东风4DD型内燃机车电气控制系统的设计分析

马帅 赵文波

摘 要：为使东风4DD型内燃机车电气控制系统的控制效率更好，运行更稳定可靠，介绍了东风4DD型内燃机车电气控制系统，分析了设计了内燃机车电气控制系统，探讨了以PLC控制技术为核心的内燃机车电气控制技术，研究了4DD型内燃机的主要电控系统，以供内燃机车电气控制系统的设计参考。

关键词：内燃机车 PLC 启动控制 无极调速 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

随着计算机技术对各行业的不断冲击，在制造业上数控技术正在蓬勃发展，当前市面上较为流行的电气控制技术对内燃机的控制系统有很好的发展平台，基于数字化操作，对传统的控制方式进行改造，已经成为了内燃机控制系统改革的一大趋势。基于对当前现状的分析，本次设计在实际运用上具有很大的现实意义。

2 相关介绍

2.1 可编程控制器

由于国内外计算机技术的不断提升，通过对传统的控制系统的改造和升级，诞生出的一套高级的系统编程控制器，由于其具有编程简单、工作稳定、开发和使用的预算不高等优点，在当前的电气控制领域具有很高的性价比，被作为数控机械技术中一种较为流行的电气控制系统。对于传统内燃机的控制方式，其内部结构比较复杂，构件之间的配合较为繁琐，传统的控制方式不适合现在的科学性要求。因此，选用当前较为流行的PLC控制技术对其进行改进，能够有效的提升内燃机的控制和使用性能。

2.2 PLC电气控制系统

2.2.1 技术优势

电气控制系统在实际工作过程中受外界影响因素较小，而且操作形式较为便捷，在实际使用过程中较为稳定，能够适用当前市面上流行的内燃机车的绝大部分工况，因此无论是从开发还是使用的角度对操作人员都比较友好。对于电气控制系统进行科学化的设计，能够增加控制工作的稳定性，使实际工作更加安全，对于编程的要求较低，代码通俗易懂，在后期的日常维护和修理中也较为便捷。

2.2.2 硬件构成

设备主要采用小型PLC，程序员可以将编写好的程序输入计算机主机中，调试编译。

PLC编程器组成：键盘、显示屏、工作方式选择开关、外存储器接口。

由于PLC的使用优势，可以实现多种语言的编程，同时，还具有非常强大的监控功能。

2.2.3 性能指标

数控系统主要由两个方面组成：硬件和软件。硬件为软件的实施提供原始设备支持，软件通过硬件发挥它特有的效应，相当于大楼的框架。硬件没有软件控制时，相当于一堆废铁。由软件发出指令，硬件来执行。硬件的性能优劣是评价数控系统的好坏的关键指标。通过查阅相关文献和设计手册，对本次设计选择的数控系统结构如下：

中央处理器：CPU、內存、硬盘、输入/输出设备、其他配套设备。

该系统与当前我们使用的电脑的原理类似，中央处理器为设备的主要工作和控制单元，由PLC发出指令，CPU进行解读，判断是否同意执行，而后由CPU统一协调完成指令。

2.2.4 编程语言

对于当前市面上较为流行的PLC控制系统，对于程序员的自身要求并不是太高，通常情况下常采用电气控制通用指令搭配设计所需的工况状态图对所需操作进行一定的更改。在编程语言的难度上并不太高，而且搭配式编程模式对于后期的监测和更改也较为方便。

3 基于内燃机车电气控制系统的结构设计

3.1 硬件系统设计

对于本次设计在CPU的选择上应当满足：

（1）CPU处理速度和帧率。

（2）内虚拟是否满足要求。

（3）是否满足多种高级编程语言环境需求。

（4）是否满足多种输入输出设备。

（5）操作系统是否能够满足要求

通过查阅相关文献和设计手册，结合本次设计所需实际需求，对于本次设计中需要熟悉操作系统在类型的选择上为MCS-51系列单片机。在芯片的选择上选为8051类型。

（1）8核多线程处理器。

（2）帧率要求为2?s或1?s。

（3）满足存储的单元为128字节

（4）内存分配空间方式合理。

（5）对数据在内存中的增删改查比较方便。

8051单片机总共有四十个引脚，并且它的设计结构为两列直插的这种形式。

电源引脚

对单片机的运行提供电力支持。

Vcc（40脚）在使用时为插口类型，满足额定电压5V;

Vss（20脚）在使用时与地面相接作为零线。

时钟引脚XTAL1.XTAL2

XTAL1（19脚）在使用时与地面相接作为零线。

XTAL2（18脚）在使用时用来扩大内部传输信号。

控制引脚

Rst/VPD（9引脚）格式化操作。在实际工作中首位引脚在通电状态下工作不低于双工时。当RST较高时，CPU会在第二个周期内进行内部复位。在VCC关机前增加VPD（断电保护），RAM内容保持不变。

PSEN：一旦外部程序向储存器申请读取的信号灯闪烁时，表示储存器可以接受输出。一般一个PSEN周期内，可以有效的响应两次。如果从内部程序内存中读取时，无PSEN脉冲。

EA/VPP：如果EA的电流比较高时，CPU会根据提前设定的执行要求，调动内部存储器来执行命令。反而言之，如果EA的电流不是很高时，CPU无法执行内部的程序，只能执行外部的程序，调动外部存储器。并且，根据相关要求，8051的EA必须与大地相连。

3.2 软件系统设计

通过对PLC软件的学习后得知，对于本次设计选用的PLC软件在设计上不仅要考虑自身操作系统的选择，而且需要根据实际使用中的高级编程语言的选用来做具体的设计。

系统程序：PLC软件开发时自带的操作系统。

读写程序：将输入的代码解读为操作版可以理解的二进制指令，并操作实际工件运行。

监测程序：实时监测工作情况。

用户程序：操作员根据自身实际需求对PLC软件进行适当的操作，达到自身使用需求。

4 基于计算机技术的PLC控制系统

4.1 系统结构

4.2 电路设计及优化

在上电时刻，电路板内部电流随正极流向负极，此时的复位端口与电源的正极相连，当工作过程中能够一直满足不低于10ms的工作电压状态，电路板的实际工作就会正常进行，复位工作也能有效的进行。对于内部结构，在电路的设计时xtal1与xtal2的接线部位安装相应的计时装置，可允许的电流赫兹在不小于1.2到不大于12Mhz之间，通过查阅相关文献和设计手册，结合本次设计所需实际需求，本次设计中电流赫兹在6Mhz，所以上述内部计时装置可以满足本次设计需求。对于外部计时设计，xtal1通过与地表相连作为地线，xtal2接线部位添加外部计时装置作为扩展所需。

4.3 硬件线路设计

由于8051没有内部程序内存，它需要扩展外部程序内存。可以使用容量比较大的芯片，单块儿大容量芯片在设计中可以很好的满足设计所需要求，不需额外添加一定数量的其他芯片，使得本次设计在结构上变得更加容易，简化设计需求。通过查阅相关文献和设计手册，结合本次设计所需实际需求，在容量上选择16K大小的芯片类型。

外接电源：Vcc：在使用时为插口类型，满足额定电压5V;Vss：在使用时与地面相接作为零线。基于定位：A0-A13。基于传输：D0-D7。

基于联系：CE：接收外部指令接口片；OE：是否开关；PGM：程序引入机构；VPP：程序启动电压接口；NC：空脚，不用。

5 东风4DD型内燃机车主要电控系统

当前市面上较为流行的电控系统方式为交—直流电传动控制方式。

5.1 机车柴油机的启动控制

柴油机在实际工作中，启动前需要对其他配合的构件工况进行仔细检查，如表1。

柴油机在启动时是通过蓄电池带动启发电机进行工作，柴油自身的辛烷值与汽油相比就有所不同，在点火启动上比较困难，因此对启发电机的要求较高，当电机功率不能满足要求时，容易造成柴油机启动不稳定，燃油不能够充分的利用，所以通常情况下柴油机启动时会冒黑烟，会对大气造成很大的污染，在过冷的地区，常常也会出现无法启动的问题。因此，柴油机在启动前的预热工作就显得尤为重要，为节约内燃机车蓄电池电能，设计采用外接380伏电加热管组对柴油机冷却液进行快速制热，在保证冷却液不缺且充足的情况下，迅速为柴油机的启动做好预热，可极大缩短柴油机的爆发启动时间，减少冒黑烟的发生。

在内燃机车的启动操作中，如果预准备工作不充分，在柴油机还没达到理想启动状态时强行启动柴油机，启发电机在转速上并没有达到额定要求，因此燃烧室内燃料不完全燃烧，会排出大量具有污染性的气体，在低温极端天气出现时，由于柴油机本身预热不够充分，常常会出现无法启动的问题，柴油机持续低速空转，无法到达额定的工作转速。对于本次设计所需柴油机的启动电路设计如下：

通过上述分析不难得出，QC在整个电控系统中发挥着较为重要的作用。通过查阅相关文献和设计手册，结合设计对内燃机启动的测试情况分析，柴油机在启动时主要分为下述四个过程：3K扳键开关控制润滑油泵接触器QBC吸合进行预供油起机准备、4K扳键开关控制燃油泵接触器RBC吸合供给燃油，断开QBC，按下柴油机起机按钮1QA，通过燃油泵接触器常开触点使QBC得电向柴油机各摩擦表面供油预润滑，1SJ时间继电器延时约45s后，启动接触器QC自动闭合，启动发电机驱动柴油机旋转、启机按钮须一直按压到柴油机末端润滑油压力上升到110kpa，前、后增压器润滑油管路上油压继电器触头1SJ和2SJ吸合，方可松开启动按钮。从启动接触器QC闭合后，柴油机启动按钮接通时间不允许超过40s。柴油机转速达到额定怠速430r/min，成功启动。管路内润滑油压力是否达到额定要求是发动机能否成功启动的关键，所以在电气控制中可以将该项参数作为一项重要的监测数值。通过相应的编程方式，对上述四个状态下柴油机内部管理的液体压力进行实时监测和反馈。

5.2 机车的恒功率调节

通过查阅相关文献和设计手册，柴油发动机在实际工作中与汽车电瓶为串联结构，结合本次设计实际工作需求，对机车的功率在计算上都需考虑在内，通过对相关知识的学习和总结，得出下述计算公式：

对于上述公式：

PF是本次设计内燃机实际输出功率大小；

Nf是工作过程中不可抵抗因素对实际电机的影响效率；

Nc是本次设计柴油发动机在实际工作中有效功率大小；

ηf是本次设计发电机在实际工作中有效效率大小;

ηz是本次设计整流柜在实际工作中有效效率大小；

UF是本次设计发电机的额定工作电压大小;

ⅠF是本次设计发电机的额定工作电流大小。

通过查阅相关文献和设计手册，对于上述公式中，在实际工作中的部分参数变化较低，在实际计算中可依据设计手册和电机选择类型的额定参数直接进行数学运算。其中，实际工作中电机的工作电压和电流是否达到理论值，受电泵选择的额定电压和内燃机在工作中由于不可抗力对电机内部构件产生震动等因素对传输电压或液压的影响，因此实际工作状态与理论设计状态有一定的浮动空间，在进行数学模型的建立中可知得知，不能达到理想的函数关系图形，期间会有一定的波动曲线。

6 结语

（1）設计所得控制系统通过测试可得可实行性较高、控制稳定、操作简单，后期维护和修理方便。

（2）通过测试不难得出，该系统下的内燃机实际工作效率得到有效提升，燃料利用率有了相应的改进。

参考文献：

[1]马宇飞.内燃机电力系统在电气工程自动化控制中的实践[J].内燃机与配件.2019，（05）：80-83.

[2]朱辉，杨阳.内燃机的电气工程自动化控制分析[J].电子元器件与信息技术.2021，5（08）：77-79.

作者简介

马帅：（1982—），男，湖南邵阳人，本科学历，工程师。研究方向：内燃机车电气，机械检修。