果預(yù)準(zhǔn)備工作不充分，在柴油機(jī)還沒達(dá)到理想啟動(dòng)狀態(tài)時(shí)強(qiáng)行啟動(dòng)柴油機(jī)，啟發(fā)電機(jī)在轉(zhuǎn)速上并沒有達(dá)到額定要求，因此燃燒室內(nèi)燃料不完全燃燒，會(huì)排出大量具有污染性的氣體，在低溫極端天氣出現(xiàn)時(shí)，由于柴油機(jī)本身預(yù)熱不夠充分，常常會(huì)出現(xiàn)無法啟動(dòng)的問題，柴油機(jī)持續(xù)低速空轉(zhuǎn)，無法到達(dá)額定的工作轉(zhuǎn)速。對(duì)于本次設(shè)計(jì)所需柴油機(jī)的啟動(dòng)電路設(shè)計(jì)如下：

通過上述分析不難得出，QC在整個(gè)電控系統(tǒng)中發(fā)揮著較為重要的作用。通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，結(jié)合設(shè)計(jì)對(duì)內(nèi)燃機(jī)啟動(dòng)的測(cè)試情況分析，柴油機(jī)在啟動(dòng)時(shí)主要分為下述四個(gè)過程：3K扳鍵開關(guān)控制潤(rùn)滑油泵接觸器QBC吸合進(jìn)行預(yù)供油起機(jī)準(zhǔn)備、4K扳鍵開關(guān)控制燃油泵接觸器RBC吸合供給燃油，斷開QBC，按下柴油機(jī)起機(jī)按鈕1QA，通過燃油泵接觸器常開觸點(diǎn)使QBC得電向柴油機(jī)各摩擦表面供油預(yù)潤(rùn)滑，1SJ時(shí)間繼電器延時(shí)約45s后，啟動(dòng)接觸器QC自動(dòng)閉合，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)柴油機(jī)旋轉(zhuǎn)、啟機(jī)按鈕須一直按壓到柴油機(jī)末端潤(rùn)滑油壓力上升到110kpa，前、后增壓器潤(rùn)滑油管路上油壓繼電器觸頭1SJ和2SJ吸合，方可松開啟動(dòng)按鈕。從啟動(dòng)接觸器QC閉合后，柴油機(jī)啟動(dòng)按鈕接通時(shí)間不允許超過40s。柴油機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到額定怠速430r/min，成功啟動(dòng)。管路內(nèi)潤(rùn)滑油壓力是否達(dá)到額定要求是發(fā)動(dòng)機(jī)能否成功啟動(dòng)的關(guān)鍵，所以在電氣控制中可以將該項(xiàng)參數(shù)作為一項(xiàng)重要的監(jiān)測(cè)數(shù)值。通過相應(yīng)的編程方式，對(duì)上述四個(gè)狀態(tài)下柴油機(jī)內(nèi)部管理的液體壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和反饋。

5.2 機(jī)車的恒功率調(diào)節(jié)

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作中與汽車電瓶為串聯(lián)結(jié)構(gòu)，結(jié)合本次設(shè)計(jì)實(shí)際工作需求，對(duì)機(jī)車的功率在計(jì)算上都需考慮在內(nèi)，通過對(duì)相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)和總結(jié)，得出下述計(jì)算公式：

對(duì)于上述公式：

PF是本次設(shè)計(jì)內(nèi)燃機(jī)實(shí)際輸出功率大??；

Nf是工作過程中不可抵抗因素對(duì)實(shí)際電機(jī)的影響效率；

Nc是本次設(shè)計(jì)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)在實(shí)際工作中有效功率大??；

ηf是本次設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作中有效效率大小;

ηz是本次設(shè)計(jì)整流柜在實(shí)際工作中有效效率大?。?/p>

UF是本次設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的額定工作電壓大小;

ⅠF是本次設(shè)計(jì)發(fā)電機(jī)的額定工作電流大小。

通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)和設(shè)計(jì)手冊(cè)，對(duì)于上述公式中，在實(shí)際工作中的部分參數(shù)變化較低，在實(shí)際計(jì)算中可依據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)和電機(jī)選擇類型的額定參數(shù)直接進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算。其中，實(shí)際工作中電機(jī)的工作電壓和電流是否達(dá)到理論值，受電泵選擇的額定電壓和內(nèi)燃機(jī)在工作中由于不可抗力對(duì)電機(jī)內(nèi)部構(gòu)件產(chǎn)生震動(dòng)等因素對(duì)傳輸電壓或液壓的影響，因此實(shí)際工作狀態(tài)與理論設(shè)計(jì)狀態(tài)有一定的浮動(dòng)空間，在進(jìn)行數(shù)學(xué)模型的建立中可知得知，不能達(dá)到理想的函數(shù)關(guān)系圖形，期間會(huì)有一定的波動(dòng)曲線。

6 結(jié)語

（1）設(shè)計(jì)所得控制系統(tǒng)通過測(cè)試可得可實(shí)行性較高、控制穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單，后期維護(hù)和修理方便。

（2）通過測(cè)試不難得出，該系統(tǒng)下的內(nèi)燃機(jī)實(shí)際工作效率得到有效提升，燃料利用率有了相應(yīng)的改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]朱輝，楊陽.內(nèi)燃機(jī)的電氣工程自動(dòng)化控制分析[J].電子元器件與信息技術(shù).2021，5（08）：77-79.

作者簡(jiǎn)介

馬帥：（1982—），男，湖南邵陽人，本科學(xué)歷，工程師。研究方向：內(nèi)燃機(jī)車電氣，機(jī)械檢修。