采用PLC對內燃牽引機車進行監測與控制

摘要：常規內燃機車批量大、標準化程度高，將VCU作為整車控制單元，開發周期、成本都可以得到控制，但其對批量小、非標程度高的內燃牽引機車并不適用。PLC可在內燃牽引機車細分使用領域取代VCU，作為整車控制單元，在滿足車輛需求和保證駕駛安全的前提下，可極大降低開發難度、縮短設計周期和降低硬件成本。

關鍵詞：牽引機車;PLC;通訊;緩速器

0" "引言

不同于電池牽引機車，NRJC-530型機車將內燃機作為動力源，同時需要搭載換擋箱、變矩器和緩速器等汽車部件。PLC是一種可編程邏輯控制器，具有信號處理、輸入輸出、數據通訊，在基礎功能上與VCU相同。在內燃牽引機車細分使用領域，采用PLC取代VCU，將其作為整車控制單元，在滿足車輛需求和保證駕駛安全的前提下，可極大降低開發難度、縮短設計周期和降低硬件成本。

1" "內燃牽引機車控制系統原理

內燃牽引機車控制系統主要由PLC總控單元、通訊轉換單元、發動機控制單元和緩速器控制單元組成。PLC接收駕駛指令，協調機車各單元、子模塊工作，同時將機車參數以HMI、聲光報警的形式反饋給駕駛員。通訊轉換單元作為PLC與發動機控制單元的翻譯器，相互傳遞命令、信號。發動機控制單元接收PLC指令，自主調整發動機、后處理的工作狀態。緩速器控制單元接收PLC指令后調整緩速器輸出扭矩，降低車速。

1.1" "PLC總控單元

變送器將液壓油溫度、液壓油壓力、油箱液位和變矩器口壓力，轉換為4～20mA模擬信號，輸入PLC模擬擴展模塊。PLC將采集的模擬信號顯示到HMI，當狀態值超出設定范圍時發出報警，提示駕駛員停車檢修。

霍爾傳感器將齒輪轉速轉換為矩形脈沖信號，發送到PLC的高速脈沖計數模塊。PLC采集駕駛命令，根據采集到的正常工況，通過數字輸出端口向發動機、變速器、緩速器和制動等系統發出正確控制指令。

1.2" "通訊轉換單元

為了將內燃機與機車各系統有機地整合在一起，同時又能穩定、便捷的采集各參數，需要實現PLC與ECU的通訊。內燃機依據SAE J1939 通用協議標準，定期將自身參數以報文形式發送到CAN總線上，總線上各單元都可收取該報文。這為內燃機參數監視提供了技術基礎。汽車行業采用的是CAN2.0B標準，而PLC采用的串口通訊，為實現兩種不同協議標準通訊，內燃牽引機車使用串口CAN智能協議轉換器進行不同協議的轉換。

首先，將串口/CAN智能協議轉換器接入機車CAN總線，連接PLC與通訊轉換單元的通訊端口。其次，設置轉換單元的通訊格式、地址，將需要的報文信息配置到映射表。最后，PLC通過內燃機參數讀取程序采集轉換器中數據，并送入HMI顯示。通訊轉換原理如圖1所示。

1.3" 發動機控制單元

ECU接收啟動、運轉和電子手油門等控制信號，自主調節節氣門和噴油量，進而控制輸出扭矩，將發動機轉速、機油壓力與溫度、冷卻液溫度與液位、尿素溫度與液位、電池電壓、燃油溫度與消耗率、駕駛員指令百分比扭矩、發動機實際百分比扭矩等工況信息發送到CAN總線上，經過通訊轉換單元轉換后反饋給駕駛員。當ECU檢測到發動機發生故障或狀態超出報警值時，其以故障碼形式上傳到PLC，PLC輸出聲光報警提示駕駛員，駕駛員可在HMI查詢故障信息。

1.4" "緩速器控制單元

內燃牽引機車采用電渦流緩速器，其基本原理是通過定子和轉子之間的磁場作用達到機車減速目的。定子共有8組線圈，可實現4擋緩速效果。將緩速器手柄的檔位信號接入PLC輸入點，經過程序運算處理后，以數字信號形式發送給緩速器控制單元，實現了對整車電源合理分配，同時提高了緩速器的使用壽命。

2" "PLC程序設計

2.1" "內燃機參數讀取

將內燃機報文按照映射表到通訊轉換單元中，然后PLC按地址讀取、轉換，即可實現內燃機參數讀取。機車上電PLC開始運行，起始標志M1002繼電器第一個循環周期內閉合，將PLC的COM2通訊格式設定為波特率9600bps、數據位8、無校驗位、停止位1。將M20、M21、M22作為通訊標志，間隔100ms循環閉合，使用MODRD指令對內燃機的多個參數組輪詢。

2.2" "防疲勞報警

內燃牽引機車的路況較為簡單，長時間駕駛容易出現疲勞、注意力不集中隱患。駕駛員需在規定時限D421內按防疲勞按鈕X23，否則將在T1觸發后報警提醒。如果駕駛員在報警提醒后仍不操作，將會在提醒時限D422后觸發T2，機車自動減速停車。防疲勞報警梯形圖如圖2所示。

2.3" "緩速器控制

電渦流緩速器工作原理是將機車動能轉換為熱能。由于機車速度慢散熱不佳，連續長時間的最大擋位工作會造成緩速器轉子過熱，導致緩速器部件損壞。機車在長下坡時，必須將緩速器手柄最多放在2/4擋上并結合主動制動系統，以便獲得最持久的減速效果。當司機在使用3/4、4/4擋位達到使用上限時，機車將會報警并記錄。

當出現需緊急停車突發車況時，駕駛員可拍下急停按鈕。機車處于制動狀態時，時間繼電器T7開始計時，超過設定時間D423時，機車主動將緩速器歸零，避免因駕駛員遺忘或誤操作造成緩速器長時間通電，對緩速器和電池造成損壞。緩速器控制梯形圖如圖3所示。

3" "優化方向及優勢

受限于工業控制處理器的速度和串口通訊傳輸速率，當內燃機車的需求和控制單元增多，小型PLC的處理能力捉襟見肘時，可使用工業電腦提升控制系統運算能力。可搭載專用的CAN處理器，提高通訊速率。利用組態軟件編制程序與PLC協同控制，完全可以達到甚至超過現有的ECU的控制效果。

4" "結語

NRJC-530型機車采用PLC的方案論證、設計和調試用時兩個月，經過兩年的使用證明，整個控制系統安全可靠、維修便捷，相較于同類產品在人機交互、自動化方面有著不可比擬的優勢。機車操作方式與電池牽引機車基本相似，駕駛員僅需簡單培訓即可操作。

綜上所述，PLC作為整車控制單元是切實可行的，在滿足車輛需求和保證駕駛安全的前提下，可極大降低開發難度、縮短設計周期和降低硬件成本。PLC在內燃牽引機車可開發利用的功能還可以深入挖掘，未來加入工業計算機和CAN處理器的協同，完全可滿足批量小、非標程度高的內燃機控制領域需求。

參考文獻

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