|
摘要：本文介紹了一種地鐵列車空調控制器的設計與應用，詳細描述了該控制器的硬件配置和軟件設計。空調機組調試結果表明，該控制器運行穩定可靠，可以快速實現各種控制和保護功能，確保地鐵列車空調系統的安全和連續運行。
關鍵詞：地鐵列車，空調控制器，空調機組控制與保護
資料提供：本文涉及方案已在用戶現場實施，技術方案先進，運行穩定。歡迎聯系藍普鋒深入探討、交流。
__________________________________________________________________________________
1 引言
作為一種快速、舒適和環保的交通工具，地鐵在我國的各大城市開始迅速地投入建設和使用，已經成為城市居民生活必不可少的交通工具。社會的進步，使人們對于乘坐地鐵時的舒適度提出了更高的要求，地鐵列車空調控制系統作為車廂空氣的溫度、濕度和氣流速度等參數的控制系統，對車廂內的舒適度控制起著至關重要的作用。本文分析了地鐵列車空調系統的控制要求，進行了控制系統的方案設計和硬件配置，根據不同的控制功能開發了空調機組的控制程序，較好地實現了多種控制功能。
2 地鐵列車空調控制器的功能分析
地鐵列車空調控制系統以空調控制器為核心，在斷路器、接觸器、繼電器和傳感器等相關電氣組件的配合下，自動完成地鐵列車空調機組的動作控制、運行保護、故障診斷和故障記錄等功能。地鐵列車空調控制系統的結構形式為控制柜形式。每節列車安裝一臺控制柜，負責控制每節列車的兩臺空調機組。每臺空調機組包括2臺通風機、2臺冷凝風機、2臺壓縮機、2組新風預熱器、2個新風閥和1個回風閥等設備，可以實現通風、半冷、全冷、預冷、半暖、全暖、預暖、減載、緊急通風和停機等功能。
（1）控制方式
地鐵列車空調控制系統主要通過空調控制器實現每節車廂內的環境調節，達到乘客所需的舒適性要求。在一般情況下，列車的空調系統由司機室集中控制，因此空調控制器需要具有完備的通訊能力，通過多功能車輛總線與列車管理系統進行信息交互，接收來自列車管理系統的指令，報告地鐵列車空調機組的工作狀態和故障信息�？照{控制器具有本地控制和遠程控制兩種模式。本地控制模式主要用于空調機組的調試，可以通過控制柜內的模式選擇開關實現對空調機組的控制，在列車網絡故障等緊急情況下也使用本地控制模式。在一般情況下使用遠程控制模式，空調控制器由司機室控制，可以單獨設定和操作每節車廂的空調機組，實現通風、半冷、全冷、預冷、半暖、全暖、預暖、減載、緊急通風和停機等功能。
（2）運行模式
空調機組具有制冷和制暖功能，以適應不同季節乘客的乘車環境需求。為了更好地為乘客提供舒適的環境，空調機組具有多種工作模式，主要包括通風、半冷、全冷、半暖和全暖等工作模式。
當車廂內溫度適宜時，空調機組并不需要啟動制冷或制暖，但列車是一個封閉空間，空調機組需要通風運行，以使車廂內空氣流通。當車廂內需要制冷，但制冷需求不是很大時，空調機組運行半冷模式。當車廂內的制冷需求增大時，空調機組運行全冷模式，空調機組的制冷系統全部運行。當車廂內溫度較低時，空調機組運行制暖模式，包括半暖和全暖。半暖時，開啟空調機組的一半制熱設備。全暖時，開啟空調機組的全部制熱設備。
（3）保護功能
為了保護機組，空調機組每個設備的啟動和停止需要遵循一定的時序。例如，機組的通風機未啟動時，該機組的冷凝風機不能啟動。機組的各個設備需要相應的保護，例如過載保護。當機組發生故障時，空調控制器應當及時進行處理，以免造成更大損壞。空調控制器還應有故障記錄功能，記錄故障發生時的詳細信息，以供列車維護人員和空調廠家進行維護分析。
3 地鐵列車空調控制器的硬件設計
通過分析地鐵列車空調系統的功能，北京藍普鋒科技有限公司專門設計了一種新型的地鐵列車空調控制器，外觀如圖1所示。
圖1 地鐵列車空調控制器
圖1所示的地鐵列車空調控制器集成了62路24VDC數字量輸入通道、44路繼電器輸出通道和4路熱電阻輸入通道，程序存儲區的最大容量為400K字節，數據存儲區的最大容量為15K字節，硬件定時器的最小時間單位為0.1ms，軟件定時器的最小時間單位為1ms，計數器的字長為16位，布爾量的運算速度為0.06μs。這種控制器具有集成度高、控制功能豐富、功耗低、實用性強、運算速度快、穩定可靠等特點。
空調控制器安裝在每節車廂的控制柜內。如果空調機組運行正常，并不需要經常操作空調的控制器，因此無須在每個控制柜內設置觸摸屏等顯示設備，而是通過控制器本身的指示燈面板顯示空調機組的運行狀態。在空調控制柜內安裝有空調模式開關，可以對空調控制器的工作模式進行設置。在正常情況下，列車管理系統通過多功能車輛總線與列車空調控制器進行通訊，再輔以模式開關和控制器指示燈，實現對空調機組的控制和維護。
根據地鐵列車空調系統的工作原理和控制要求，基于北京藍普鋒科技有限公司新型空調控制器的地鐵列車空調控制系統結構如圖2所示。
圖2 地鐵列車空調控制系統的結構
4地鐵列車空調控制器的程序設計
地鐵列車空調控制系統的主要的功能是對列車空調機組的各個設備進行控制，并判斷各個機組的工作狀態。根據地鐵列車空調控制系統的功能，將控制器的程序分為本地控制程序、集中控制程序、機組保護程序、網絡通訊程序和故障記錄程序等部分。由于控制器的程序功能較多且邏輯復雜，為了簡化程序，使其結構清晰、便于調試和維護，將程序按照不同的功能分為若干個子程序，每個子程序完成空調機組控制的一部分功能，通過主程序調用子程序，實現整個系統的控制。
4.1 本地控制程序
本地控制主要指由空調模式選擇開關控制機組的運行。司機室的空調模式選擇開關通過三個開關量點，按照BCD編碼的形式切換其中不同的狀態，分別是集控、停機、通風、半冷、半暖、全冷和全暖等7種工作模式。在各種工作模式下，機組的新風閥和回風閥均為打開狀態。
（1）集控模式
控制器工作模式由司機室集中控制。
（2）停機模式
除司機室送風單元外，其他所有設備均停止工作。司機室送風單元的起停，通過司機室的硬線信號來控制。
（3）通風模式
僅運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。
（4）半冷模式
運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動兩臺機組共四臺冷凝風機。再延時5s后，啟動機組1的一臺壓縮機。再延時3s后，啟動機組2的一臺壓縮機。
（5）全冷模式
運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動兩臺機組共四臺冷凝風機。再延時5s后，按順序啟動兩臺機組的4臺壓縮機，每臺壓縮機之間均延時3s啟動。
（6）半暖模式
運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動機組1的一臺新風預熱器。再延時5s后，啟動機組2的一臺新風預熱器。再延時5s后，啟動一組客室電加熱器。
（7）全暖模式
運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動兩臺機組共四臺新風預熱器，每臺新風預熱之間均延時5s啟動。新風預熱器全部啟動后，延時5s，啟動兩組客室電加熱器，這兩組客室電加熱之間需要延時5s啟動。
4.2 集中控制程序
當司機室的空調模式選擇開關切換到集控位時，控制器工作模式由司機室集中控制。集中控制分為停止、通風和網控等3種狀態，這3種狀態的開關為硬線輸入信號。
（1）當控制器檢測到開關狀態為停止時，空調機組不工作。
（2）當控制器檢測到開關狀態為通風時，空調機組工作在通風模式下，運行狀態與本地控制下的通風模式相同。
（3）當控制器檢測到開關狀態為網控時，空調機組由列車運行管理系統控制，列車司機通過觸摸屏來設置空調機組的運行狀態。網控的模式分為停止、自動冷、自動暖、通風、應急通風、半冷、全冷、半暖和全暖等9種模式。其中停止、通風、半暖、全暖、半冷、全冷的工作模式與本地控制下的停機、通風、半暖、全暖、半冷、全冷的工作模式相同。在網控的模式下，壓縮機的啟動需由列車運行管理系統發送的啟動命令來啟動。如果空調機組運行制冷需要啟動壓縮機時，只有接收到列車運行管理系統給本車廂發送的壓縮機啟動信號，才會啟動該壓縮機。
下面介紹網控的自動冷、自動暖和應急通風等3種工作模式。
（1）網控自動制冷模式和網控自動供暖模式
在每節車廂內設置2個新風溫度傳感器和2個回風溫度傳感器，將2個回風溫度傳感器的數值平均后作為機組的回風溫度。在司機室設定每節車廂的目標溫度后，空調控制器通過比較回風溫度和目標溫度，自動調整每節車廂的空調工作狀態。當每節車廂的乘客數量不同時，所需的制冷量或供暖量不同，機組可以自動改變工作模式，使本節車廂的空氣環境自動適應乘客的需求。
（2）網控自動應急通風模式
網控自動應急通風模式是指當地鐵列車在地下運行時，遇到停電等緊急情況時，為了保證列車內的空氣流通，使用備用電源，機組的通風機降壓運行。緊急通風模式主要受列車管理系統控制。當機組收到應急通風指令后，或當網絡故障時，空調系統檢測到主電源故障，延時2分鐘后，客室空調機組制冷和制暖系統、客室幅流風機、客室電加熱器、司機室送風單元停止工作。再延時5s后，接通機組緊急通風接觸器、司機室送風單元緊急通風接觸器、客室幅流風機緊急通風接觸器，然后向緊急通風逆變器發送啟動緊急通風的硬線信號，使系統工作在應急通風模式。在緊急通風模式下，機組的回風閥全部關閉，新風閥全部打開。
4.3 機組保護程序
地鐵列車空調控制系統具有故障處理功能。對于控制系統，不僅要求能夠控制各個設備的運行，而且要求當設備出現非正常情況時，能夠迅速做出應對措施，將故障的影響降低到到最小。
（1）風機過載保護
機組的風機包括通風機、冷凝風機和客室幅流風機。
當機組的某臺通風機發生過載故障后，該機組的冷凝風機和壓縮機停止工作，但需要保持另一臺通風機工作。如果該機組的兩臺通風機都過載，則該空調機組全部停機，不影響另一臺空調機組的工作。
當機組的某臺冷凝風機發生過載故障后，該臺冷凝風機停止工作，同時壓縮機也停止工作。如果持續5分鐘后，故障信號仍未恢復，則鎖死故障，即故障信號恢復后，也不會再啟動該臺冷凝風機，只有機組重啟或停機才能解鎖。當某臺冷凝風機故障鎖死后，另一臺冷凝風機也需停止工作，該機組僅保持通風運行。
當機組的客室幅流風機發生過載故障后，僅停止該客室幅流風機的工作。
（2）壓縮機保護
壓縮機是空調系統中最重要的設備，壓縮機的保護包括壓力保護、排氣溫度保護和過載保護等。
壓縮機的壓力保護分為低壓保護和高壓保護，二者的保護原理相似，均采用常閉的開關量信號進行判斷。當壓力故障信號產生后，壓縮機先停機2分鐘。如果2分鐘后壓力故障信號恢復，則壓縮機正常運行。如果仍未恢復，則鎖死故障。如果故障恢復正常，壓縮機運行2分鐘內再次發生故障，則鎖死故障。如果2分鐘內未發生故障，但是2至15分鐘內又發生故障，則故障次數增1并重新檢測故障。如果此種情況使故障次數超過3，則鎖死故障。
壓縮機排氣溫度保護也采用常閉的開關量信號進行判斷。當排氣溫度過高導致開關量斷開后，壓縮機停止工作并鎖死故障。
4.4 網絡通訊程序
由于列車空調系統要接受列車管理系統的集中控制，因此空調控制器應當按照列車管理系統的多功能車輛總線協議進行數據傳輸。在本系統中，空調控制器是從站，列車管理系統是主站，從站接受主站命令，實現數據傳輸。
4.5 故障記錄程序
空調控制器具有記錄故障信息的功能。當列車空調系統發生故障時，控制器便會記錄下故障發生的類型和時間等信息。空調控制器將故障信息利用堆棧的方式保存在本身的掉電保持區，最大可以存儲500條故障記錄，用于空調機組維護人員對列車空調系統進行綜合分析。
5 地鐵列車空調控制器的應用
基于北京藍普鋒科技有限公司新型空調控制器的地鐵列車空調機組如圖3所示。經過系統配套與聯調測試，該系統運行穩定可靠，完全滿足地鐵列車空調系統的要求，取得了非常好的效果，得到了用戶的好評。本新型空調控制器具有下列優點：
（1）空調控制器運行穩定，連續工作時間長，給地鐵列車空調系統提供了堅實保障。
（2）空調控制器具有模塊化的結構，使用簡單方便。
（3）各種保護迅速可靠，并且具備故障記錄功能，發現問題能夠及時解決，給用戶的使用帶來極大方便。
圖3 地鐵列車空調機組
該新型空調控制器的成功研發，不僅是空調控制器產品的一次超越，更體現了國產控制器在空調行業的應用中邁上了新臺階。以北京藍普鋒科技有限公司為代表的國產控制器越來越成熟和完善，為我國各行各業的自動化應用帶來了一個全新的面貌。
參考文獻
[1] 歐陽仲志，苗彥英．地鐵交通系統的環境控制和車輛空氣調節[J]．鐵道學報，1999(4):87~91．
[2] 徐向彬，龍靜．地鐵車輛空調溫度控制模型研究[J]．制冷與空調，2016(6):83~86．
[3] RPC2000系列可編程控制器硬件手冊[M]．北京藍普鋒科技有限公司，2016．
[4] RPC2000系列可編程控制器軟件手冊[M]．北京藍普鋒科技有限公司，2016．
[5] RPC2000系列可編程控制器指令手冊[M]．北京藍普鋒科技有限公司，2016．
|
