CN103742271A

CN103742271A - 利用plc实现内燃机车190型柴油机无级调速的方法

Info

Publication number: CN103742271A
Application number: CN201310713765.5A
Authority: CN
Inventors: 宫良钦
Original assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd
Current assignee: Baotou Iron and Steel Group Co Ltd; Inner Mongolia Baotou Steel Union Co Ltd
Priority date: 2013-12-23
Filing date: 2013-12-23
Publication date: 2014-04-23

Abstract

本发明涉及一种利用PLC实现内燃机车190型柴油机无级调速的方法，硬件包括机车手轮式司机控制器、步进电机、调速器、PLC控制器，其特征是：在调速器与步进电机之间设置一个能够将步进电机的旋转运动转化成直线运动或角度摆动的机械装置；将PLC控制器的三个输出点输出的三相脉冲信号，通过固态继电器放大后直接作为步进电机的驱动电源；将机车手轮式司机控制器的四个调速触点接到PLC控制器的输入端，根据PLC控制器接收到的机车手轮式司机控制器四个调速触点的开闭情况，通过内部程序进行8421编码，确认机车手轮式司机控制器发出的指令位置。其优点是：实现了机车分档无级调速，且调速平稳顺滑、可靠性高、成本低。

Description

利用PLC实现内燃机车190型柴油机无级调速的方法

技术领域

本发明涉及一种利用PLC实现内燃机车190型柴油机无级调速的方法，属于柴油机控制领域。

背景技术

190型柴油机使用操纵风缸调整转速，即用操纵风缸将柴油机转速范围分成15个转速控制点，调速时用压缩空气通过操纵风缸推动柴油机调速手柄在15个转速点之间切换，从而实现柴油机的远距离操纵。这种方式调速时柴油机转速呈阶段性快速上升或下降，转速波动大，造成各运动件冲击大并使柴油机冒黑烟，致使柴油机工作寿命降低，燃油消耗率增加。

近几年新造机车都是采用无级调速，190柴油机实现的方案都是配置无级调速箱控制步进电机实现无级调速，机车硬件投入大，线路改动多，需要资金高，且由于硬件增加无形中增加了故障率、稳定性不好。

配置190型柴油机的机车一般都采用PLC控制，如GK₁型、GK_3B型机车，以及后期生产的GK₀型、GK_1F型机车。但这些采用PLC控制的机车，在无级调速的硬件方面均采用推杆式司机控制器和昂贵的无级调速控制箱，当机车手轮升到8位以上，此时如果使用液力换向或水温低于60℃，转速会突然下降8位甚至降到怠速转速，不利于平稳操纵，容易造成坡停。

发明内容

本发明的目的是提供一种不改变机车操纵台外观，线路改动不大的前提下，可减少无级调速箱的中间环节、实现机车分档无级调速，且调速平稳顺滑、可靠性高、成本低的利用PLC实现内燃机车190型柴油机无级调速的方法。

本发明的技术方案如下：

本发明的硬件包括机车手轮式司机控制器、步进电机、调速器、PLC控制器，其特征是：在调速器与步进电机之间设置一个能够将步进电机的旋转运动转化成直线运动或角度摆动，使之作用在调速弹簧上能够改变其弹力的机械装置；将PLC控制器的三个输出点输出的三相脉冲信号，通过固态继电器（俗称放大块）放大后直接作为步进电机的驱动电源；将机车手轮式司机控制器的四个调速触点接到PLC控制器的输入端，根据PLC控制器接收到的机车手轮式司机控制器四个调速触点的开闭情况，通过内部程序进行8421编码，确认机车手轮式司机控制器发出的指令位置；PLC控制器程序对机车手轮式司机控制器发出的指令位置与调速器当前调整实际位置（即图1框图中的原位置）进行比较，如果机车手轮式司机控制器指令位置大于当前调整实际位置，程序控制PLC控制器通过a、b、c三个输出点输出三相升速脉冲，驱动步进电机正转，再通过调速器控制柴油机提速；如果机车手轮式司机控制器指令位置小于当前调整实际位置，程序控制PLC控制器通过a、b、c三个输出点输出三相降速脉冲，驱动步进电机反转，再通过调速器控制柴油机降速；如果机车手轮式司机控制器指令位置等于当前调整实际位置，程序控制PLC控制器的a、b、c三个输出点停止输出脉冲，并使最后的输出信号保持长通，使步进电机停止并保持现有位置，柴油机调速位置得到保持。

在所述调速器与步进电机之间设置的机械装置为扇形齿轮、涡轮蜗杆机构或螺旋传动机构。

本发明具有以下优点：

（1）输出信号在驱动步进电机的同时，还向PLC控制器进行反馈，所以PLC控制器可以精确的检测到柴油机当前实际的调整位置。由于输出脉冲的频率直接决定了柴油机的升速率和降速率，所以可以根据柴油机的性能指标，在柴油机的各种工况赋予输出脉冲不同的频率，既能够使柴油机的性能得到充分发挥，又有效地抑制了柴油机调速过程中冒黑烟问题，这就比目前的调速方式只有一个升速率和降速率，具有节能减排的优点。

（2）通过输出脉冲直接驱动步进电机工作，减少了无级调速箱中间环节，降低了成本、提高了可靠性。

（3）现有机车当手轮升到8位以上，此时如果使用液力换向或水温低于60℃，转速会突然下降8位甚至降到怠速转速，不利于平稳操纵，容易造成坡停。本发明在以上情况下，手轮如超过8位，柴油机转速自动保持8位转速，待液力换向结束或水温升至60℃以上，柴油机转速又能自动提高到机车手轮式司机控制器实际位置转速。

附图说明

图1是本发明的原理框图；

图2是本发明的实施例中调速器与步进电机连接示意图；

图3是本发明的实施例中PLC控制器与步进电机间的电路连接图；

图4是本发明的实施例中的局部电路连接图；

图5是本发明的实施例中PLC控制器的第一程序片段图；

图6是本发明的实施例中PLC控制器的第二程序片段图。

图2中：1-扇形齿轮，2-步进电机，3-调速器；图3中：4-固态继电器，200号线为电源负线；图4中：1502为超压信号线；图5中：X044为原X002，Y025为原Y000；图6中：MO在机组保护满足工作时闭合；X014-X017为机车手轮式司机控制器1-4触点输入；X037为60℃水温继电器输入；X042为液力制动保护输入；MOV为数据传输指令；T202为计时单位10ms的时间继电器，计时值0.5s；PLS为上升指令，控制线由断到闭使控制件输出一个脉冲周期；CALL为子程序调用指令，加P为控制线由断到闭执行；CMP为二数比较指令；PLSY为脉冲输出指令，频率取决于D60内值，输出点为Y000；C237、C238为高速计数器，分别计X002、X003脉冲输入值；INC、DEC分别为加1、减1指令；RST为复位指令；CJ为中断指令；I400为中断源，当X004出现下降时执行；DHSCS为高速计器置位指令；DHSCR为高速计器复位指令；M8000：特殊辅助继电器，PLC控制器开始运行为ON；M8002：特殊辅助继电器，PLC控制器初开始运行置位一个扫描周期。

具体实施方式

实施例

现以GK₁型机车为例将实施方案介绍如下：

1、硬件配置

PLC控制器使用晶体管输出式，即FX_2N-80MT-D或FX₂-80MT-D型PLC控制器。

机械部分的实现：参照附图2，在调速器3的调速杆轴处安装一个扇形齿轮1，并在相应位置安装步进电机2，步进电机2的输出轴上安装有与扇形齿轮1啮合的齿轮，这样步进电机的旋转运动就会变成调速杆的摆动，最终使190柴油机调速器内部的调速弹簧弹力发生变化，控制改变柴油机转速。当然，此处也可以使用涡轮蜗杆或螺旋传动结构的机械装置，将步进电机的旋转运动转化成直线运动。

参照附图3，步进电机的驱动信号由PLC控制器的Y022、Y023、Y024输出，输出的三路脉冲信号经放大后直接作为步进电机A、B、C三相的电源。

参照附图4，将Y000的接线改到Y025上（原Y025接线拆掉），并将Y000接到X002和X003上。Y022向X004反馈一路信号输入。由于程序需要使用X002、X003、X004三个高速接口，所以将超压信号输入由X002改为X044，其它部分电气线路保持机车原设计不变。

2、程序编写

参照附图5，将原程序中X002改为X044，并将Y000改为Y025；原调速部分程序删除并插入附图6所示的程序，机车程序其他部分保持不变。

原理介绍：

当PLC控制器初始运行，M8000持续闭合，同时M8002输出一个周期的脉冲，此时由于D40、D50没有装入数据，所以CMP二数比较指令使M141为ON。程序受中断指令CJ控制直接跳转至P10子程序，使C237清零复位，然后在Y023、Y024处使步进电机定位。

当机组正常运行MO为闭合，此时如果转动机车手轮式司机控制器调速，其调速触点使M50-M53相应变为ON或OFF。数据传送指令MOV通过K1M50按8421编码将司控器触点位传到D30内；D40用于存储PLC控制器确认的机车手轮式司机控制器位置，CMP指令在D30>D40时使M130为1、在D30=D40时使M131为1、在D30<D40时使M132为1，此时由于D30数据没有传到D40内，所以D30≠D40，因此M131为0；由于M141为1，使T202计时器经0.5s后闭合，使MOV指令将D30数据传到D40内，机车手轮式司机控制器位置被确认，随后CMP指令使M131为1，T202释放；D50用于存储柴油机转数位，M140受CMP指令控制，根据D40与D50比较结果令M140升速时为1或M142降速时为1（即M141为0时）。CALL为子程序调用指令，加P表示控制线由断到闭时执行一次，当M140或M142闭合时，CALL指令调用一次P20或P30子程序，根据M140与M142闭合情况设置D60（即脉冲频率）和调速时序，PLSY指令根据D60频率值通过Y000输出脉冲信号。

当升速时，D70=K2、D72=K1、D74=K3、D76=K2、D60=K30，Y000输出30Hz脉冲信号，并经X002、X003反馈到PLC控制器。当C237高速计数器计数值为1时，DHSCS将Y22置位输出，同时DHSCR将Y023复位；当C237高速计数器计数值为2时，DHSCS将Y023置位，同时DHSCR将Y024复位;当C237高速计数器计数值为3时，DHSCS将Y024置位，同时DHSCR将Y022复位。此时由于Y022输入到X004信号出现下降沿，PLC控制器执行中断程序I400将C237复位清零再返回主程序；C237再次计数。当C237高速计数值为1时，DHSCS将Y022置位，同时DHSCR将Y024复位……以此循环。PLC控制器的Y022、Y023、Y024的输出顺序为Y022－Y022／Y023－Y023／Y024－Y024／Y022－Y022／Y023……通过驱动电路使步进电机旋转，柴油机升速。Y000输出脉冲信号的同时，C238也开始计数，当Y000输出达到60个脉冲时，C238闭合，PLSY停止输出脉冲。PLS控制线由断到闭，M238输出一个扫描周期脉冲，由于此时M140为闭合，INC指令使D50加1。CMP指令比较手轮位D40与柴油机转速位D50值，如果D40=D50则M141为1，常闭触点断开，调速程序停止，RST使C238复位清零；当柴油机转速位值D50小于手轮位值D40，则RST经M131、C238触点使C238复位清零，PLSY使Y000再次输出脉冲信号，Y023、Y023、Y024还按照以上频率和时序继续输出。直到C238再次计数为60，D50再次加1。经过若干个循环使柴油机转速位值D50与手轮位值D40吻合，升速结束。

在降速时，D70=K3、D72=K2、D74=K2、D76=K1,D60在柴油机转速在8位以上时为K28、8位以下时为K32，控制Y022、Y023、Y024按Y022-Y022/Y024-Y024/Y023-Y023/Y022-Y022/Y024-Y024/Y023……时序输出，通过步进电机控制柴油机减速。在减速阶段，CMP指令当D50>K7（即柴油机转速8位以上）时，使M172为1，P20子程序，将K28传到D60，柴油机按28Hz速率降速；当D50≤K7时，使M172为0，P20子程序将K32传到D60，柴油机按32Hz速率降速。当柴油机经过由9位过渡到8位或以下时，M172由1转变为0，PLS指令使M80输出一个扫描周期，CALL指令控制线经M142由断转到通，重新调用子程序P20，由于M172此时为0，MOV指令将K32传到D60，实现降速频率由28Hz向32Hz转变。

在升速或柴油机保速时，受液力制动保护X042与60℃水温X037限制。当液力制动信号X042没有输入且换档开关不在0位（M4为1），或者60℃水温信号X037没有输入时，CMP指令在确认D30>K7（即手轮8位以上）时，使M112为1。MOV指令将K7装入D40，PLC控制器只确认手轮为8位，CMP根据柴油机实际转速位D50值与手轮确认位D40值（等于K7）控制M140、M141、M142动作，分别实现升速、保速、降速控制，使柴油机通过调整保持在8位转速。此阶段由于手轮触点位（D30值）与手轮实际确认位（D40值）不相符，M131不能闭合，在调整转速阶段RST通过M112使C238复位清零。当液力制动结束且水温大于60℃，M112断开，MOV指令将手轮触点位（D30值）传到手位确认位（D40），CMP指令根据D40与D50比较结束，将柴油机转速调整到手抡实际位置。为保证当调速8位以上M131已经为1，此时再出现以上液力制动和水温低于60℃工况，T202能够动作将K7传递到D40,T202控制线中设置了M112，此时其闭合使T202动作，经M112常开将K7传递到D40中。

T202控制线中的M141和C238是为了保证，只有柴油机在一个调速过程结束或一个调速位调速过程结束后，新的司控器触点位值（D30）才被允许确认为司控器手轮位值（D40），保证柴油机转速与司控器位置能够精确对应；因为司控器动作时，各触点会出现短时的开断，T202时间继电器0.5S的延时值，是为了保证司控器停留在某一位置后，司控器触点位方可确认为手轮位。P10子程序的控制线中M50、M51、M52、M53，M141和M116，是为了保证在机车手轮式司机控制器触点位、机车手轮式司机控制器手轮确认位和柴油机转速位均为0时，将C237复位清0保证下次调速正常。

3、说明

程序中的C238计数值K60是在机车安装过程中，根据现场调试所获得的数值，在具体实施中根据所采用的扇形齿轮尺寸、步进电机结构会有所改变，需要现场调试；同时D60的装入数值K28、K30和K32也要根据结构和柴油机性能确定，以达到最佳的升、降速效果。

通过以上方案，可以在基本不改动机车的情况下，实现无级调速。不但使机车增加了达不到8位以上工作条件时，操纵手轮超过8位，柴油机8位保速功能；而且根据柴油机调速特性，使柴油机在高速区低速降速、在低速区高速降速，最大程度地保证柴油机工作平稳。本方案用最小的投入使机车工作稳定性、经济性得到很大的提高。由于没有采用故障率高、价格昂贵的无级调速箱，全部功能都是通过机车自身的PLC控制器增加程序实现，实现成本低，而且稳定也是最好的。

通过在GK₁型内燃机车上进行的试验，将机车由继电器控制改为PLC控制器控制，顺带按以上方案实现无级调速。改装完全达到设计要求，柴油机转速平稳，消除了机车调速游车现象，柴油机烟色质量大大提高，油耗也必然会降低。

Claims

1.一种利用PLC实现内燃机车190型柴油机无级调速的方法，硬件包括机车手轮式司机控制器、步进电机、调速器、PLC控制器，其特征是：在调速器与步进电机之间设置一个能够将步进电机的旋转运动转化成直线运动或角度摆动，使之作用在调速弹簧上能够改变其弹力的机械装置；将PLC控制器的三个输出点输出的三相脉冲信号，通过固态继电器放大后直接作为步进电机的驱动电源；将机车手轮式司机控制器的四个调速触点接到PLC控制器的输入端，根据PLC控制器接收到的机车手轮式司机控制器四个调速触点的开闭情况，通过内部程序进行8421编码，确认机车手轮式司机控制器发出的指令位置；PLC控制器程序对机车手轮式司机控制器发出的指令位置与调速器当前调整实际位置进行比较，如果机车手轮式司机控制器指令位置大于当前调整实际位置，程序控制PLC控制器通过a、b、c三个输出点输出三相升速脉冲，驱动步进电机正转，再通过调速器控制柴油机提速；如果机车手轮式司机控制器指令位置小于当前调整实际位置，程序控制PLC控制器通过a、b、c三个输出点输出三相降速脉冲，驱动步进电机反转，再通过调速器控制柴油机降速；如果机车手轮式司机控制器指令位置等于当前调整实际位置，程序控制PLC控制器的a、b、c三个输出点停止输出脉冲，并使最后的输出信号保持长通，使步进电机停止并保持现有位置，柴油机调速位置得到保持。

2.根据权利要求1所述的利用PLC实现内燃机车190型柴油机无级调速的方法，其特征是：在调速器与步进电机之间设置的机械装置为扇形齿轮、涡轮蜗杆机构或螺旋传动机构。