毕业论文：PLC在东风4系列内燃机车控制电路中的应用研究设计

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12、PointselectionParagraphFccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatLineSpacingLinesToPointsSelectionParagraphFormatLineSpacingLin第一章 绪论第一节 课题背景目前，在东风4系列内燃机车电气系统的控制中，仍然沿用触头联锁方式，以形成电器线圈得电的逻辑关系。尤其是在众多条件下形成的“与”逻辑电路中，不得不串接许多触头。例如，在机车控制电路中，牵引发电机励磁接触器LC的线圈电路中共串有控制器KZ5、控制器KZ2、方向转换开关1HKf、方向

13、转换开关2HKf、牵引发电机过流继电器LJ、接地继电器DJ、励磁机励磁接触器LLC、压力继电器4YJ、压力继电器3YJ、中间继电器2ZJ、电空接触器1C、电空接触器2C、电空接触器3C、电空接触器4C、电空接触器5C、电空接触器6C等16对触头。这种联锁方式的线路，布线十分复杂，可靠性差，查找故障困难，维修不方便。部分触头因长期超过额定值通电而频繁烧损。 机车控制电路承担着对机车各功能的控制及保护任务，控制电路中的逻辑关系全部由硬件元（器）件构成，需要串联许多触头，形成触点联锁方式的线路。这种触点联锁方式的线路，受机车恶劣条件的影响，致使控制电路接线复杂，元器件出现故障的几率较大，可靠性较差，

14、故障不易查找，维护工作量大，维修不方便。部分触点因长期在大电流通电的情况下动作，直接影响机车效能的发挥，影响到机车的利用率，同时，复杂的机车逻辑电路也给增设安全保护装置带来诸多不便。近几年来，PLC应用技术发展迅速，在工业的诸多领域都得到广泛应用，PLC技术已成为工业自动化控制的支柱之一。PLC作为一种可编程的逻辑控制器件，它具有的强大的逻辑控制、运算功能及完善的故障自诊断功能，又特别适合于在工作条件恶劣的环境下运行，以丰富的软件资源代替了大量的硬件元（器）件，简化线路结构，保证电路的可靠性。在众多领域中的广泛应用取得了十分显著的效益。将PLC用于内燃机车电气系统控制中，根据PLC的可靠性高，

15、抗干扰能力强，控制系统结构简单，适应性强，应用灵活，编程方便，易于使用，控制系统设计、安装、调试方便，维修方便，维修工作量小，功能完善，扩展能力强，体积小，重量轻，易于实现机电一体化等特点。以其内部的软连锁代替触头连锁，实现机车控制电路中的逻辑器件的以软代硬，解决机车控制电路中存在的问题。此种举措不仅能够大大解决布线复杂，线路可靠性差，故障不易查找，维护工作量大，维修不方便的问题，而且也能够提高机车控制电路的智能化水平，扩大故障诊断和保护范围。同时，还具有显示和记录的功能，提高机车运行效率，设备利用率和取得好的经济效益。将PLC应用于内燃机车控制电路已势在必行。第二节 可编程控制器的分析一、可

16、编程序控制器的基本结构分析（一） PLC的系统结构目前PLC种类繁多，功能和指令系统也各不都相同，但都是以微处理器为核心用做工业控制的专业计算机，所以其结构和工作原理都大致相同，硬件结构与微机相似。主要包括中央处理单元CPU、存储器RAM和ROM、输入输出接口电路、电机相似。I/O扩展接口、外部设备接口等。其内部也是采用总线结构来进行数据和指令的传输。如图1-1所示，PLC控制系统由输入量、PLC、输出量组成，外部的各种开关信号、模拟信号、传感器检测的各种信号均作为PLC的输入量，它们经PLC外部输入端子输入到内部寄存器中，经PLC内部逻辑运算或其他各种运算，处理后送到输出端子，作为PLC的输

17、出量对外围设备进行各种控制。由此可见，PLC的基本结构由控制部分、输入和输出部分组成。图1-1 PLC硬件结构图（二）PLC各部分的作用1.中央处理器CPU是由控制器和运算器组成的。运算器也称为算术逻辑单元，它的功能就是进行算术运算和逻辑运算。控制器的作用是控制整个计算机的各个部分有条不紊地工作，它的基本功能就是从内存中取指令和执行指令。CPU作为整个PLC的核心起着总指挥的作用，是PLC的运算和控制中心。其主要功能如下：（1）诊断PLC电源、内部电路的工作状态及编制程序中的语法错误。（2）采集由现场输入装置送来的状态和数据，并送入PLC的寄存器中。（3）按用户程序存储器中存放的先后顺序逐条读

18、取指令，进行编译解释后，按令规定的任务完成各种运算和操作。（4）将存于寄存器中的处理结果送至输出端。（5）响应各种外部设备（编程器、打印机、上位计算机、图形监控系统、条码判读器等）的工作请求。目前PLC中所用的CPU多为单片机，其发展趋势是芯片的工作速度越来越快，位数越来越多（8位、16位、32位至48位），RAM的容量越来越大，集成度越来越高，并采用多CPU系统来简化软件的设计和进一步提高工作速度。2.存储器PLC的存储器分为两大部分：一部分是系统程序存储器，用以存放系统管理程序、监控程序及系统内部数据。系统程序根据PLC功能的不同而不同。生产厂家在PLC出厂前已将其固化在只读存储器ROM或

19、PROM中，用户不能更改，CPU只能从中读取而不能写入。另一部分是用户存储器，包括用户程序存储区和工作数据存储区。其中的用户程序存储区主要存放用户已编好或正在调试的应用程序。工作数据存储区则包括输入输出状态寄存器区、定时器/计数器的设定值和经过值存储区、各种内部编程元件状态及特殊标志位存储区、存放暂数据和中间运算结果的数据寄存器区等。3.输入/输出（I/O）系统PLC通过输入输出（I/O）接口电路实现与外围设备的连接。输入接口通过PLC的输入端子接受现场输入设备（限位开关、手动开关、编码器、数字开关和温度开关等）的控制信号，并将这些信号转换成CPU所能接受和处理的数字信号。输出接口有三种接口类

20、型：继电器输出型，晶闸管输出型，晶体管输出型。其中继电器输出型为有触点输出方式，可用于接通或断开开关频率较低的直流负载和交流负载回路，这种方式存在继电器触点的电气寿命和机械寿命问题；晶闸管输出型和晶体管输出型均为无触点输出方式，开关动作快，寿命长，可用于接通和断开开关频率较高的负载回路，其中晶闸管输出型常用于带交流电源负载，晶体管输出型则用于带直流电源负载。输入输出接口电路在整个PLC的控制系统中起着十分重要的作用。为提高PLC的工作可靠性，增强抗干扰能力，PLC的输入输出接口电路均采用光电耦合电路，防止现场的强电干扰，保证了PLC能在恶劣的条件下可靠地工作。4.电源PLC的电源是指将外部输入

21、的交流电经过整流、滤波、稳压等处理后转换成满足PLC的CPU、存储器、输入输出接口等内部电路工作需要的直流电源电路或电源模块。为了避免或减小电源间干扰，输入输出接口电路的电源彼此相互独立。现在许多PLC的直流电源采用直流开关稳压电源，这种电源稳压性能好、抗干扰能力强，不仅可提供多路独立的电压供内部电路使用，而且还可以为输入设备提供标准电源。不同型号的PLC有不同的供电方式，所以PLC电源输入电压既有220V和110V交流，又有12V和24V直流。 5.手持编程器手持编程器是人与PLC联系和对话的工具，是PLC重要的外围设备。用户可以利用编程器来输入、读出、检查、修改和调试用户程序，也可以用它来

22、监视PLC的工作状态、显示错误代码或修改系统寄存器的设置参数等。手持编程器采用助记符语言编程，具有编辑、检索、修改程序、进行系统设置、内存监控等功能。它必须联机编程，可一机多用，对一台PLC编程完毕后，就可供另一台PLC使用，具有使用方便、价格低廉的特点，缺点是不够直观。除采用手持编程器编程和监控外，还可通过PLC的RS232C外设通信口（或RS422口配以适配器）与计算机联机，并利用PLC生产厂家提供的专用工具软件（NPST-GR、FPSOFT、FPWIN-GR），来对PLC进行编程和监控。相比起来，利用计算机进行编程和监控往往比手持编程工具更加直观和方便。6.输入输出I/O扩展接口若主机单

23、元（带有CPU）的I/O点数不能满足输入输出设备点数需要时，可通过此接口用扁平电缆线将I/O扩展单元（不带有CPU）与主机单元相连，以增加I/O点数。A/D、D/A单元一般也通过该接口与主机单元相接。PLC的最大扩展能力主要受CPU寻址能力和主机驱动能力的限制。二、可编程控制器的基本工作原理分析由于PLC以微处理器为核心，故具有微机的许多特点，但它的工作方式却与微机有很大不同。微机一般采用等待命令的工作方式，如常见的键盘扫描方式或I/O扫描方式，若有键按下或有I/O变化，则转入相应的子程序，若无则继续扫描等待。PLC则是采用循环扫描的工作方式。对每个程序，CPU从第一条指令开始执行，按指令步序

24、号做周期性的程序循环扫描，如果无跳转指令，则从第一条指令开始逐条顺序执行用户程序，直至遇到结束符后又返回第一条指令，如此周而复始不断循环，每一个循环称为一个扫描周期。扫描周期的长短主要取决于以下几个因素：一是CPU执行指令的速度；二是执行每条指令站用的时间；三是程序中指令条数的多少。一个循环扫描周期主要可分为3个阶段。1.输入刷新阶段在输入刷新阶段，CPU扫描全部输入端口，读取其状态并写入输入状态寄存器。完成输入端刷新工作后，将关闭输入端口，转入程序执行阶段。在程序执行期间即使输入端状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变，而这些变化必须等到下一工作周期的输入刷新阶段才能被读入。2.程序执

25、行阶段杂程序执行阶段，根据用户输入的控制程序，从第一条开始逐条执行，并将相应的逻辑运算结果存入对应的内部辅助寄存器和输出状态寄存器。当最后一条控制程序 执行完毕后，即转入输出刷新阶段。3.输出刷新阶段当所有指令执行完毕后，将输出状态寄存器中的内容，依次送到输出锁存电路，并通过一定输出方式输出，驱动外部相应执行元件工作，这才形成PLC的实际输出。由此可见，输入刷新、程序执行、和输出刷新三个阶段构成PLC一个工作周期，由此循环往复，因此称为循环扫描工作方式。由于输入刷新阶段是紧接输出刷新阶段后马上进行的，所以亦将这两个阶段统称为I/O刷新阶段。实际上，除了执行程序和I/O刷新外，PLC还要进行各种

26、错误检测（自诊断功能）并与编程工具通信，这些操作统称为“监视服务”，一般在程序执行之后进行。总之，采用循环扫描的工作方式是PLC区别于微机和其他控制设备的最大特点，在使用中应引起特别注意。三、PLC的主要技术指标分析PLC的一些基本的技术性能，通常可用以下几种指标进行描述。1.输入/输出点数（I/O点数）输入/输出点数指PLC外部的输入、输出端子数，这是一项很重要的技术指标，因为在选用PLC时，要根据控制对象的I/O点数要求确定机型。主机的I/O点数不够时可接扩展I/O模块，但因为扩展模块内一般只有接口电路、驱动电路而没有CPU，它通过总线电缆与主机相连，又主机的CPU进行寻址，故最大扩展点数

27、受CPU的I/O寻址能力的限制。2.内存容量一般以PLC所能存放用户程序的多少来衡量内存容量的。在PLC中程序指令是按“步”存放的（一条指令少则一“步”，多则十几“步”），一“步”占一个地址单元，一个地址单元一般占两个字节。例如，一个内存容量为1000步的PLC，可推知其内存为2K字节。注意：“内存容量”实际是指用户程序容量，不包括系统程序存储器的容量。3.扫描速度扫描速度一般指执行1000步指令多需要的时间，单位为ms/K。有时也用执行一步指令所需的时间计，单位为/步。4.指令条数PLC指令系统拥有的指令种类和数量是衡量其软件功能强弱的重要指标。PLC具有的指令种类越多，说明其软件功能越强。

28、PLC指令一般为基本指令和高级指令两部分。5.内部继电器和寄存器PLC内部有许多继电器和寄存器，用以存放变量状态、中间结果和数据等，还有许多具有特殊功能的辅助继电器和寄存器，如定时器、记数器、系统寄存器、索引寄存器。通过使用它们，可使用户编程方便灵活，以简化整个系统的设计。因此内部继电器、寄存器的配置情况常是衡量PLC硬件功能的一个指标。6.编程语言及编程手段PLC所具有的编程语言及编程手段也是衡量其性能的一项指标。编程语言一般分为梯形图语言、助记符语言、系统流程图语言等几类，不同厂家的PLC编程语言类型有所不同，语句也各异。编程手段主要是指采用何种编程装置，变成装置一般分为手持编程器和带有相

29、应编程软件的计算机两种。7.高级模块PLC除了主控制模块外，还可以配接各种高级模块。主控模块可实现基本控制功能，高级模块的配置则可实现一些特殊的专门功能。因此，高级模块的配置反映了PLC功能的强弱，是衡量PLC产品档次高低的一个重要标志。目前各生产厂家都在开发功能模块上投入很大力量，是其发展很快，种类日益增多，功能也越来越强。主要有：A/D和/DA转换模块、高速记数模块、位置控制模块、PID控制模块、速度控制模块、温度控制模块、远程通信模块、高级语言编辑模块以及各种物理量转换模块等。这些高级模块不但能使PLC进行开关量顺序控制，而且能进行模拟量控制、定位控制和速度控制等。特别是网络通信模块的迅

30、速发展，实现了PLC之间、PLC与计算机的通信，使得PLC可以充分利用计算机和互联网的资源，实现远程监控。第二章 PLC机型的选定第一节 控制电路分析和PLC输入及输出设备选定东风4系列内燃机车控制电路对PLC输入与输出点数的需求，不仅与控制电路系统本身有关，而且与线路设计和程序设计有关，同样的功能，如果线路设计比较合理，程序设计也比较合理巧妙，就可以减省输入输出接点。在本设计中的控制设计是根据东风4B型机车控制电路设计的。机车控制电路图见附图一，附图二所示。东风4系列内燃机车控制电路主要有机车操纵电路、保护电路、信号显示电路和辅助电路等组成。机车操纵电路又包括柴油机启动电路、机车启动和调速电

31、路。其中保护电路和辅助电路经过多次的实践应用，多次的修改，多次的完善，已经具有了很好的性能。在机车控制电路中进行PLC程序控制设计时，不需要对机车的保护电路和辅助电路做改动。在机车控制电路中，各电路担着对机车各功能的控制及保护任务，控制电路中的逻辑关系全部由硬件元（器）件构成，需要串联许多触头，电路中许多线路采用继电器联锁，形成了触点联锁方式的线路。这种联锁方式的线路，受到机车恶劣条件的影响，使控制电路接线非常的复杂，元器件出现故障的几率较大，可靠性也较差，而且故障不易查找，维护工作量大，维修不方便。部分触点因长期在大电流通电的情况下动作，直接影响机车效能的发挥，影响到机车的利用。在柴油机启动

32、前，控制电路的控制电源由蓄电池XDC提供，在柴油机启动后，QF正常工作时，则控制电源由启动辅助发电机QF提供。东风4型机车控制电路的电源正端为X5（14号柱），蓄电池组XDC向电源正端X5（14号柱）供电。供电电路如下：XDC（+）蓄电池闸刀开关XK4733FL4721RD467RC495X5（14号柱）如果以启动辅助发电机QF作为电源供电时，则其电路如下：QF（+）8834794712RD470NL469495X5（14号柱）整个控制电路的所有负端联线均集中接在X8上，它们连接在一起，并与蓄电池组负端及启动辅助发电机负端接通。为简便计，以下研究控制电路时，均以X5作为控制电路电源正端，即作为

33、电路始端，以X8作为电路终端，不再引入X5以前和X8以后的电路部分。启动柴油机电路是有启动机油泵电动机电路、甩车电路、燃油泵电动机电路和柴油机启动电路组成。启动机油泵电动机电路的作用是使机油管路和柴油机润滑表面充满机油为柴油机甩车和启动做好准备。甩车电路的作用是在柴油机正式启动前，将渗漏在气缸中的油水凝结物通过示功阀口排出。在甩车之前必须打开示功阀，并开动车体通风机1TD2TD。这时除总开关1K闭合外，其他开关均断开。盘车机构脱开，主手柄置于“0”位。燃油泵电动机电路的作用是接通燃油泵把燃油从机车底部的燃油箱中送至柴油机。柴油机启动电路接线很复杂，经过一系列的线圈得电触点闭合，完成柴油机的启动

34、。机车启动控制电路是有机车启动前的准备工作形成的电路、走车控制电路和机车调速控制电路组成。机车启动前的准备工作形成的电路有辅助励磁接触器线圈电路，机车运行方向及牵引或电阻制动工况电路组成，在这两个电路中联锁触头通断电频繁，线路复杂，为走车做好准备。走车控制电路有励磁机励磁接触器线圈电路、励磁机励磁接触器线圈电路中的中间继电器及其保护电路、电空接触器线路电路、牵引发电机励磁接触器的线圈电路组成。这些电路中元器件较多，联锁触头也较多，线路复杂，出现故障的几率较大，影响机车的安全运行。在柴油机启动过程中由于启动机油泵接触器QBC不能可靠闭和，影响启动机油泵QBD的供电电路的接通，不能使机油管路和柴油

35、机润滑表面充满机油，影响柴油机甩车和柴油机的正常启动。启动接触器QC线圈触头动作，接通启动辅助发电机QF电路，得电频繁，容易造成接触器QC线圈触头灼伤。在柴油机启动电路中，启动接触器QC线圈的主触头控制着蓄电池XDC向启动辅助发电机QF的供电电路，常闭触头（反联锁触头）控制着QBC线圈供电电路的通断，常开触头（正联锁触头）控制着联合调节器DLS线圈供电电路，这种联锁电路，接线十分复杂，出现故障的几率很大。另外，燃油泵电动机接触器RBC线圈得电频繁，容易烧损，影响燃油泵电动机工作，造成故障，导致了柴油机不能启动。在机车启动电路中，牵引电空阀l2HKg1和前进电空阀l2HKf1构成机车前进和牵引工

36、况电路，牵引电空阀l2HKg1线圈和前进电空阀l2HKf1线圈得电后其联锁触头形成电路接线复杂，也同样容易造成故障，可靠性低，出现故障排除困难。在走车控制电路中，励磁机励磁接触器LLC线圈主触头、正联锁触头，得电动作频繁，出现故障的几率较大，以至不能很好的接通电空接触器1C6C线圈电路和维持LLC线圈供电。电空接触器1C6C主触头在牵引工况下接通了主电路中牵引发电机经硅整流装置分别向6台牵引电动机供电电路，在电阻制动工况下，又分别接通6台牵引电动机向制动电阻供电电路，在接通的这两个电路中电空接触器1C6C主触头因通断电频繁，触头常出现电弧灼伤，造成线路出现问题，维修不便。牵引发电机励磁接触器L

37、C线圈的主触头用来接通励磁机向牵引发电机的励磁供电回路，保证机车开始启动，正联锁触点保证在机车启动电路断开时，保证电空接触器1C6C主触头在无电状态下的开断，也由于通断电频繁造成故障。在空压机启动回路中空压机接触器YC不能可靠闭和或闭和不良，会造成降压启动电阻的烧损。对于其他的接触器、联锁器线圈，由于机车恶劣条件的影响，出现故障的几率也很大，直接影响机车效能的发挥。在进行PLC控制时，针对上述问题，充分利用PLC的“软环境”优势，把机车控制电路中的继电器、大部分起中间联锁作用的接触器和联锁器线圈、电空阀等纳入PLC控制之中。还可将柴油机的保护，步进电机电源驱动器等电子装置也纳入PLC控制之中，

38、实现程序控制，使电路得到简化，功能进一步加强。解决了机车控制电路出现故障几率大的问题。其中纳入PLC控制之中的继电器有中间继电器，时间继电器等共需2个接触点。纳入PLC控制之中的大部分起中间联锁作用的接触器和联锁器线圈有启动机油泵接触器QBC、启动接触器QC、燃油泵电动机接触器RBC、辅助励磁接触器FLC、固定发电接触器GFC、空压机接触器YC、励磁机励磁接触器LLC、牵引发电机励磁接触器LC、电阻制动接触器ZC、电空接触器1C6C、磁场削弱组合接触器XC1XC2、故障励磁接触器GLC，总共需要19个接触点。纳入PLC控制的电空阀有前进电空阀HKf1、前进电空阀HKf1、牵引电空阀HKg、牵引

39、电空阀HKg2，总共需要4个接触点。另外为了表示差示压力计CS动作而把信号灯1XD也纳入PLC控制中，它需要1接触点。联合调节器步进电机三相绕组Na、Nb、Nc 也纳入PLC的控制之中，总共需要3个接触点。如电压调整器、自动过度装置、电阻制动仍采用原有电子箱控制，则由上面分析知道，总共需要PLC的输出点数不能少于29个。东风4系列内燃机车的控制信号以开关量为主，水温、油压、差压、油量等模拟量，已利用了水温继电器WJ、油压继电器YJ、差示压力计CS、油量开关UK等电器转换成了开关量。因此，PLC的输入端各信号不再需要进行模拟量和开关的转换，直接利用开关量，将原有的开关、测量及保护电器的触头接在各

40、输入点与COM点之间就可以了。全部手动电器、自动电器及各种自动电器动作到为、复位检测共需输入接点不少于40个。其中纳入PLC输入控制的开关有启动泵开关3K、燃油泵开关4K、辅助发电机开关5K、固定发电机开关8K、空压机开关10K、，压力开关YK、压力继电器开关1YJ4 YJ、故障开关1GK6GK、手动过度开关XKK1、手动过度开关XKK2、差示压力计开关CS、牵引-制动转换开关lHKg2、牵引-制动转换开关2HKg2、方向转换开关1HKf1、方向转换开关2HKf1、油量开关UK、故障励磁开关9K，总共需要25个接触点。纳入PLC输入控制的按钮有柴油机启动按钮1QA、手动按钮2QA，共需2个接触

41、点。还有一些接触器线圈的触点也纳入PLC输入控制之中，其中有转轴联锁触点ZLS、电空接触器1C6C触头、励磁机励磁接触器LLC触头、自负荷接触器2ZFK，5ZFK触头、自动过度装置GDZ2、牵引发电机过流继电器LJ触头、接地继电器DJ触头、水温继电器WJ触头、通风保护差动继电器FSJ触头、自负荷接触器1ZFK，3ZFK，4ZFK，6ZFK触头，总共需要6个接触点。另外，控制器1KZ9KZ，也纳入PLC输入控制，需要9个接触点。由以上知用于PLC控制的输入接点不少于40个，输出点数不能少于29个。第二节 PLC的选择目前，随着PLC的普及，PLC的种类和数量越来越多，功能也越来越丰富。这就要求在

42、选择PLC时，不能盲目地追求功能强大，要根据机车控制电路系统的特点，在满足控制电路系统功能需要的前提下，选择最可靠、最稳定、使用维护最方便以及性价比最优的机型。下面将根据机车控制电路的特点进行PLC的选择。一、PLC的机型选择（一）合理的结构型式的选择整体式PLC的每一个I/O点的平均价格比模块式的便宜，且体积相对较小，所以一般用于系统工艺过程较为固定的小型控制系统中；而模块式PLC的功能扩展灵活方便，I/O点数量、输入点数与输出点数的比例、I/O模块的种类等方面，选择余地较大。维修时只要更换模块，判断故障的范围也很方便。因此，模块式PLC一般适用于较复杂系统和环境差（维修量大的场合）。考虑到

43、机车控制电路布线十分复杂，可靠性差，查找故障困难，维修不方便，部分触头因长期超过额定值通电而频繁烧损的现象，选用模块式PLC较为合适。此外，采用模块式PLC在模块出现问题时就不需要对整个PLC进行更换，只要更换相应模块就可以解决问题，经济方便，缩短了排除故障的时间。（二）安装方式的选择根据PLC的安装方式，系统分为集中式、远程I/O式和多台PLC联网的分布式三种。集中式不需要设置驱动远程I/ O硬件，系统反应快、成本低。大型系统经常采用远程I/O式，因为他们的装置分布很广，远程I/O可以分散安装在I/O装置附近，I/ O连线比集中式的短，但需要增设驱动器和远程I/O电源。多台联网分布式适用于多

44、台设备分别独立控制，又要相互联系的场合，可以选用小型PLC，但必须要附加通信模块。比较三种安装方式的特点，结合机车控制电路接线复杂，通断电频繁，不易维修，成本高，要求系统反应快等特点，PLC的安装方式采用集中式安装比较合适，可以解决机车中存在的这些问题。（三）相当的功能要求 一般小型（低档）PLC具有逻辑运算、定时计数等功能，对于只需要开关量控制的设备都可满足。 对于以开关量控制为主，带少量模拟控制系统，可选带A/D和D/A单元、具有加减算术运算、数据传送功能的强行低档PLC。但是中、高档PLC价格较贵，一般大型机主要用于大规模控制和集散控制系统等场合。 机车控制电路系统主要是进行对开关量的控

45、制，不选用A/D和D/A单元，不需要加减算术运算，用不着大规模控制和集散控制。综合机车控制电路各方面的特点和要求，故可选择小型的PLC。（四）响应速度的要求PLC的扫描工作方式引起延迟可达23个扫描周期。对于大多数应用场合来说，PLC的相应速度是可以满足要求，然而，对于某些个别场合，则要求考虑PLC的相应速度。为了减少PLC的I/O相应的延迟时间，可以选用扫描速度高的PLC，或选用具用高速I/O处理功能指令的PLC，或选用具有快速相应模块和中断输入模块的PLC等。根据机车控制电路的控制要求，一般的PLC是能够满足其响应速度要求的。二、PLC容量的选择对于PLC容量的选择，有I/O点数的选择和用

46、户存出容量的选择两种。（一）I/ O点数PLC的I/O点数的价格比较高，因此应该合理选用PLC的I/O的数量，在满足控制要求的前提下，力争使用I/O点最少，但必须留有一定的备用量。经上节分析知到，要改造的机车控制电路系统，所需的PLC输入点数不小于40个，输出点数不少于29个。（二）用户存储容量用户存储容量是指PLC用于存储用户程序的存储容量。需要的用户存储容量的大小由用户程序的长短决定。一般可以按以下式估算： 用户存储容量=开关量输入点数10+开关量输出点数5+模拟量输入/输出点数100字节。为了使用方便，一般应留有估算容量的20%30%的裕量。对于经验缺乏者，留有的裕量应更大些。根据上式，

47、对于机车控制用PLC的用户存储容量为：4810+405=680字节。绝大部分PLC均能够满足这个的要求。三、选择的FX2N系列PLC根据前面所述的几点要求，结合机车控制电路系统电器线圈通、断电频繁，断电频率却很低的特点，又由于输入点不能少于40个，输出点不能少于29个。可选用日本三菱公司生产的FX2N系列模块式小型PLC。该系列的PLC工作电源电压采用AC100240V供电，且具有多种电压值供选择，电压波动在-15%+10%范围内仍能正常工作，瞬时断电时间可以在10ms时继续工作。在使用时环境温度为055，在贮存时环境温度为-22+70范围内可以正常工作。电源的熔丝为250V5A-520mm。

48、还有该系列的PLC存储器容量大，它内附8k步RAM，最大时可达16k（包括注释），还可以进行可使用RAM（8k），EPROM（16k），EEPROM（4k ，8k ，16k）或带实时时针的存储器卡盒的选择。它内附有高速计数器，增加了多种编程指令功能可以扩展，扩展模块可以兼容。还结合了FX0S系列和FX0N系列的特点.它在功能上是完全满足机车控制电路系统的控制要求。知道了机车控制用PLC的用户存储容量，根据用户存存储器的容量选用EEPROM（8k）作为存储器。在程序开发完成后，可以利用编程器将程序存放在选用的EEPROM（8k）内。由于机车全部电路通断电频繁，应采用晶体管输出模块来通断电器线圈电

49、路，晶体管输出模属于无触点元件，此种输出模块，无最小负载限制，不需增加外围电路，而且运行可靠。因此，将CPU模块选择为FX2N-80MT-001的PLC作为机车控制用机型。该模块消耗的功率为70VA，自带40个数字量输入点和40个数字量输出点，扩展模块可用点数为48点64点。输出点完全可以满足机车控制电路控制的要求。但输入点不能满足控制电路控制的要求需添加输入扩展模块。添加的输入扩展模块为FX0N8EX。它自带8个输入点，不带输出点。添加了输入模块后系统总的I/O点数达到88个点。完全可以满足机车控制电路控制的要求。I/O点数留有了一定裕量，是为了便于今后增加新的控制功能。此外，不再需要添加其

50、他电源模块。I/O点分配采用自动分配方式，模块上的输入端子对应的输入地址是X000X057，输出端子对应的输出地址是Y000Y047。由此可见，CPU模块选择为FX2N-80MT-001的PLC作为机车控制用机型，它可以控制着整个机车控制电路系统按照控制要求有条不紊的运行。四、单元负荷能力输出模块的输出电流（驱动能力）必须大于负载额定电流，应根据实际负载电流的大小选择模块的输出电流，如果实际负载电流较大，输出模块无法直接驱动，可增加中间放大环节。东风4系列内燃机车采用的有触点自动电器中，线圈的吸动电流最大的是CZ0400/10型接触器，其瞬时吸动电流为3A。保持吸合电流最大的也是该型接触器，其

51、保持吸合电流为0.3A。因选择的FX2N-80MT-001的PLC输出容量有限，而负载多为较大功率的感性负载，采用的晶体管输出模块输出的最大感性负载为24W/DC24V，不能满足机车电器实际负载的要求。 为此，采用固态继电器进行功率放大，并加设续流二级管和过压吸收电路，以满足系统电器的要求。此外，要说明的是在机车控制电路系统中，机车的电源为DC110V，而PLC控制系统输入端需要DC24V电源供电，为解决这个问题，采用一个将DC110V转换为DC24V的专用开关电源。该开关电源有较宽的输入范围（DC30VDC135V），既能满足柴油机启动时蓄电池电压降大的需要，有不至于受到电压失调时的过压冲击

52、。将该电源开关用于电路完全解决了电源不符合的问题，并且该开关电源的应用对电路没有丝毫影响。第三章 系统资源的分配和PLC的I/O接线图设计第一节 系统资源的分配一、数字量输入部分数字量输入地址分配表如表2-1所示。表2-1 输入地址分配输入地址对应外部设备X000启动泵开关3KX001柴油机启动按钮1QA，转轴联锁触点ZLSX002燃油泵开关4KX003辅助发电机开关5KX004固定发电机开关8KX005空压机开关10K，手动按钮2QA，压力开关YKX006差示压力计开关CSX007压力继电器开关1YJ，2YJX010油量开关UKX011控制器KZ1X012控制器KZ2X013控制器KZ3X0

53、14控制器KZ4X015控制器KZ5X016控制器KZ6X017控制器KZ7X020控制器KZ8X021控制器KZ9X022电空接触器1C6C主触头X023方向转换开关1HKf1，2HKf1X024方向转换开关1HKf2，2HKf2X025故障开关1GKX026故障开关2GKX027故障开关3GKX030故障开关4GKX031故障开关5GKX032故障开关6GKX033电空接触器2C主触头X034电空接触器1C，3C，4C，6C主触头X035电空接触器5C主触头X036励磁机励磁接触器LLC触头X037手动过度开关XKK1、XKK2，自动过度装置GDZ1X040自动过度装置GDZ2，手动过度开

54、关XKK2X041牵引-制动转换开关lHKg2、2HKg2X042自负荷接触器2ZFK，5ZFK触头X043压力继电器开关3YJ，4YJX044故障励磁开关9KX045牵引发电机过流继电器LJ触头，接地继电器DJ触头X046水温继电器WJ触头，通风保护差动继电器FSJ触头X047自负荷接触器1ZFK，3ZFK，4ZFK，6ZFK触头X050备用X051备用X052备用X053备用X054备用X055备用X056备用X057备用二、数字量输出部分数字量输出地址分配表如表2-2所示。表2-2 输出地址分配输出地址对应输出设备Y000 启动机油泵接触器QBCY001启动接触器QCY002联合调节器D

55、LSY003经济电阻RDLSY004燃油泵电动机接触器RBCY005红色信号灯1XDY006辅助励磁接触器FLCY007固定发电接触器GFCY010空压机接触器YCY011中间继电器1ZJY012中间继电器2ZJY013牵引电空阀HKgY014前进电空阀HKf1Y015前进电空阀HKf2Y016牵引电空阀HKg1Y017励磁机励磁接触器LLCY020步进电机绕组NaY021步进电机绕组NbY022步进电机绕组NcY023电空接触器1CY024电空接触器2CY025电空接触器3CY026电空接触器4CY027电空接触器5CY030电空接触器6CY031牵引发电机励磁接触器LCY032电阻制动接触

56、器ZCY033磁场削弱组合接触器XC1Y034磁场削弱组合接触器XC2Y035故障励磁接触器GLCY036备用Y037备用Y040备用Y041备用Y042备用Y043备用Y044备用Y045备用Y046备用Y047备用 三、内部继电器部分内部继电器地址分配如表2-3所示。表2-3 内部继电器地址分配内部继电器功能M0对柴油机进行水温保护M1步进电机A相接受脉冲M2步进电机B相接受脉冲M3步进电机C相接受脉冲M8040步进顺控，脉冲转移保持M8041步进顺控，脉冲转移开始M8042步进顺控，启动脉冲M8043步进顺控，IST步进指令，监控有效四、定时器部分定时器地址分配表如表2-4所示。表2-4

57、 定时器地址分配 定时器功能T0启动接触器QC线圈得电受到延时45s控制T1当水温超过88时定时以冷却水温T2限时通过脉冲第二节 PLC的I/O接线图设计在I/O线路图设计中，充分考虑机车已有电器的直接使用，不需要增加另外的电器。手动电器的操作顺序及用途与原控制电路系统相同。采用PLC控制的机车操纵方法与原控制电路和机车相同。在进行PLC的I/O接线图设计之前首先对它的输入/输出接线方式进行选择。按PLC输入接线方式的不同开关量输入模块可分为汇点式输入和分组式输入两种。汇点式输入的所有输入点只共用一个共用端；而分组式输入是将输入点分成若干个组，每一组共用一个公共端，各组之间是分隔的。分组式输入

58、的每点平均价格较高。由于控制输入信号之间不需要分开，因此采用汇点式输入接线方式。由于选用的PLC输入点数为不小于40点，属于高密度输入，在设计时要考虑同时接通的点数不超过输入点数的60%。按PLC的输出接线方式的不同有分组式输出和分隔式输出两种。分组式输出是几个输出点为一组共用一个公共端，各组之间是分隔的，可分别使用不同电源。而分隔式输出的每一个输出点有一个公共端，各输出点之间相互隔离，每个输出点可使用不同的电源。主要根据负载的电源种类的多少而定。根据机车控制电路系统负载的电源，采用分组式输出。选择输出时，同样还要考虑到同时接通的输出点数量，同时接通输出的累计电流值必须小于公共端所允许通过的电

59、流值，如一个220V/2A的8点的输出，每个输出点可以通过2A的电流，但输出公共端允许通过的电流不是16A（28），通常要比此值小的多。一般情况下，同时接通的点数不要超出同一公共端输出点数的60%。根据上述要求，要注意在PLC进行控制时同时接通的点数也不要超出同一公共端输出点数的60%。开关量输入端接线方式采用汇点式输入方式，开关量输出端接线方式采用分组式输出方式。设计的控制电路用PLC的I/O接线图如附图三所示。由附图三控制电路用PLC的I/O接线图可以看出，电器线圈的正端线只受总控开关1K和机车控制开关2K的控制后，就连接在了一起。电器线圈的负端线分别与PLC的输出点连接，由附图三还可以知

60、道，PLC输入端电器的触头，只是用来通断输入点与COM点的。每一个输入点的通断电流只有十几毫安或几十毫安。通过这种连接方式，可以避免利用线圈电路中的连锁触头，完全提高了I/O线路的运行可靠性。另外，PLC输入线路中，手动电器间相互控制的关系及手动电器与自动电器间的控制关系，仍然与东风4系列机车控制电路相同，不做更改。在设计中留出了输入及输出点数的15%20%作为备用I/O点，以作为它用或以作为以后扩展功能用。在PLC输入端电路中，电空接触器1C到6C常闭触头的串联使用，电空接触器1C、4C、3C、6C常开触头的串联使用，电空接触器2C、5C触头的使用，方向转换开关1HKf与2HKf触头的串联使