內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的實(shí)踐研究 Practical Study on Electric Control System of Internal Combustion Locomotive

鄧小楚 DENG Xiao-chu

摘要：在隧道建設(shè)工程中經(jīng)常會(huì)使用牽引車作為施工的重要操作工具，其中還包含著電力變頻車和內(nèi)燃機(jī)車兩種類型。電力變頻車應(yīng)用蓄電池，從而保證機(jī)車的穩(wěn)定運(yùn)行，而內(nèi)燃機(jī)車則是應(yīng)用柴油機(jī)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，促進(jìn)機(jī)械能與電能之間的靈活轉(zhuǎn)換，然后通過(guò)電動(dòng)機(jī)的控制保證內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行。本文主要通過(guò)研究和分析內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的實(shí)踐，進(jìn)一步推廣內(nèi)燃機(jī)車的應(yīng)用，提高內(nèi)燃機(jī)車電氣控制的運(yùn)轉(zhuǎn)水平。

Abstract： In tunnel construction projects， tractors are often used as an important operation tool for construction， which also includes two types of electric frequency conversion vehicle and internal combustion locomotive.Electric frequency conversion vehicle applies the battery to ensure the stable operation of the locomotive， while the internal combustion engine is using the diesel engine to drive the engine， promote the flexible conversion between mechanical energy and electric energy， and then through the control of the engine to ensure the operation of the internal combustion motor.This paper mainly promotes the application of the practice of internal combustion locomotive and improves the operation level of internal combustion locomotive.

關(guān)鍵詞：內(nèi)燃機(jī);電氣控制系統(tǒng);實(shí)踐研究

Key words： internal combustion engine;electrical control system;practical research

中圖分類號(hào)：TK402? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）22-0079-02

0? 引言

內(nèi)燃機(jī)具有先進(jìn)性、穩(wěn)定性以及低維護(hù)性的基本特點(diǎn)，同時(shí)內(nèi)燃機(jī)還需要滿足動(dòng)力強(qiáng)勁、穩(wěn)定速度、節(jié)能環(huán)保的要求，內(nèi)燃機(jī)車的電氣控制系統(tǒng)關(guān)系著機(jī)車的運(yùn)行性能，特別是列車的安全正點(diǎn)以及高效低耗，是整個(gè)機(jī)車運(yùn)行的核心。隨著電力電子技術(shù)水平的提升以及信息技術(shù)的發(fā)展，機(jī)車逐漸淘汰了直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，開(kāi)始應(yīng)用全新的交流傳動(dòng)控制系統(tǒng)。

1? 內(nèi)燃機(jī)機(jī)車的主要運(yùn)行優(yōu)勢(shì)

在改革開(kāi)放的初期，為了合理控制鐵路電氣化基本建設(shè)的成本，率先發(fā)展的是熱力機(jī)車，熱力機(jī)車經(jīng)歷了創(chuàng)新和改革又發(fā)展成為蒸汽機(jī)車。在20世紀(jì)的末期，蒸汽機(jī)車逐漸不能與時(shí)代發(fā)展相適應(yīng)，內(nèi)燃機(jī)車應(yīng)運(yùn)而生，并逐漸成為熱力機(jī)車中的主流機(jī)型[1]。內(nèi)燃機(jī)車與蒸汽機(jī)車相比較，熱效率更高，功率更大，且無(wú)需過(guò)多的水，整機(jī)聯(lián)合控制更加方便快捷，駕駛員的工作條件也有所改善，經(jīng)過(guò)反復(fù)地檢測(cè)和驗(yàn)證，內(nèi)燃牽引成為我國(guó)國(guó)內(nèi)鐵路運(yùn)輸?shù)闹饕α俊?nèi)燃機(jī)車具備的主要優(yōu)勢(shì)有：速度快、啟動(dòng)時(shí)間非常短;功率比較大，具有很好的牽引性能;整機(jī)聯(lián)控的效率非常高，能夠充分釋放染料的熱能;適應(yīng)性比較強(qiáng)，可以用于缺水地區(qū);駕駛室的環(huán)境條件良好，視野開(kāi)闊，為司機(jī)的駕駛操作提供便利條件。

2? 內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的綜合實(shí)踐分析

內(nèi)燃機(jī)車的穩(wěn)定運(yùn)行能夠很大程度上地縮短大直徑隧道的距離以及運(yùn)輸數(shù)量多的問(wèn)題。內(nèi)燃機(jī)車中最為主要的動(dòng)力來(lái)源就是內(nèi)燃機(jī)，它是由液壓驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向架組成，在轉(zhuǎn)彎半徑的范圍內(nèi)軸載的參考數(shù)值比較小，能夠在多種多樣的軌道上正常運(yùn)行[2]。一般情況下，內(nèi)燃機(jī)車的制動(dòng)方式主要以閘瓦制動(dòng)作為根本的制動(dòng)方式，將液壓制動(dòng)和排氣制動(dòng)作為輔助的制動(dòng)方式?，F(xiàn)階段內(nèi)燃機(jī)內(nèi)的電氣控制系統(tǒng)是微機(jī)系統(tǒng)以及PLC控制系統(tǒng)等等，在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，這兩種系統(tǒng)都存在著過(guò)大消耗機(jī)車能源的嚴(yán)重問(wèn)題。不出意外的情況下，內(nèi)燃機(jī)車能夠依靠閘閥的制動(dòng)開(kāi)啟運(yùn)行模式，同時(shí)液壓制動(dòng)與排氣制動(dòng)能夠輔助內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行。目前內(nèi)燃機(jī)主要是被微機(jī)系統(tǒng)和PLC系統(tǒng)所控制，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻都出現(xiàn)了或多或少的能源消耗過(guò)量的問(wèn)題。

本文主要論述CANBUS技術(shù)，將TTC60控制器作為核心的探究角色，并相對(duì)應(yīng)提出能夠創(chuàng)新和改進(jìn)內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的方法，旨在能夠從根本上補(bǔ)充系統(tǒng)存在的缺陷，從而優(yōu)化電氣控制系統(tǒng)的效果[3]。在科學(xué)技術(shù)的大力支持下，人民群眾逐漸開(kāi)始重視生態(tài)環(huán)保，柴油機(jī)慢慢發(fā)展成為電力控制的模式，而其余的控制器之間的通信聯(lián)系則是由CAN.0的J1939協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)，TTC60是開(kāi)展機(jī)械工程時(shí)最常使用到的專業(yè)控制儀器，能夠充分保障CA2N2.0通訊的流暢性。所以，將TTC60控制器應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)車的電氣控制系統(tǒng)中，具有很大的優(yōu)勢(shì)。本文列舉微機(jī)電氣控制系統(tǒng)和PLC電氣控制系統(tǒng)的實(shí)踐案例，探究?jī)?nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的缺陷和不足，并根據(jù)具體的缺陷和不足提出相對(duì)應(yīng)的改善策略：

首先，微機(jī)電子控制系統(tǒng)缺乏系統(tǒng)完善的恒功率控制功能，并且該系統(tǒng)無(wú)法保證內(nèi)燃機(jī)車能夠持續(xù)在規(guī)定的范圍內(nèi)保持運(yùn)行狀態(tài)，因此導(dǎo)致數(shù)據(jù)誤差情況的發(fā)生，從而造成柴油機(jī)的功率提高，內(nèi)燃機(jī)大量消耗機(jī)油耗費(fèi)能源成本，降低經(jīng)濟(jì)效益。其次，微機(jī)電氣控制系統(tǒng)的故障檢測(cè)功能不夠完善，在內(nèi)燃機(jī)車產(chǎn)生異常情況時(shí)，微機(jī)電氣控制系統(tǒng)不會(huì)自動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)，需要配合人工手動(dòng)操作模式，這樣的方式不能夠及時(shí)地發(fā)現(xiàn)和排除故障因素，因此，在改進(jìn)電氣控制系統(tǒng)的過(guò)程中，需要完善系統(tǒng)的故障檢測(cè)功能，并記錄下導(dǎo)致故障的原因等等，為后續(xù)的工作提供參考，同時(shí)也為運(yùn)行維護(hù)人員的正常工作提供支持。第三，PLC控制系統(tǒng)缺乏完善性。PLC控制系統(tǒng)具有非常復(fù)雜和繁多的操作功能，并且需要多個(gè)繼發(fā)器和接觸器作為輔助工作，PLC系統(tǒng)不完善是導(dǎo)致電氣故障的主要因素，并且電氣故障的維修成本比較高，排除故障的過(guò)程復(fù)雜，具有挑戰(zhàn)性，由此導(dǎo)致內(nèi)燃機(jī)車達(dá)不到理想的控制效果，對(duì)內(nèi)燃機(jī)車的正常運(yùn)行造成消極影響。

3? 內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的創(chuàng)新與改進(jìn)實(shí)踐研究

3.1 針對(duì)硬件系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

在上述的電氣控制系統(tǒng)的改進(jìn)中，硬件系統(tǒng)包含TTC60控制器、LED顯示屏、發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMR。系統(tǒng)中的前向通道的組成部分包括信號(hào)傳感器、調(diào)速手柄以及操作臺(tái)按鈕等等。執(zhí)行系統(tǒng)包含電磁閥、信號(hào)燈和氣動(dòng)制動(dòng)閥等等。首先我們來(lái)論述TTC60控制器，與一般使用的PLC控制器相比較，TTC60控制器主要具有以下幾項(xiàng)優(yōu)勢(shì)：首先，控制器具有良好的抗震性能以及抗沖擊性能，同時(shí)還具有穩(wěn)固可靠的特點(diǎn)，它的防護(hù)等級(jí)高達(dá)IP67，該優(yōu)勢(shì)能夠充分保障控制器在任何條件和任何環(huán)境中都能夠正常地運(yùn)行;其次，TTC60控制器的接口眾多，其中包含開(kāi)關(guān)輸入輸出接口、0-5V與0-30V電壓輸入與脈沖輸入接口、0-20mA電流輸入接口與脈沖輸入接口等等;第三，具有高度的便捷性，用戶可以結(jié)合內(nèi)燃機(jī)車的控制需求自主設(shè)置輸入接口和輸出接口，還能自主設(shè)置電壓以及短路的保障功能;第四，TTC60具有兩個(gè)CAN總線，兩個(gè)管線各自管轄不同的功能，具有良好的防干擾能力，兩條總線分別是CAN0和CAN1，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的過(guò)程中，CAN0用于控制器的上位機(jī)通信的接口，將屏蔽交絞線作為通信介質(zhì)。CAN1可以作為發(fā)動(dòng)機(jī)控制器EMR的通信接口，根據(jù)改進(jìn)后的系統(tǒng)分析，通信波特率達(dá)到250kb/s，CAN總線最長(zhǎng)可以連接200m的通信。

3.2 軟件系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)能夠隨時(shí)隨地顯示內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行參數(shù)，并且實(shí)時(shí)監(jiān)督和控制內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行狀態(tài)，一旦出現(xiàn)系統(tǒng)不符合常規(guī)的情況，系統(tǒng)中裝置的報(bào)警功能就會(huì)自動(dòng)開(kāi)啟。軟件系統(tǒng)是由TTC60控制器的程序設(shè)計(jì)和人機(jī)界面程序設(shè)計(jì)等軟件所構(gòu)成，電氣控制系統(tǒng)的重點(diǎn)內(nèi)容是針對(duì)程序的控制與協(xié)調(diào)，程序狀態(tài)是否正常影響控制效果是否良好，軟件系統(tǒng)的改進(jìn)設(shè)計(jì)實(shí)踐內(nèi)容具體如下：首先我們針對(duì)控制程序的設(shè)計(jì)展開(kāi)研究和分析，本文舉例的TTC60控制器的程序是由發(fā)動(dòng)機(jī)速度控制、智能控制等等六部分組成[1]。技術(shù)人員基于結(jié)構(gòu)的組成設(shè)計(jì)程序，需要開(kāi)閘以結(jié)構(gòu)化和梯形圖作為核心的設(shè)計(jì)工作。在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中，一般會(huì)遭遇以下幾種工況。第一，內(nèi)燃機(jī)車在進(jìn)行爬坡運(yùn)行時(shí)，需要適當(dāng)?shù)靥嵘囁倩蚴羌哟筘?fù)載，這就需要在機(jī)車內(nèi)部裝置一個(gè)功率較大的泵;第二，內(nèi)燃機(jī)的泵負(fù)載的數(shù)值過(guò)高或是壓力的參數(shù)發(fā)生異常的情況下，TTC60控制器可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行速度，根據(jù)運(yùn)行效率發(fā)出指令，從而一點(diǎn)一點(diǎn)地讓馬達(dá)的速度減慢但是泵排量始終保持不變的數(shù)值，防止發(fā)動(dòng)機(jī)在高度的負(fù)載狀態(tài)下產(chǎn)生熄火的現(xiàn)象。本文提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)能夠充分維護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)的正常功率，延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，且能夠促進(jìn)液壓系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，從而發(fā)揮電氣控制系統(tǒng)的環(huán)保價(jià)值。其次，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。人機(jī)界面需要符合高效和簡(jiǎn)潔的特點(diǎn)，通常情況下被應(yīng)用在內(nèi)燃機(jī)的運(yùn)行檢測(cè)方面，亦或是搜集導(dǎo)致故障的相關(guān)信息數(shù)據(jù)等等，同時(shí)還能夠清晰明確地顯示內(nèi)燃機(jī)的性能指標(biāo)。一般情況下，人機(jī)界面的設(shè)計(jì)包含以下幾方面的內(nèi)容。第一，設(shè)計(jì)主監(jiān)控的畫面，在TTC60電氣控制系統(tǒng)中的主監(jiān)控畫面的上方顯示的關(guān)于電壓和燃油的液位，中間部分顯示的是發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行速度。當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車出現(xiàn)異常情況時(shí)，畫面的中央就會(huì)出現(xiàn)空色的標(biāo)記，通過(guò)不斷閃爍的形式進(jìn)行故障報(bào)警[6]。第二，I0檢測(cè)截面的設(shè)計(jì)，I0檢測(cè)界面的設(shè)計(jì)主要是用于檢測(cè)TTC60控制器里所有的I0點(diǎn)以及模擬量通道的運(yùn)行情況，獲取相關(guān)的參數(shù)等等。工作人員可以根據(jù)I0界面所顯示的狀態(tài)從而分析出故障的各項(xiàng)信息和數(shù)據(jù)。第三，設(shè)計(jì)狀態(tài)檢測(cè)頁(yè)面，該頁(yè)面是通過(guò)電氣控制系統(tǒng)的信號(hào)傳感器收集運(yùn)行狀態(tài)的信息。用戶可以根據(jù)電氣控制系統(tǒng)的狀態(tài)設(shè)置參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)或與標(biāo)準(zhǔn)不符就會(huì)啟動(dòng)報(bào)警裝置，比如，油位到達(dá)極限、系統(tǒng)壓力值最大化等等，以此來(lái)保障內(nèi)燃機(jī)車的安全性和穩(wěn)定性。第四，設(shè)計(jì)故障管理界面，當(dāng)內(nèi)燃機(jī)車的運(yùn)行發(fā)生異常時(shí)，電氣控制系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)報(bào)警裝置，主監(jiān)控的界面出現(xiàn)持續(xù)閃爍的紅色標(biāo)記，報(bào)警的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲音，故障的報(bào)警信息欄中會(huì)自動(dòng)顯示出故障所在的位置以及相關(guān)的信息，并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的分析顯示導(dǎo)致故障發(fā)生的原因。在這時(shí)管理人員按下系統(tǒng)的復(fù)位按鈕，紅色標(biāo)記就將不再閃爍，報(bào)警蜂鳴器也不會(huì)再發(fā)出響聲，但是信息欄的內(nèi)容不會(huì)消失，一直持續(xù)到內(nèi)燃機(jī)車排除故障之后。除此之外，本文提出的改進(jìn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)還會(huì)對(duì)故障信息進(jìn)行綜合的記錄，生成系統(tǒng)的檔案，從而為內(nèi)燃機(jī)車后期的維護(hù)和管理提供可以參考的數(shù)據(jù)和信息。

4? 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文以TTC60電氣控制系統(tǒng)進(jìn)行舉例實(shí)踐分析發(fā)現(xiàn)，該控制系統(tǒng)具有低能耗、高便捷的優(yōu)勢(shì)。通過(guò)實(shí)踐分析，設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)電氣控制系統(tǒng)的過(guò)程中，可以將CAN總線機(jī)TTC60控制器導(dǎo)入內(nèi)燃機(jī)車中，不斷地創(chuàng)新和完善設(shè)計(jì)內(nèi)容，達(dá)到更加良好的設(shè)計(jì)效果，因此設(shè)計(jì)人員需要及時(shí)完善電氣控制設(shè)備的硬件設(shè)施，在根本上保障電子控制系統(tǒng)的質(zhì)量和穩(wěn)定性，還要不斷地創(chuàng)新和改進(jìn)軟件設(shè)施，提高設(shè)備的運(yùn)行水平，保障內(nèi)燃機(jī)車的正常運(yùn)行，推動(dòng)我國(guó)隧道工程行業(yè)的科學(xué)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]王宏亮，王雙林，周鴻亮.基于內(nèi)燃機(jī)車電氣控制系統(tǒng)的應(yīng)用[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2020（8）：86-87.

[2]沈剛.內(nèi)燃機(jī)車常見(jiàn)故障分析及維修措施研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2021（16）：119-120.

[3]王凱.試論內(nèi)燃機(jī)車的維護(hù)與保養(yǎng)[J].科技風(fēng)，2020（17）：186，189.

[4]張海瑞.內(nèi)燃機(jī)車主電路接地故障診斷方法探討[J].中國(guó)設(shè)備工程，2020（5）：73-74.