内燃机车电气控制系统的实践研究 Practical Study on Electric Control System of Internal Combustion Locomotive

邓小楚 DENG Xiao-chu

摘要：在隧道建设工程中经常会使用牵引车作为施工的重要操作工具，其中还包含着电力变频车和内燃机车两种类型。电力变频车应用蓄电池，从而保证机车的稳定运行，而内燃机车则是应用柴油机带动发动机，促进机械能与电能之间的灵活转换，然后通过电动机的控制保证内燃机车的运行。本文主要通过研究和分析内燃机车电气控制系统的实践，进一步推广内燃机车的应用，提高内燃机车电气控制的运转水平。

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.

關键词：内燃机;电气控制系统;实践研究

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

中图分类号：TK402            文献标识码：A                  文章编号：1674-957X（2021）22-0079-02

0  引言

内燃机具有先进性、稳定性以及低维护性的基本特点，同时内燃机还需要满足动力强劲、稳定速度、节能环保的要求，内燃机车的电气控制系统关系着机车的运行性能，特别是列车的安全正点以及高效低耗，是整个机车运行的核心。随着电力电子技术水平的提升以及信息技术的发展，机车逐渐淘汰了直流电机调速系统，开始应用全新的交流传动控制系统。

1  内燃机机车的主要运行优势

在改革开放的初期，为了合理控制铁路电气化基本建设的成本，率先发展的是热力机车，热力机车经历了创新和改革又发展成为蒸汽机车。在20世纪的末期，蒸汽机车逐渐不能与时代发展相适应，内燃机车应运而生，并逐渐成为热力机车中的主流机型[1]。内燃机车与蒸汽机车相比较，热效率更高，功率更大，且无需过多的水，整机联合控制更加方便快捷，驾驶员的工作条件也有所改善，经过反复地检测和验证，内燃牵引成为我国国内铁路运输的主要力量。内燃机车具备的主要优势有：速度快、启动时间非常短;功率比较大，具有很好的牵引性能;整机联控的效率非常高，能够充分释放染料的热能;适应性比较强，可以用于缺水地区;驾驶室的环境条件良好，视野开阔，为司机的驾驶操作提供便利条件。

2  内燃机车电气控制系统的综合实践分析

内燃机车的稳定运行能够很大程度上地缩短大直径隧道的距离以及运输数量多的问题。内燃机车中最为主要的动力来源就是内燃机，它是由液压驱动和转向架组成，在转弯半径的范围内轴载的参考数值比较小，能够在多种多样的轨道上正常运行[2]。一般情况下，内燃机车的制动方式主要以闸瓦制动作为根本的制动方式，将液压制动和排气制动作为辅助的制动方式。现阶段内燃机内的电气控制系统是微机系统以及PLC控制系统等等，在实际的应用过程中，这两种系统都存在着过大消耗机车能源的严重问题。不出意外的情况下，内燃机车能够依靠闸阀的制动开启运行模式，同时液压制动与排气制动能够辅助内燃机车的运行。目前内燃机主要是被微机系统和PLC系统所控制，但是在实际应用中却都出现了或多或少的能源消耗过量的问题。

本文主要论述CANBUS技术，将TTC60控制器作为核心的探究角色，并相对应提出能够创新和改进内燃机车电气控制系统的方法，旨在能够从根本上补充系统存在的缺陷，从而优化电气控制系统的效果[3]。在科学技术的大力支持下，人民群众逐渐开始重视生态环保，柴油机慢慢发展成为电力控制的模式，而其余的控制器之间的通信联系则是由CAN.0的J1939协议来实现，TTC60是开展机械工程时最常使用到的专业控制仪器，能够充分保障CA2N2.0通讯的流畅性。所以，将TTC60控制器应用在内燃机车的电气控制系统中，具有很大的优势。本文列举微机电气控制系统和PLC电气控制系统的实践案例，探究内燃机车电气控制系统的缺陷和不足，并根据具体的缺陷和不足提出相对应的改善策略：

首先，微机电子控制系统缺乏系统完善的恒功率控制功能，并且该系统无法保证内燃机车能够持续在规定的范围内保持运行状态，因此导致数据误差情况的发生，从而造成柴油机的功率提高，内燃机大量消耗机油耗费能源成本，降低经济效益。其次，微机电气控制系统的故障检测功能不够完善，在内燃机车产生异常情况时，微机电气控制系统不会自动进行检测，需要配合人工手动操作模式，这样的方式不能够及时地发现和排除故障因素，因此，在改进电气控制系统的过程中，需要完善系统的故障检测功能，并记录下导致故障的原因等等，为后续的工作提供参考，同时也为运行维护人员的正常工作提供支持。第三，PLC控制系统缺乏完善性。PLC控制系统具有非常复杂和繁多的操作功能，并且需要多个继发器和接触器作为辅助工作，PLC系统不完善是导致电气故障的主要因素，并且电气故障的维修成本比较高，排除故障的过程复杂，具有挑战性，由此导致内燃机车达不到理想的控制效果，对内燃机车的正常运行造成消极影响。

3  内燃机车电气控制系统的创新与改进实践研究

3.1 针对硬件系统的改进设计

在上述的电气控制系统的改进中，硬件系统包含TTC60控制器、LED显示屏、发动机控制器EMR。系统中的前向通道的组成部分包括信号传感器、调速手柄以及操作台按钮等等。执行系统包含电磁阀、信号灯和气动制动阀等等。首先我们来论述TTC60控制器，与一般使用的PLC控制器相比较，TTC60控制器主要具有以下几项优势：首先，控制器具有良好的抗震性能以及抗冲击性能，同时还具有稳固可靠的特点，它的防护等级高达IP67，该优势能够充分保障控制器在任何条件和任何环境中都能够正常地运行;其次，TTC60控制器的接口众多，其中包含开关输入输出接口、0-5V与0-30V电压输入与脉冲输入接口、0-20mA电流输入接口与脉冲输入接口等等;第三，具有高度的便捷性，用户可以结合内燃机车的控制需求自主设置输入接口和输出接口，还能自主设置电压以及短路的保障功能;第四，TTC60具有两个CAN总线，两个管线各自管辖不同的功能，具有良好的防干扰能力，两条总线分别是CAN0和CAN1，在设计系统的过程中，CAN0用于控制器的上位机通信的接口，将屏蔽交绞线作为通信介质。CAN1可以作为发动机控制器EMR的通信接口，根据改进后的系统分析，通信波特率达到250kb/s，CAN总线最长可以连接200m的通信。

3.2 软件系统的改进设计

软件系统能够随时随地显示内燃机车的运行参数，并且实时监督和控制内燃机车的运行状态，一旦出现系统不符合常规的情况，系统中装置的报警功能就会自动开启。软件系统是由TTC60控制器的程序设计和人机界面程序设计等软件所构成，电气控制系统的重点内容是针对程序的控制与协调，程序状态是否正常影响控制效果是否良好，软件系统的改进设计实践内容具体如下：首先我们针对控制程序的设计展开研究和分析，本文举例的TTC60控制器的程序是由发动机速度控制、智能控制等等六部分组成[1]。技术人员基于结构的组成设计程序，需要开闸以结构化和梯形图作为核心的设计工作。在内燃机的运行過程中，一般会遭遇以下几种工况。第一，内燃机车在进行爬坡运行时，需要适当地提升车速或是加大负载，这就需要在机车内部装置一个功率较大的泵;第二，内燃机的泵负载的数值过高或是压力的参数发生异常的情况下，TTC60控制器可以实时监测发动机的运行速度，根据运行效率发出指令，从而一点一点地让马达的速度减慢但是泵排量始终保持不变的数值，防止发动机在高度的负载状态下产生熄火的现象。本文提出的改进设计能够充分维护发动机的正常功率，延长发动机的使用寿命，且能够促进液压系统的稳定运行，从而发挥电气控制系统的环保价值。其次，人机界面的设计。人机界面需要符合高效和简洁的特点，通常情况下被应用在内燃机的运行检测方面，亦或是搜集导致故障的相关信息数据等等，同时还能够清晰明确地显示内燃机的性能指标。一般情况下，人机界面的设计包含以下几方面的内容。第一，设计主监控的画面，在TTC60电气控制系统中的主监控画面的上方显示的关于电压和燃油的液位，中间部分显示的是发动机的转速以及内燃机车的运行速度。当内燃机车出现异常情况时，画面的中央就会出现空色的标记，通过不断闪烁的形式进行故障报警[6]。第二，I0检测截面的设计，I0检测界面的设计主要是用于检测TTC60控制器里所有的I0点以及模拟量通道的运行情况，获取相关的参数等等。工作人员可以根据I0界面所显示的状态从而分析出故障的各项信息和数据。第三，设计状态检测页面，该页面是通过电气控制系统的信号传感器收集运行状态的信息。用户可以根据电气控制系统的状态设置参数标准，超过标准或与标准不符就会启动报警装置，比如，油位到达极限、系统压力值最大化等等，以此来保障内燃机车的安全性和稳定性。第四，设计故障管理界面，当内燃机车的运行发生异常时，电气控制系统就会自动启动报警装置，主监控的界面出现持续闪烁的红色标记，报警的蜂鸣器发出警报声音，故障的报警信息栏中会自动显示出故障所在的位置以及相关的信息，并经过系统的分析显示导致故障发生的原因。在这时管理人员按下系统的复位按钮，红色标记就将不再闪烁，报警蜂鸣器也不会再发出响声，但是信息栏的内容不会消失，一直持续到内燃机车排除故障之后。除此之外，本文提出的改进设计的系统还会对故障信息进行综合的记录，生成系统的档案，从而为内燃机车后期的维护和管理提供可以参考的数据和信息。

4  结束语

综上所述，本文以TTC60电气控制系统进行举例实践分析发现，该控制系统具有低能耗、高便捷的优势。通过实践分析，设计人员在设计电气控制系统的过程中，可以将CAN总线机TTC60控制器导入内燃机车中，不断地创新和完善设计内容，达到更加良好的设计效果，因此设计人员需要及时完善电气控制设备的硬件设施，在根本上保障电子控制系统的质量和稳定性，还要不断地创新和改进软件设施，提高设备的运行水平，保障内燃机车的正常运行，推动我国隧道工程行业的科学可持续发展。

参考文献：

[1]王宏亮，王双林，周鸿亮.基于内燃机车电气控制系统的应用[J].内燃机与配件，2020（8）：86-87.

[2]沈刚.内燃机车常见故障分析及维修措施研究[J].内燃机与配件，2021（16）：119-120.

[3]王凯.试论内燃机车的维护与保养[J].科技风，2020（17）：186，189.

[4]张海瑞.内燃机车主电路接地故障诊断方法探讨[J].中国设备工程，2020（5）：73-74.