（机械电子工程专业论文）基于plc的内燃机车逻辑控制系统的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 内燃机车是我国铁路运输的主要牵引动力，长期以来担负着万里铁路线繁 重的运输任务，为国家建设、国民经济的发展发挥着重要作用。进入2 l 世纪以 来，随着铁路运输向高速、重载方向发展，对内燃机车的质量、水平和档次提 出了更高的要求，内燃机车技术将会得到全面提升。在内燃机车控制方面，现 有机车仍然大量采用传统的继电器逻辑控制的方式。这种控制方式联锁控制触 头过多，布线复杂，控制电路繁杂，可靠性差，维修不便；甚至会出现部分触 点由于长期在大电流通过情况下而烧毁的现象，导致机车电气故障率居高不下， 直接影响到列车的安全、高效运行。因此，如何改进内燃机车逻辑控制电路， 简化控制线路，提高可靠性，就成为内燃机车改进中的一项迫切任务。 p l c 技术的成熟和广泛应用使得对内燃机车逻辑控制的改造成为一种可能。 本论文把内燃机车逻辑控制与p l c 的应用技术相结合，用“软”继电器代替繁 多的传统继电器，建立起基于p l c 的机车逻辑控制系统。本文主要探讨了如何 采用p l c 来代替传统的触点控制器和继电器，提高机车电气控制的可靠性和稳 定性；硬件与软件结合，实行模块化设计，使控制系统具有很强的扩展性，可 与计算机实现智能兼容；采用p l c 电气控制专业设备，使控制系统具有较高的 性价比，可满足现有内燃机车技术的需求，便于机车技术改造；此外，还可以 独立扩展作为大学院校教学培训用的内燃机车逻辑控制实验台，以摆脱传统教 学仪器呆板的框架，充分发挥与学生互动的性能，达到良好的教学示范效果， 使本系统成为一个典型的机电一体化自动控制系统。 关键词：可编程控制器：逻辑控制：梯形图：内燃机车电路 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s t r a c t t h ed i e s e ll o c o m o t i v ei st h em a i n l yp u l l i n gf o r c eo f t h er a i l w a yt r a n s p o r t a t i o no f o u r c o u n t r y , w h i c ht a k e sc h a r g e o ft h o u s a n d sm i l e so fs t r e n u o u sr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nt a s k sf o ral o n gt i m ea n di sp l a y i n ga l li m p o r t a n tr o l ef o rt h en a t i o n a l c o n s t r u c t i o na n dt h ed e v e l o p m e n to fe c o n o m y t h et e c h n o l o g yo ft h ed i e s e l l o c o m o t i v ew i l lb e i m p r o v e di n a l l a s p e c t s w i t ht h ed e v e l o p m e n to fr a i l w a y t r a n s p o r t a t i o nt ot h eh i 曲一s p e e d ，h e a v y - l o a d e dd i r e c t i o na n dt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t f o ri t sq u a l i t y , l e v e la n dt e c h a n i c a li n n o v a t i o ns i n c et h e2 1 s tc e n t r y a tp r e s e n t ，m o s t o ft h ed i e s e ll o c o m o t i v es t i l lu s et h et r a d i t i o n a lr e l a ya n di n t e r l o c kt oc o n t r o li n l o g i c a lc o n t r o ls y s t e m a n dt h i sk i n do fc o n t r o ls y s t r mh a st o om a n yc o n t a c t s ， c o m p l i c a t e dc o n n e c t ，m i s c e l l a n e o u sc o n t r o lc i r c u i t ，b a d l yr e l i a b i l i t ya n di n c o n v e n i e n t r e p a i r m e n t e v e ns o m ec o n t a c t sw i l lb eb u r n e d - o u tb yr u n n i n gu n d e rl a r g ee l e c t r i c c u r r e n t ，w h i c hc a u s et h ee l e c t r i cf a u l tr a t eo ft h el o c o m o t i v et or e m a i nh i g h ，a n d i n f l u e n c et h es a f l ya n de f f i c i e n c yo ft h el o c o m o t i v ed i r e c t l y s oh o wt oi m p r o v et h e l o g i c a lc o n t r o ls y s t e mo fd i e s e ll o c o m o t i v e ，e n h a n c ei t sr e l i a b i l i t y , s i m p l i f yt h e c o n t r o lc i r c u i ti sb e c o m i n ga l lu r g e n tt a s kt oo v e r c o m e t h eh u g eu s eo fp l ci ni n d u s t r yc o n t r o ls y s t e mm a k e si tp o s s i b l et oi m p r o v e t h el o g i c a lc o n t r o ls y s t e mo fd i e s e ll o c o m o t i v e t h i st h e s i sc o m b i n e st h el o g i c a l c o n t r o ls y s t e mo f d i e s e ll o c o m o t i v e w i t ht h ea p p l i c a t i o nt e c h n o l o g yo f p l c ，r e p l a c e d t h ev a r i o u st r a d i t i o n a lr e l a yt os e tu pal o g i c a lc o n t r o ls y s t e mb a s e do np l c i t i n t r o d u c e sh o wt ou s ep l ct or e p l a c et h et r a d i o n a lr e l a ya n dc o n t a c t ，w h i c hi si n o r d e rt oe n h a n c et h er e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo fs y s t e m ；i ti sd e s i g n e db ym o d u l e ， w h i c hm a k e si tp o s s i b l ef o rt h ec o n t r o ls y s t e mt oh a v eav e r ys t r o n ge x p a n s i o na b l i t y a n dc a r lr e a l i z et h ec o m m u n i c a t i o nw i t ht h ec o m p u t e ri n t e l l i g e n c e ；i tu s e st h e p r o f e s s i o n a lp l ce q u i p m e n t ，w h i c hm a k e st h ec o n t r o ls y s t e mh a sm u c hl o w e rc o s t b u th i g h e rp e r f o r m a n c e ，a n dm e e t st h ed e m a n d so fd o m e s t i cn a t i o n a lc o n d i t i o n s ；i t a l s oc o u l db eu s e da sad i e s e ll o c o m o t i v el o g i c a lc o n t r o lt e a c h i n gl a b o r a t o r yb e n c hi n au n i v e r s i t yb ys o m ei m p r o v e m e n t ，w h i c hc o u l dg i v eag o o dp e r f o r m a n c et oi n t e r a c t w i t hs t u d e n t sa n dg e tt h ei d e a ls t u d 咖gr e s u l t a l lo ft h e s em a k et h i sc o n t r o ls y s t e m 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 j i 页 t ob eat y p i c a lm e c h a t r o n i ca u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m k e yw o r d s ：p l c ：l o g i c a c o n t r o l ：l a d d e rp r o g r a m m e r ：c i r c u i to fd i e s e l l o c o m o ti v e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 国内外内燃机车控制系统的发展概况 早期的国内外内燃机车普遍采用由模拟电子电路组成的模拟控制系统，其 控制功能主要靠电子电路的功能来实现。随着控制功能的提高、控制参数的增 加，其线路就趋于复杂。为了提高系统的控制精度及可靠性，往往须采用高性 能高质量的元器件，这又会增加裟置的成本。例如东风7 型机车的恒功率励磁 控制系统的各单元插件板就多达1 4 块之多，而且每块插板件都有着较多的电子 元件及复杂的线路。 此时在机车逻辑控制系统中，采用大量传统继电器联锁控制的方式构成逻 辑控制功能。这种控制方式联锁控制触头过多，布线复杂，控制电路繁杂，可 靠性差，维修不便；甚至会出现部分触点由于长期在大电流通过情况下而烧毁 的现象，导致机车电气故障率居高不下，直接影响到机车的利用率。此外，由 于电路本身比较复杂，需调节、整定的参数教多，因而给制造和维护工作都带 来了很多不便。 自从七十年代诞生了微机，为工业控制系统带来了革命性的变革。随着微 机制造技术的迅速发展，微机功能的提高、成本的下降以及体积的减小，越来 越多的控制系统采用了微机。1 9 7 6 年，日本首先将微机用于自动控制旋转式除 雪内燃机车上。1 9 7 7 年，前西德开始把微机系统应用到电传动内燃机车的控制 上。随后，美国、英国、澳大利亚、加拿大、芬兰、丹麦、荷兰、匈牙利、前 苏联等国家也陆续将微机系统用到内燃机车上来。 我国从八十年代开始了这方面的研究，并于1 9 8 5 年前后把微机应用到车载 上，从比较简单的或功能单一发展到较复杂的或多功能，1 9 8 9 年制造出第一台 装备较完善的微机多功能控制系统的的东风6 型内燃机车。2 0 0 3 年生产的d f l l g 型准高速客运内燃机车采用的微机控制系统是国产内燃机车上控制功能最完善 的全微机化网络控制系统，其主要技术创新表现在重联通信控制技术、全微机 控制技术、系统高可靠性设计技术、机车状态远程监控技术、升压滤波技术等 方面。在机车逻辑控制系统方面，取消了中间继电器、原机车控制逻辑线路， 全部使用微机完成逻辑控制、励磁控制等功能；微机及显示系统均采用双套冗 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 余设计：同时也采用了抗振动、强力散热、过电压吸收、隔离屏蔽抗干扰等多 项高可靠性技术，极大地提高了机车的可靠性和自动化程度，从根本上降低了 机破的发生概率。在启机导致蓄电池电压跌至3 0 v 的最恶劣情况下，仍能保证微 机系统连续正常工作，进一步提高了可靠性。 微机控制系统是包括进行数据处理的微型计算机、程序、存储器以及将微 机与机车设备相连接的数字量和模拟量接口装置。它与模拟电子控制的本质区 别在于在微机控制中，许多复杂的控制功能都可以通过计算机的制数字运算来 实现，从而大大简化了电路结构，即所谓用编程软件代替硬件。微机控制能更 方便地综合多种信号。实现各种复杂的逻辑控制及各种特殊规律的控制：微机 能完成各种控制算法从而实现系统的最优控制。所以采用微机控制，不仅可使 控制系统结构简化、调试简单、成本降低，抗干扰能力增强，而且能获得更多 更复杂的控制功能、更好的调节品质及控制精度。此外，微机系统的功能改变 及功能扩展十分简易，通常仅需要改变软件设计即可达到。 目前，微机控制系统分为机车控制级( 包括显示装置) ，变流器控制级和人机 界面级，采用分布式控制( 见图l - 1 ) 。机车控制级是一个多处理器控制系统，可实 现机车的全部控制功能，并协调机车各部分的运行，实现牵引或制动特性给定 以及机车的逻辑控制和柴油机功率控制，同时通过显示装置入机界面实现任务 人机对话。变流器控制级则实现牵引电机的调速。机车控制级、变流器控制级 以及显示装置之间采用串行通信方式实现命令传递和信息交换。 图1 1 机车微机控制系统结构框图 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 本课题的提出及研究的主要内容 进入2 1 世纪，随着电气化铁路的建设与发展，我国铁路运输已由内燃牵引 为主过渡到内燃、电力牵引并举的局面。虽然内燃机车年需求量在逐渐减少， 但就其机车保有量、担当的铁路运营里程及牵引吨位数而言仍然占有较大的优 势。在相当长的时期内，内燃机车还将发挥重要的作用。而铁路跨越式的发展 及铁路运输装备现代化的进程，对内燃机车的质量、水平和档次提出了更高的 要求，内燃机车技术将得到全面提升。 随着电传动内燃机车控制参数和控制功能的增多，电子线路结构的复杂程 度大大增加，传统的继电器逻辑控制装置和运算放大器构成的模拟电路已不能 胜任，而且单元电路调试和功能扩展也十分不便。另外，在模拟电路中，由于 温度变化元件老化等引起的特性变化也需要随时进行校正。随着微机制造和应 用技术飞速发展，在内燃机车上采用微机控制技术已成为必然趋势，并已成为 内燃机车现代化的重要标志之一。内燃机车采用微机控制具有以下优越性： 1 调节和控制功能大大增加，程序模块化，按需要进行功能模块的相应组 合即可完成各种任务，能够方便地综合多种信号，实现各种复杂的逻辑控制以 及各种特殊规律的控制。 2 工作精确，不存在元器件误差的补偿问题，没有漂移和延时效应，稳定 性好，复现性好。 3 微机装置本身轻量化小型化，安装简单方便。 4 使机车所需要的电气设备的类型和数量以及其间的连接导线和触头、接 点大为减少，因此，机车的可靠性得以提高。 5 具有自检能力。系统具有故障诊断显示，监控报警信息存储等项功能。 改善了乘务和检修人员的工作条件，机车生产效率提高，硬件和维修费用降低。 我国机车微机控制系统的研制经历了自主开发、引进吸收消化的长期过程， 由实现基本功能、逐步完善到实现全微机网络化控制的强大功能，由此诞生了 新一代的微机控制的内燃机车( 如东风l l g 型机车) 。在开发过程中，出现了多 种微机控制系统模式，有采用单片机的，有采用专用车载微机的，也有采用p l c 的，实现的系统功能各异。内燃机车是一个复杂的机电一体化系统，除了实现 柴油机恒功率等性能外，为了保证机车启动、运行、各种工况转换及安全保护， 还必须配备完善可靠的逻辑控制系统。目前研制的车载微机系统，功能相对集 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 中在一台微机上，既要进行牵引性能控制，又要完成逻辑控制，功能繁杂，降 低了系统的可靠性。由于实时多任务控制的要求，在优先满足性能控制的条件 下，不得不降低逻辑控制的功能。笔者认为，对于内燃机车这样一个复杂的系 统，宜采用分布式的微机网络化控制方案，应按功能划分为各子系统，分别由 计算机进行控制，再由上位机集中协调控制，这样才能充分完善各子系统的功 能，提高系统的可靠性。 可编程控制器( p l c ) 由于其强大的逻辑控制功能，高可靠性和适应恶劣的 工业环境等特点，常应用于工业逻辑控制领域。我国在工矿内燃机车上已进行 了采用p l c 控制的尝试，个别型号机车己装车应用。但将p l c 应用于干线内燃 机车的逻辑控制控制系统，研究方案甚少。再者，现有内燃机车对逻辑控制系 统改造的呼声也越来越高，p l c 的易编程性、可扩展性均是技术改造的最佳选 择。因此，本论文以技术成熟、量大面广的铁路干线主型内燃机车东风4 d 型机车为研究对象，研究开发基于p l c 的内燃机车逻辑控制系统。 此外，新时期对铁路机车车辆人才也提出了更高的要求。内燃机车是铁路 院校机车车辆专业的主要专业方向，内燃机车电传动是该专业方向重要的专业 课程。目前学习内燃机车逻辑控制原理主要是采用挂图和电路示教板的方式， 过于呆板，效果不太理想，不利于学生对机车电路原理的理解。因此，本系统 可以独立扩展作为教学培训用的内燃机车逻辑控制实验台，以求达到良好的教 学效果。 论文的主要任务涉及以下内容： 1 对p l c 技术进行深入研究，解决应用中的技术问题： 2 对东风4 d 型机车现有控制电路进行分析，提出合理的p l c 技术改造方案； 3 进行p l c 选型，合理设计机车逻辑控制硬件电路； 4 进行机车p l c 控制的程序设计、调试： 5 提出内燃机车p l c 控制教学实验台的技术方案； 6 探讨控制系统抗干扰的措施。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 第2 章可编程控制器( p l c ) 技术 2 1p l c 的产生与发展 可编程序控制器( p l c ) 是以微处理器为基础，综合了计算机技术、自动控 制技术和通信技术发展起来的一种通用工业自动控制装置。它具有体积小、功 能强、程序设计简单、灵活通用、维护方便等方面等优点，特别是它的高可靠 性，能适应各种恶劣的工作环境。p l c 已成为现代工业控制的三大支柱( p l c 、 机器人和c a d c a m ) 之一，被广泛地应用于机械、冶金、化工、电力和交通等 领域。 在p l c 诞生之前，继电器控制系统已广泛地应用于工业生产的各个领域。 继电器控制电路通常是针对某一固定的顺序或者生产工艺而设计的，它的控制 功能也仅仅局限于逻辑控制、定时等简单控制，动作顺序或生产工艺发生变化， 就必须进行重新设计、布线、装配和调试。1 9 6 9 年美国数字设备公司( d e c ) 研 制出世界上第一台可编程序控制器。它仅能完成逻辑运算、定时、计数等顺序 控制功能，但与继电器控制相比，它只需修改程序就可以满足控制要求变更， 因此称为可编程序逻辑控制器( p r o g r a m m a b l el o g i c a lc o n t r o l l e r ，简称p l c ) 。 1 9 8 7 年2 月，国际电工委员会颁布了可编程控制器的标准草案第三稿，该 草案中对可编程控制器给出的定义是：“可编程控制器是一种数字运算操作系 统，专为工业环境下应用而设计。它采用了可编程序的存储器，用来在其内部 存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计算和算术运算等操作的指令，并通过 数字式或模拟式的输入和输出，控制各种类型的生产机械和生产过程。可编程 序控制器及其有关外围设备，都按易于与工业系统联成一个整体、易于扩充其 功能的原理设计。”按照以上定义，p l c 是一种工业用计算机，因而它必须有很 强的抗干扰能力，这是与一般的微机系统不同的。其存储器可存储执行多种操 作指令，是可以通过软件编程序的控制器，所以又与以往的继电接触器控制装 置有质的区别。它具有控制能力强、操作方便灵活、价格便宜、可靠性高等特 点，不仅可以取代传统的继电接触控制器系统，还可以构成复杂的工业过程控 制网络，是一种适应现代工业发展的新型控制器。 2 0 世纪7 0 年代末至8 0 年代初，微处理器技术日趋成熟，使p l c 的处理速 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 度大大提高，增加了许多特殊功能( 如浮点运算、函数运算、查表等) ，p l c 不 仅可以进行逻辑控制，还可以对模拟量进行控制。2 0 世纪8 0 年代后，随着大规 模和超大规模集成电路的迅猛发展，以1 6 位和3 2 位微处理器构成的微机化p l c 得到了惊人的发展，使之在概念、设计、性价比等方面有了重大的突破。p l c 具 有了高速计数、中断技术、p i d 控制等功能，同时联网通信能力也得到了加强， 这些都使得p l c 的应用范围和领域不断扩大。 2 2p l o 的组成与工作工程 2 2 ip l c 的基本组成 p l c 硬件主要由：微处理器( c p u ) 、存储器、输入输出接口电路、电源、 拓展接口、外设接口以及编程器等组成。除了早期生产的整体式p l c ，目前多 数的p l c 都采用模块化的结构，p l c 的各个部件都独立封装成模块，通过系统 总线连接各个模块成一个系统。p l c 硬件结构如图2 1 所示。 可编程序控制器基本单元 l i电源i l 输 微处理器( c p u ) 输 口l 1 入出 g 接 i 运算器 i 接 口口n 电i 控制器 l电 l j 路 路 a v 外 存储器 扩外 设 展 设 接 系统if 用户 接 篮 口i 程序li 程序i口 兀 接触器 指示灯 电磁阀 电源 图2 - ip l c 硬件简化框图 微处理器：c p u 是p l c 的控制中枢，它由控制器和运算器组成。控制器是 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 用来统一指挥和控制p l c 工作的部件，运算器则是进行逻辑、算术运算的部件， c p u 通过地址总线、数据总线和控制总线与其它部分相连接。 存储器：可分为系统程序存储器和用户存储器。系统程序存储器用来固化 各种系统工作程序；用户存储器用来存储用户程序和数据。 输入输出接口电路：又称输入，输出( 的) 模块，p l c 控制系统所采集的输 入信号电平、速率等多种多样，而p l c 的c p u 只能处理标准电平信号，输入输 出模块就是实现电平转换、速度匹配、电气隔离等功能，将外部输入转换成c p u 可以接受的信号，将c p u 的输出信号交换成所需要的控制信号去驱动控制对象。 为了保证p l c 工作可靠，在输入接口电路中都采用了提高可靠性的技术措施， 如光电隔离、输入保护( 浪涌吸收器、旁路二极管、限流电阻) 、高频滤波、输 入数据缓冲等。常用的输入输出模块有：数字量输入输出模块、开关量输入 输出模块、模拟量输入输出模块、交流信号输入模块输出模块和智能模块等。 电源：电源是将交流电源转换成供c p u 存储器等所需的直流电源，它的好 坏直接影响p l c 的功能和可靠性。目前，大多数p l c 采用高质量的开关式稳压 电源，与普通电源相比，p l c 的电源工作稳定性好，抗干扰能力强。有些机器 的电源除了供内部电路使用外，还向外提供2 4 v 直流的稳压电源，用于外部传 感器的需要，避免因外部电源不合格而引起的外部故障。 2 2 2p l c 的工作过程 由于p l c 具有比计算机更强的与工业过程相连的接口，具有更适用于控制 要求的编程语言，因此，p l c 可视为一种特殊的工业控制计算机。但由于有特 殊的接口器件及监控软件，其外型不像计算机，它的编程语言、工作原理与计 算机相比有一定的差别。另一方而，它作为继电器控制盘的替代物，由于其核 心为计算机芯片，因而与继电器控制逻辑的工作过程也有很大差别。 p l c 的工作过程一般可分为三个主要阶段，输入采样阶段、程序执行阶段 和输出刷新阶段。 1 输入采样阶段。p l c 以扫描工作方式，按顺序将所有信号读入到寄存输 入状态的输入寄存器中存储，这一过程称为采样。在本工作周期内，这个采样 结果的内容不会改变，而这个采样结果将能够在p l c 执行程序时被使用。 2 程序执行阶段。p l c 按顺序对程序进行扫描，即从上到下、从左到右地 扫描每条指令，并分别从输入映象寄存器和输出映象寄存器中获得所需的数据 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 进行运算、处理，再将程序执行的结果写入寄存执行结果的输出映象寄存器中 保存。但这个结果在整个程序未执行完毕之前不会送到输出端口上。 3 输出刷新阶段。在执行完用户所有程序后，p l c 将映象寄存器中的内容 送入到寄存输出状态的输出锁存器中，再去驱动用户设备，这就是输出刷新。 p l c 重复执行上述三个阶段，每重复一次的时间称为一个扫描周期。p l c 在一个工作周期中，输入扫描和输出刷新的时间一般为4 m s 左右，而程序执行 时间可因程序的长度不同而不同。 p l c 的一个扫描周期主要有上述三个阶段，但严格来说还应包括下述四个 过程，但这四个过程都是在输入扫描过程之后进行的。 1 系统自监测。检查程序执行是否正确，如果超时则停止中央处理器工作。 2 与编程器交换信息，这在使用编程器输入和调试程序时才执行。 3 与数字处理器交换信息，这只有在p l c 中配置有专用数字处理器时才执 行。 4 网络通信。当p l c 配置有网络通信模块时，应与通信对象进行数据交换。 当p l c 进入运行后，重复完成以上三个阶段的工作，即采用循环扫描工作 过程。p l ct 作的主要特点是输入信号集中批处理，执行过程集中批处理和输 出控制也集中批处理。p l c 的这种“串行”工作方式，可以避免继电器、接触 器控制系统中触点竞争和时序失配的问题。这是p l c 可靠性高的原因之一。 在系统软件的支持下，p l c 对用户程序进行逐条解释，并加以执行，直到 用户程序结束，然后返回到程序的起始又开始新一轮扫描。p l c 这种工作方式 就称为循环扫描。在p l c 接通电源后，为消除各元件状态的随机性，进行清零 或复位处理，检查f o 单元连接是否正确，再执行一段程序，如果执行的时间不 超过规定的时间，则证明p l c 自身是完好的，否则系统关闭。完成上述操作后， 将时间监视定时器复位，才允许开始扫描用户程序。扫描操作的步骤分为以下 几步： 1 公共操作。公共操作是在每次扫描程序前又一次自检，若发现故障，报 警显示，并进行故障性质判断。一般性故障，只报警不停机，等待处理；对于 严重故障，停止运行用户程序，切断一切输出。 2 f o 状态刷新。包括两种操作；输入状态表内容刷新和按输出状态表内容 刷新输出电路。 3 。执行用户程序。包括监视和执行两部分。监视定时器w d t ( w a t c h - d o g t i m e r ) ，通常所说的“看门狗”，它是用来监视程序执行是否正常。执行用户程 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 序，用户程序是放在用户程序存储器中的，扫描时，按顺序从零步开始，逐条 解释和执行，直到执行e n d 指令才结束对用户程序扫描。 4 执行外设指令。每次执行完用户程序后，如果外部设备有中断请求，p l c 就进入中断服务程序，服务外部设备命令的操作。如果没有外部设备命令，则 系统会自动进行循环扫描。 2 3p l c 和继电器控制系统比较 p l c 系统除了可以完成传统继电器控制系统所具有的全部功能外，还可以 实现模拟量控制、开环和闭环过程控制、多级分布式控制。p l c 控制系统与继 电器控制系统相比具有无法比拟的优点。随着微电子技术的进一步发展，p l c 的成本在降低，传统的继电器控制系统被p l c 控制系统所取代是必然的趋势。 p l c 控制系统和继电器控制系统比较如表2 1 所示。 表2 - ip l c 控制系统和继电器控制系统比较 比较项目继电器控制系统 p l c 控制系统 许多继电器组成，采用接线的各种控制功能是通过编制的 控制功能的实现 方式来完成控制功能程序来实现的 对控制要求变更适应性差：控制要求变更需重适应性强：只需修改程序就 的适应性新设计，改变继电器和接线 可以满足控制要求变更 控制速度低：靠机械传动实现极快：靠微处理器处理 可靠性差、触点多、故障多高、元件采取筛选等措施 寿命和可扩展性寿命短，扩展困难寿命长，扩展容易 维护工作量大，故障不易查找有自诊断功能，维护量小 2 0 世纪7 0 年代，出现了采用微处理器的工业控制计算机，它和p l c 共同推 动着传统工业的技术改造。p l c 与一般的工业控制计算机相比，还是有着较强 的优势。p l c 是专为在工业环境下的应用而设计的，具有良好的自诊断功能可 对c p u 等内部电路进行检测，一旦出错，立即报警；对程序及有关数据用电池 进行后备，一旦断电或运行停止，有关状态信息不会丢失：采用冗余技术，对 大型p l c 还采用双c p u 构成冗余系统，或者三c p u 构成表决系统，使系统的 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 可靠性提高；p l c 继承了继电器系统的基本格式和习惯，采用了面向控制过程 和操作者的逻辑语言，容易学习和掌握，维护简便。另外p l c 一般都具有模块 结构，可以针对不同的对象进行组合和扩展，具有很高的性价比。 p l c 在工业控制中获得了极大的成功，成为工业控制中的主流，而计算机在 信息处理方面还是优于p l c ，所以在一些自动控制系统中，将两者结合起来， p l c 做下位机进行现场控制，计算机做上位机进行信息处理，相辅相成，构成 一个功能较强的完整的控制系统。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 l 页 第3 章东风4 d 型内燃机车逻辑控制系统组成和控制 原理 东风4 d 型内燃机车采用交直电力传动装置。同步牵引发电机f 发出的三 相交流电经整流柜1 z l 整流后，向六台并联的直流牵引电动机l 6 d 供电，并通 过传动齿轮驱动车轮转动。 同步牵引电动机f 的励磁，是励磁机l 发出的三相交流电经整流柜2 z l 整 流后，向同步牵引发电机f 的励磁绕组供电而实现的。励磁机l 的励磁电流是 直流测速发电机c f 提供的。测速发电机c f 的励磁电流是启动发电机q f 输出 的直流电经功调电阻r 垂并经调节后提供的，它保证在一定的机车速度范围内， 使柴油机恒功率运行。同步牵引电动机f 、励磁机l 、测速发电机c f 和启动发 电机q f 的转子均由柴油机驱动。 3 1 东风4 d 型内燃机车电路图的组成 东风4 d 型内燃机车电路图属于原理配线图，由主电路、励磁电路、辅助电 路、控制电路及照明电路组成，用于研究电气系统的工作原理，寻找电气故障 及测试电气参数。 3 1 1 东风4 d 型内燃机车的电路组成 1 主电路 主电路是进行能量的传递与转换，实现机车牵引或电阻制动的电路。东风 4 d 型机车主电路包括牵引发电机f ，主整流柜i z l ，主接触器1 - 6 c ，牵引电动 机1 - 6 d ，工况转换开关i 2 h k g ，方向转换开关i - 2 h k f , 电阻制动接触器z c ， 制动电阻1 - - 6 r z 及相关测量电路( 见附图1 ) 。 2 + 励磁电路 励磁电路是为牵引发电机f 提供励磁的电路。东风4 d 型内燃机车励磁电路 包括感应自励磁机l ，励磁整流桂2 z l ，测速发电机c f 以及控制、测量和励磁 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 调节电路( 见附图2 ) 。 3 辅助电路 辅助电路是由保障机车正常工作的辅助设备所构成的电路。东风4 d 型内燃 机车辅助电路包括启动发电机q f ，启动机油泵电动机q b d ，燃油泵电动机 1 r b d ，2 r b d ，空气压缩机电动机i y d ，2 y d ，动力室通风机电动机1 t d ，2 t d ， 电炉d l ，预热锅炉系统电路以及控制、测量和调节电路( 见附图3 ) 。 4 控制电路 控制电路是用于控制主电路、励磁电路、辅助电路工作状态的电路。东风4 d 型内燃机车控制电路包括司机控制器s k ，琴键开关组1 k 一1 0 k ，按钮开关，自 动开关，信号灯，电磁线圈以及各电路联锁触头在内的电路( 见附图4 ) 。 3 1 2 电路图中表示的机车状态 1 所有的开关均处于断开状态。 2 接触器、继电器及线圈都处于无电状态。如接触器的常开触头是当接触 器线圈无电流时触头是打开的，常闭触头是闭合的；当线圈中有电流时，其常 开触头闭合，常闭触头断开。 3 方向转换开关1 - 2 h k f 的触头为其在前进位的状态，当方向转换开关处于 后退位时，其触头的开闭状态与此相反；工况转换开关1 2 h k g 的触头为其在牵 引时的状态，当工况转换开关处于电阻制动位时，其触头的开闭状态与图中相 反。 4 接线柱的代号用分式表示，分子表示接线柱的排号，分母表示接线柱在 该排的顺序号。安装在电器柜和操纵台内的接线柱是成排布置的，安排编号， 而每排汇总的接线柱依次编号。例如：x 5 3 表示电器柜内的第五排第三个接线 柱。 5 导线号：东风4 d 型内燃机车电路图中的导线用阿拉伯数字进行编号，联 接的导线如果是几根并联使用时，用线号乘以并联的导线数来表示。例如：7 8 3 2 表示两根线号为7 8 3 的导线并联在一起使用。 电路中导线线号的分配如下： 1 - - - 2 4 4 高压电路用( 红色标签) ； 2 4 5 8 9 9 低压电路用( 蓝色标签) ： 9 0 0 - - 0 4 0 预热系统电路用； 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 1 0 0 0 一1 2 照明系统用 1 4 x 电阻制动、点热玻璃用； 1 5 0 1 1 5 4 9 无级调速用； 2 0 - 2 l x 控制、辅助电路负线； 3 x 三项设备用。 6 电路图中符号或元件在图中位置按g b 6 9 8 8 表示，即用代表行的字母和 代表列的数字组合来表示。例如，q b c ( 4 - 7 3 ) 线圈表示q b c 线圈在电路图中 第4 张，其位置是纵坐标为d ，横坐标为7 相交所确定的区域。 3 2 柴油机启动电路 3 2 1 柴油机启动前电源的供给和准备 一、控制电路的电源( 如图3 1 ) 1 在柴油机启动前，控制电路由蓄电池x d c 供电。 ( 1 )电源正端：x d c ( + ) 一8 5 9 一) ( k 一 4 7 3 3 f l 一4 7 2 一l r d 一4 6 7 一一4 9 5 一x 5 i , , , 4 一控制电路。 ( 2 ) 电源负端：控制电路一x 8 ，1 4 2 4 2 1 9 8 一一2 1 9 9 一x d c ( 一) 。 2 柴油机启动后正常工作时，改由启动发电 机q f 供电。 ( 1 ) 电源正端：q f ( + ) - - 8 3 3 - - - 4 7 9 - - , 4 7 l 一2 r d 一4 7 0 n l 一4 6 9 4 9 5 一x 5 l 4 一控 制电路。 ( 2 ) 电源负端：控制电路一x 8 1 4 - - 2 4 - - 2 1 9 8 2 0 8 5 一q f ( 一) 。图3 - 1 控制电路电源 因此，对于控制电路，无论是由x i ) c 供电还是由q f 提供，控制电路正端 总是x 5 1 - , - 4 ，负端总是x 8 1 4 - 2 4 。 二、柴油机启机前的准备 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 1 机车状态应装备良好，油、水管路及各阀门应置于正常运转位： 2 柴油机盘车装置应脱开，转轴联锁z l s 应接通： 3 司机控制器主手柄应处于“0 ”位，换向手柄处于“中立”位； 4 闭合蓄电池闸刀开关【，蓄电池电压应不低于9 6 v ； 5 闭合照明总开关x m k 及其他相应有关开关； 6 闭合总控制开关1 k 和电动仪表开关1 2 k ，柴油机的油、水温度应不低于 2 0 。 3 2 2 启动柴油机的操作和电路 一、启动机油泵电机q b d 工作电路 若柴油机停机时间比较长，必须在柴油机启动之前先让启动机油泵q b d 工 作，向机油系统注入机油，以防止各运动部件非正常磨损。 闭合启动泵开关3 k ，启动泵机油泵接触器o b c 动作，其主触头闭合，启 动机油泵电机q b d 运转，开始打入润滑油。 1 o b c 线圈电路 ( 4 2 a ) x 5 2 ( + ) 7 8 6 2 - - x 5 1 4 - - 7 8 3 2 一x 1 4 ，1 2 5 0 0 2 1 k 一5 0 l 2 1 5 d z - - 5 0 2 2 5 2 卜3 k 一5 2 2 一x 1 5 4 7 7 8 一x 2 ，1 7 4 3 3 一r b ca 一4 3 4 4 3 2 一q b cu 一2 0 3 4 2 0 2 0 一2 0 1 9 一x 8 1 7 ( 一) 。 2 q b c 主触头电路( 以1 q b d 为例) ( 3 - 2 c ) x d c ( + ) 一8 5 9 一：一4 7 6 4 7 7 3 3 r d 一4 6 1 2 一q b c 一4 6 0 2 一x 4 1 4 - - 8 6 0 2 1 q b d - - 2 0 5 2 2 一x 8 7 一x 8 l o 一2 0 5 6 一【一2 1 9 9 一 x d c ( - - ) 。 二、甩车电路 柴油机停转时间较长，需将柴油机汽缸内的油、水等污物从示功阀排出。 甩车前，应打开各汽缸的示功阀，然后按下柴油机启动按钮1 q a ，首先时 间继电器s j l 两端接通。s j l 接通电路为： x 5 2 ( + ) 一7 8 6 2 一x 5 1 4 - - 7 8 3 2 一x 1 4 l 2 5 0 0 2 1 k 一5 0 1 2 1 5 d z - - 5 0 2 2 5 1 3 一s k 8 5 1 9 一l q a 一5 2 0 x 1 5 3 7 7 7 一x 2 1 5 8 2 5 8 2 6 一z l s & 一8 2 7 8 2 8 一x 2 1 6 4 2 2 一f i e - - 4 2 3 - - q cu - 4 2 7 一s j l - - 2 0 3 1 2 0 2 0 一2 0 1 9 一x 8 1 7 ( 一) 。 电路中时问继电器s j l 用于控制接触器q c 延时吸合，延时4 5 - - 6 0 s 。当柴 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 油机启动按钮按下后，柴油机并不立即启动：只有当启动机油泵运转4 5 - - 6 0 s 后， 柴油机才启动，以确保柴油机启动时具有良好的润滑。q c 线圈电路为： x 5 2 ( + ) 一( 同上) - - s k 8 - - 5 1 9 - - 1 q a 一5 2 0 x 1 5 乃一7 7 7 一x 2 ，1 5 8 2 5 8 2 6 一z l s 一8 2 7 8 2 8 一x 2 ，1 6 4 2 2 4 2 3 一f i 反一q c 粕一4 2 7 一s j l 2 0 3 8 2 0 2 0 一2 0 1 9 一x 8 1 7 ( 一) 。 电路中的两个反联锁触头： ( 1 ) 转轴联锁z l s 保证柴油机盘车装置脱开时才能甩车。 ( 2 ) f l c 臣保证启动发电机不是在发电工况时，才能作为串励电动机用。 2 q c 主触头电路 x d c ( + ) 一8 5 9 一x k 一4 7 6 一q ct - * 8 7 6 - d i d 2 一q f 一2 0 8 5 一x k 一2 1 9 9 一 x d c ( 一) 。 启动发电机q f 作为串励电动机带动柴油机转动，柴油机转3 - 5 圈后，松开 1 q a ，关闭示功阀，甩车完毕。 三、启动柴油机电路 启动柴油机必须解决三个问题：燃油的供给；运动部件的润滑；拖动柴油机 曲轴转动，使之达到发火转速。 图3 - 2启机部分电路图 卜， 为实现燃油供给，应使r b c 吸合、r b d 转动，并且让d l s 线圈得电，使 联合调节器进入工作状态；为实现运动部件的润滑，应使q b c 吸合，q b d 转动； 为拖动柴油机，应使q c 吸合，q f 作为串励电动机运转，如图3 - 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 1 燃油供给电路 闭合燃油开关4 k ，燃油泵接触器r b c 吸合，燃油泵电机1 r b d 和2 r b d 同 时运转，带动燃油泵开始打燃油。 ( 1 ) r b c 线圈电路 x 5 2 ( + ) 4 k 一5 2 3 一x 1 5 ，5 7 7 9 一x 5 1 3 4 4 6 4 3 8 4 刁& - - 4 3 5 一r b c 粕一2 0 2 4 2 0 2 0 一2 0 1 9 一x 8 1 7 ( 一) 。 ( 2 ) r b c 的主触头电路( 以l r b d 为铡) x d c ( + ) 一8 5 9 一【一4 7 3 3 f l 呻4