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1. 前言

      在 2000年以前，在我部运用的内燃机车中仍有 3台机车沿用继电器联锁的控制方式。这种方式，布线复杂，可靠性差，故障查找困难，维修不便。部分触点因长期在大电流通过的情况下动作，造成惯性灼伤，频繁烧损。特别是机车风泵的控制电路中采用串电阻三级起动，极易造成电阻箱烧损和起动电流大的故障。由于各种机车电气故障居高不下，直接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不便。

      近年来， PLC应用技术发展迅速，在工业控制的众多领域都得到广泛的应用；特别是在机车电气控制系统中大量运用。为此我们与四方机车车辆厂合作，采用 PLC对现有的 GK1F机车进行改造，取得了良好的效果。此举措不仅可以大大地简化线路，而且在电气系统运行可靠性有了显著提高。同时还改变了风泵电机的起动方式，降低了故障率也使维修人员维修方便，提高了工作效率。

2. GK 1F 型机车 PLC电气控制系统设计

2.1 电气系统的改造设计思路

      根据我部原有电气系统为 PLC控制的 GK1F机车（ 1021— 1024）和 GK2B机车（ 1001、 1002），以及资阳机车车辆厂改造的 PLC控制的 GK1F机车（ 1006— 1007）；根据各种情况综合对比我们选择与青岛四方机车车辆厂联合对我部剩余的三台机车进行改造。其电气系统的设计思想与 GK1F机车和 GK2B机车的电气系统相近；且各配件与这两种机车的配件基本相同，便于维修和互换。在具体设计思想上维持原继电器、接触器控制系统的逻辑顺序和控制原理。

2.2 PLC 的 I/O点数选定

      在控制电路中，输入 PLC的控制信号为 32点，包括司机指令信号（如司机控制器、各琴键开关、按钮开关等元件的触点信号）和机车状态信号（如温度继电器、压力继电器、柴油机转速信号和机车速度信号等）。 PLC输出的控制信号点数为 32点，包括动作执行元件（各接触器线圈、电空阀及去电子调速箱的控制信号）。

2.3 硬件组成

2.3.1 PLC 系统

       这是整个系统的核心部分，采用的是日本三菱公司的 FX2— 80MR— D型 PLC。该机型为整体式 PLC机，结构紧凑、体积小、重量轻，具有很强的抗干扰能力和负载能力。而且 FX2系列 PLC机是三菱公司 90年代初推出的产品，它的大的特点是在小型机上实现大型机的功能，可与计算机自由联接。（性能参数见表 1）该机型有 40个输入点和 40个输出点。不带扩展模块，完全满足系统的要求。机车速度和柴油机转速传感器采用了目前铁路机车通用的数字式测速传感器。

表 1    FX2系列 PLC机功能技术指标表

2.3.2 输出驱动部分

      因为输出部分控制的负载多为感性负载，为此选用固态继电器进行功率放大。但在电路中未加设二极管保护和过压吸收电路；仅在发电机回路中加装了过压吸收保护电路。

2.3.3 电源部分

       系统需要用 DC24V 供电，而机车电源为 DC110V 。因此需要一个将 DC110V 转换为 DC24V 的专用开关电源。在改造过程中选用了由四方机车车辆厂设计制造的专用开关电源。该电源有较宽的输入范围（ DC30V — DC135V ），既能满足柴油机起动时蓄电池压降大的需要，又不至于电压失调时的过压冲击。

2.4 PLC 控制系统的程序设计

      该控制系统的程序设计由四方机车车辆厂设计院设计，程序大多根据原机车电气原理图的控制方式编写。在程序设计时取消了原电路中所有的中间继电器、时间继电器和大部分中间起联锁作用的接触器的辅助触点；同时还取消了原有的电气换档装置和机车超速保护装置。这些装置的功能完全由程序控制来实现，使电路得到了简化且功能进一步增强。此外还增加了柴油机工作计时表，准确的记录了柴油机的工作时间；为检修人员确定柴油机的修程提供了参考依据。下面仅对系统改造中程序设计的几个关键环节进行阐述。

2.4.1 柴油机无级调速控制

      柴油机调速系统在此前已经进行了改造，由原来的电空阀——操作风缸控制改为步进电机无级调速。所以在这次改造中对于柴油机调速系统仍沿袭以往的程序设计；使 PLC输出 4个信号（调速 1至调速 4）；这 4个调速信号经放大后作为信号向电子调速控制箱提供输入信号。

2.4.2 电气换档改造

      电气换档系统设计了两种换档方法；一种为柴油机 3把位以上换Ⅱ档，无须采集柴油机转速信号。另一种为分别采集机车速度信号和柴油机转速信号，对两信号进行比较；当达到设定值时机车换档。其具体换档点速度见表 2。

表 2  机车换档点速度表（ 50km/h限速）

2.4.3 风泵起动电路

      风泵起动电路取消了原有的串电阻起动方式，改为降压起动方式。当输入信号满足风泵打风时，在发电机降压 3 秒钟后输出风泵起动信号风泵起动。并设计程序防止两风泵同时起动；以减少对主电路和发电机的冲击。

3. 其它外部电路设计

在外部电路改造中大量的利用了原有的电路，尽量节约及减少工作强度。下面对以下几个主要电路的改造进行分析。

3.1 发电机——电压调整器电路的改造

      本次改造对发电机——电压调整器电路进行了较大的改造，其中电压调整器采用四方机车车辆厂设计制造的电压调整器，具有降压功能，可以与 TPZ9型电压调整器互换使用。电压调整器的降压信号由 PLC提供；在外部电路加设了三个大功率二极管用于过压吸收从而消除发电机发电初始和发电结束时产生的过电压对其它电路的影响。

3.2 电气换档电路改造

       电气换档系统经过改造后取消了原有的电气换档装置并对机车速度信号传感器和柴油机转速传感器进行了改造；这两种传感器均采用目前铁路上通用的数字传感器。柴油机转速传感器采用电磁式转速传感器，其安装位置位于液传箱弹性联轴节后部；机车速度传感器采用上海德意达生产的速度传感器；其安装位置在机车第二动轮右侧的轴箱端盖上。

4. 结束语

        采用了 PLC 改造 GK1F机车电气控制系统，改变了机车传统的电气控制方式。 PLC的输入、输出部分和固态继电器均有发光二极管显示，方便了检修人员查找电气故障，提高了检修效率，进而提高了机车利用率。自改造至今电气故障大大减小，设备利用率提高经济效益显著。

        但在我们也应当看到，我们对 PLC的应用还是比较初级的。在状态检测和状态记录、无级调速的步进控制（直接采用 PLC控制，取消原来的电子调速控制箱），以及人机界面的适时显示均是空白。随着技术的提高，我们不应当满足现有的改造，应当在上述方面进行进一步的提高，从而创造更大的经济价值。

1  概述
     我厂建于 80年代初期，位于贵州省北部、距省会贵阳 105公里 ,距遵义 45km，原电站设计装机容量为 630MW，安装 3台单机容量 210MW水轮发电机组。电站在系统中的主要作用是调峰、调频，承担系统事故备用，是一项以发电为主的综合利用工程。早期的机组自动化及其辅助设备完全采用电磁继电器方式参与控制，盘柜庞大、臃肿，接线复杂，其安全、稳定性能低，抗干扰能力差，设备故障、事故频繁发生。我厂机组及其辅助设备 PLC改造大致分为三个阶段： 90年代中期开始着手机组及其辅助控制设备的改造，于 1996年底成功完成机组进水口闸门的 PLC改造，是我厂的一次成功尝试； 1998年初对 3#发电机组进行自动化元件改造， 1999年完成全厂辅助设备的 PLC安装调试工作； 2000年底至 2001年初完成三台机组及公用系统的计算机监控系统安装调试，使我厂的计算机监控系统走向完善和成熟；更为乌江公司培养出一批实力雄厚的机组计算机监控技术人才。
2  PLC 在我厂的运用范畴
2.1  我厂机组的顺序控制
    我厂的自动操作包括水轮发电机组各种工况转化，机组辅助设备的调整和对全厂的公用设备进行的自动化控制，这类控制在自动控制范畴内属于顺序控制系统，每个顺序控制都是按照生产流程的要求及生产设备的特点来设定。
2.2  根据操作对象可分为
2.2.1   机组自动操作
    要求以一个脉冲自动按预定的顺序完成下列操作，即机组的自动开机至空载、开机至空转、发电转空载、发电转空转、发电转停机、发电转调相、调相转发电、调相转停机等，其操作对象包括水轮发电机及调速器、励磁系统、机组冷却系统等附属设备。
2.2.2   公用设备的操作
    公用设备包括整个厂房排水系统、给排油系统、高低压压缩气系统、智能直流模块整流电源与蓄电池浮充系统、厂用电系统等，远线控制时还包括自动准同期并网装置。
2.2.3   全厂性的操作
    全厂性的操作包括消防报警系统、通讯系统、开关站开关、刀闸设备等操作。对以上这些自动操作的总体要求是运行安全可靠、维护方便、清晰明了、经济合理。
3  PLC 在我厂顺序控制中的运用
    所谓顺序控制是指生产设备及生产过程，根据工艺要求按照逻辑运算、顺序操作、定时和计算数等规则通过预先编制的程序，在现场输入信号（包括开关量、模拟量）的作用下，执行机构按预定程序动作，实现以开关量为主的自动控制。我厂 PLC 的设计安装就是根据这一原则来实现的。其输入主要是靠按钮、行程开关、限位开关、动断触点等开关量为主的控制、信号。输出为继电器、电磁阀等驱动元件。 PLC 内部控制部分有定时器、计数器、中间继电器等元器件以及许多的常开、常闭触点 。而传统的顺序控制是由继电器控制屏来实现的，由于设备体积大、功耗高、动作速度缓慢、接线复杂、通用性、灵活性差、维护工作量大、故障频发率高而导致可靠性差，没有计算和储存功能，而
PLC 控制系统克服了继电器控制的弱点，把计算机技术与继电器控制有机地结合起来，为工业自动化提供了十分完美的现代化控制装置，其优越性主要表现在：
3.1   PLC 是继电器、接触器、顺序控制器以及由中、小规模的集成电路及其它电气元件的复杂控制系统装置上发展起来的一种新型控制器，采用微电脑技术（大规模集成电路）取带了以往靠硬导线布线的逻辑控制器，具有成本低，功耗、体积小，重量轻等特点。
3.2  PLC 的配置
    一套完整的 PLC 主要由 6 个模块构成：电源模块、 CPU 模块、热备模块（可选）、开入 / 开出（ I/O ）模块、 A/O 模块、通讯模块。其中电源模块向 PLC 提供直流 24V 工作电源； CPU 是微型处理器（ PLC 的核心部位）；热备模块是在两套 PLC 均为在线方式下互为热备用，并且可以人为任意切换至工作或备用状态，提高安全可靠性；开入 / 开出（ I/O ）模块是指外围回路向 PLC 输入高电平（或低电平）和 PLC 向外围回路输出高电平（或低电平）；模数转换（ A/O ）模块是将外围设备输入的电信号转换成数字信号，以供 PLC 进行计算、判断、比较和传输。
3.3  由于 PLC 容易与工业控制系统连成一个整体，易于扩展功能，具有接口简单快捷、工作量小、适合于较为恶劣的运行环境、故障率低、可靠性好、抗电气干扰能力强，维护方便等优点。
3.4  PLC 采用扫描式的工作方式，特别适合于逻辑控制要求较高的顺序控制。
3.5 我厂的顺序控制系统流程较为复杂， 90 年代前期所用常规的继电器硬线控制方式规模庞大、维护困难、故障和事故发生机率较高，出现故障后不利于查找并消除故障，设备隐患较多，在我厂采用传统方式的继电器顺序控制方式，其安全生产记录常常打破，我厂采用 PLC 控制后，不仅提高了设备可靠性，而且对设备的检修维护都十分方便快捷，无需将机组及附属设备退出运行即可解决，大大提高了工作效率，而安全生产记录已接近 3000 天，创历史高记录。

4  我厂机组顺序控制程序的设计
    通过对已实施的进水口工作闸门、机组辅助设备 PLC 控制系统改造并结合其它电厂的成功经验，严格遵循电力生产必须安全可靠、经济使用、适合发展的原则，于 2000 年初我厂着手 2# 机组的计算机监控系统工程的调研和设计工作，并不断地派出工程技术人员与科研单位进行协作。首先根据机组整个生产控制过程的要求把程序进行分块；其次是合理利用指令，严格注意信号名称定义，利用各种方法正确地编写各个程序块的程序；然后经过单元调试，软硬件联调与系统总调，对程序进行不断修改和完善，经过不停的模拟试验后投入实际现场工作。分块结构的程序是根据工程的特点，把一个控制工程分成多个简单的、规模较小的控制任务；然后把这些控制任务分配给一个子程序块，并在子程序中编制具体任务的控制程序，后由一个主程序进行统一管理，以备流程需要时进行适时调用，如：自动开机至空转、开机至空载、发电转空载、发电转空转、发电转停机、发电转调相、调相转发电、调相转停机等就是不同的子程序块。现以停机至发电子程序块程序逻辑为例 。