蔣文濤，張俊

列車空調(diào)控制系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

蔣文濤1，張俊2

（1.施耐德電氣（中國(guó)）有限公司上海浦東分公司，上海201203；2.上海法維萊交通車輛設(shè)備有限公司，上海201906）

對(duì)比傳統(tǒng)的軌道交通車輛空調(diào)控制系統(tǒng)，結(jié)合工業(yè)控制領(lǐng)域的PLC產(chǎn)品，提出一種更優(yōu)的適合當(dāng)前列車空調(diào)控制系統(tǒng)的解決方案，能夠更好地滿足用戶對(duì)空調(diào)控制系統(tǒng)的需求，簡(jiǎn)單易操作、便于維護(hù)、可擴(kuò)展及實(shí)時(shí)狀態(tài)顯示。

軌道交通；空調(diào)；控制系統(tǒng)；優(yōu)化

0 引言

當(dāng)前軌道交通車輛使用的空調(diào)系統(tǒng)主要由車頂單元式空調(diào)機(jī)組、風(fēng)道、控制系統(tǒng)和緊急逆變系統(tǒng)等組成。列車空調(diào)系統(tǒng)控制器主要采用PLC或微處理器，控制器采集車廂內(nèi)外溫度傳感器信息，與列車控制系統(tǒng)TM S（train m anagem ent system）通信（信息傳輸、軟件更新等），根據(jù)采集的溫度傳感器值判斷車輛冷熱負(fù)荷需求，從而啟動(dòng)相應(yīng)的工作模式（如通風(fēng)、制冷或加熱等）。控制器采用PID調(diào)節(jié)輸出[1]，以保證客室始終保持在所需的溫度（控制精度±1K）。同時(shí)，控制系統(tǒng)對(duì)空調(diào)機(jī)組進(jìn)行診斷，將空調(diào)系統(tǒng)各部件的狀態(tài)信息及故障信息發(fā)送給車輛級(jí)控制器。通過RS232/USB接口與本地電腦連接，上傳或下載。每節(jié)車廂的空調(diào)控制器通過總線與列車網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，具體形式根據(jù)車輛級(jí)的總線結(jié)構(gòu)進(jìn)行選擇，如：R S485、M V B、CA N等。

1 控制系統(tǒng)實(shí)例

以上海地鐵某軌道交通線路的空調(diào)控制系統(tǒng)方案為例，該條線路列車編組為每列車6節(jié)乘客室車廂和2個(gè)司機(jī)室。每節(jié)乘客室列車布置2臺(tái)頂置式空調(diào)機(jī)組，這2臺(tái)空調(diào)機(jī)組共用一塊微處理控制器，每個(gè)司機(jī)室單獨(dú)配置一臺(tái)空調(diào)機(jī)組（如圖1所示）。

圖1 一種典型列車空調(diào)系統(tǒng)的通信方案

通信特點(diǎn)如下：

（1）6節(jié)乘客室的空調(diào)控制器分別通過M VB總線與列車控制系統(tǒng)TM S通信，但每節(jié)乘客室的空調(diào)控制系統(tǒng)互相之間不連通。

（2）司機(jī)室空調(diào)機(jī)組控制器通過CA N總線與相鄰的乘客室空調(diào)機(jī)組通信。

（3）每節(jié)乘客車廂及司機(jī)室的空調(diào)控制板上均設(shè)有一個(gè)本車手動(dòng)調(diào)節(jié)開關(guān)（圖1中僅標(biāo)出一節(jié)車廂的調(diào)節(jié)開關(guān)，其余5節(jié)車廂及司機(jī)室未標(biāo)出）通過CA N與該車空調(diào)控制器連接，通過該旋鈕開關(guān)，可以手動(dòng)實(shí)現(xiàn)測(cè)試、自動(dòng)、關(guān)閉及溫度設(shè)定值的調(diào)節(jié)功能。本車調(diào)節(jié)開關(guān)的優(yōu)先級(jí)高于列車網(wǎng)絡(luò)TM S。當(dāng)本地調(diào)節(jié)開關(guān)位于自動(dòng)模式時(shí)，客室空調(diào)系統(tǒng)受TM S網(wǎng)絡(luò)集中控制，車廂內(nèi)溫度設(shè)定值根據(jù)U IC553或EN 14750標(biāo)準(zhǔn)自動(dòng)運(yùn)行[2]（如圖2所示）。當(dāng)本車調(diào)節(jié)開關(guān)位于溫度選擇按鈕“如21，23，25，27”時(shí)，則該檔位顯示的值就是此列車車廂的目標(biāo)溫度設(shè)定值。

（4）空調(diào)控制器的維護(hù)接口為R S232或U SB。

（5）控制系統(tǒng)不具備在線診斷功能，僅能提供故障代碼存儲(chǔ)，用戶需根據(jù)故障代碼查找有關(guān)的文件（如用戶手冊(cè)等）去查詢可能的原因及處理方法。

圖2 車內(nèi)設(shè)定溫度與外溫的關(guān)系

2 列車空調(diào)系統(tǒng)新的控制需求

隨著高速列車、城市軌道車輛的迅速發(fā)展，大量高檔舒適的列車逐步投入運(yùn)營(yíng)，既節(jié)能又舒適成為軌道交通發(fā)展的首要議題。從而對(duì)列車空調(diào)系統(tǒng)提出了許多新的需求，如上海地鐵公司對(duì)上海軌道交通12號(hào)線及后續(xù)線路技術(shù)招標(biāo)，就提出了以下要求：

（1）控制單元具有故障診斷和信息存儲(chǔ)功能。故障信息至少包括：故障代碼、產(chǎn)生原因、產(chǎn)生與消失的時(shí)間和故障檢查、維修建議。

（2）用戶能用PTU（手提式檢測(cè)單元）通過標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口與控制單元通信。

（3）客室電氣柜中設(shè)置本車空調(diào)開關(guān)和指示燈，本車空調(diào)溫度設(shè)定能通過“-2 K、-1 K、0 K、+1 K、+2 K”等調(diào)節(jié)檔位進(jìn)行調(diào)節(jié)。

國(guó)內(nèi)車輛制造廠對(duì)鐵道部CR H系統(tǒng)高速列車空調(diào)系統(tǒng)也提出了相應(yīng)的控制要求，如：

（1）空調(diào)控制器設(shè)有故障信息存儲(chǔ)器，存儲(chǔ)方式為FIFO，故障信息存儲(chǔ)格式及存儲(chǔ)容量不小于1G B。

（2）通過M V B接口使列車控制系統(tǒng)具有在線診斷故障的功能，并提供故障處理方法。

對(duì)比用戶新的需求，現(xiàn)有控制系統(tǒng)已經(jīng)不能完全滿足要求，如信息存儲(chǔ)格式、內(nèi)存大小、IP通訊、在線故障診斷等。

存在的主要問題如下：

（1）當(dāng)前大多數(shù)列車空調(diào)控制系統(tǒng)所采用的控制器內(nèi)存較?。ㄓ械膬H以kB計(jì)），只能存儲(chǔ)簡(jiǎn)單的文字如.txt格式，不能存儲(chǔ)動(dòng)畫、圖片等大容量文件。用戶只有通過PTU（Portable Test Unit）從空調(diào)系統(tǒng)控制器（或者列車控制系統(tǒng)TM S）中下載相應(yīng)的文字記錄如故障代碼、故障信息等，再根據(jù)故障代碼或信息去查閱有關(guān)的文件（如用戶手冊(cè)等），對(duì)故障的判定、維修方法等作出響應(yīng)。

（2）該本地控制僅僅能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的模式操作，并不能直觀顯示該車當(dāng)前的進(jìn)出風(fēng)溫度信息、空調(diào)各元器件的工作狀態(tài)、故障信息等。

（3）對(duì)車輛而言，空調(diào)機(jī)組的能耗占有很大比重，提供既可靠又節(jié)能的空調(diào)機(jī)組是很多地鐵運(yùn)營(yíng)公司、鐵道部各路局所期望的?？照{(diào)機(jī)組運(yùn)行的真正能耗也是最終用戶所關(guān)注的，他們希望能夠清楚地看到實(shí)際耗能，以便進(jìn)行節(jié)能分析。目前的列車空調(diào)控制系統(tǒng)基本沒有實(shí)現(xiàn)此功能，至多也只是嘗試在車廂中增加電能表（上海地鐵在軌道交通4號(hào)線列車改造項(xiàng)目中，曾嘗試少量車廂增加電能表來記錄空調(diào)機(jī)組的功耗）。常規(guī)電能表的增設(shè)不僅需要在車廂內(nèi)找出合適的地方安裝該設(shè)備，也面臨與原有控制系統(tǒng)的兼容問題。

（4）隨著技術(shù)的發(fā)展，除了本車上傳/下載信息、更新控制軟件等，維護(hù)人員更希望直接在車站列車控制室就能遠(yuǎn)程訪問、查看各空調(diào)機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)和故障診斷等。發(fā)現(xiàn)問題，指導(dǎo)維護(hù)人員迅速處理，避免空調(diào)機(jī)組的停機(jī)對(duì)列車運(yùn)營(yíng)的影響。

圖3 控制方案優(yōu)化后的列車空調(diào)系統(tǒng)控制策略

3 列車空調(diào)控制系統(tǒng)的改進(jìn)

列車空調(diào)領(lǐng)域的相對(duì)特殊性，控制技術(shù)與其他工業(yè)領(lǐng)域（特別商用空調(diào)）有較大的差異及獨(dú)特性，一些新型控制技術(shù)或完善的控制方案等并沒有在列車領(lǐng)域進(jìn)行嘗試或批量應(yīng)用。上海某公司提供給希臘雅典某地鐵線路的車輛空調(diào)系統(tǒng)，根據(jù)客戶的需求，選型某公司的工業(yè)控制產(chǎn)品，在樣機(jī)階段進(jìn)行過一定的技術(shù)改進(jìn)（如圖3所示，圖中僅顯示出一節(jié)車H M I顯示屏及電能模塊，其余5節(jié)車廂未標(biāo)出，司機(jī)室可通過相鄰車廂顯示）：

（1）原每節(jié)車的旋鈕開關(guān)改為1個(gè)LCD/LED顯示屏（如圖3所示），該顯示屏可以通過TCP/IP或RS485協(xié)議連接本車廂控制2臺(tái)空調(diào)機(jī)組的控制器。每節(jié)車廂的空調(diào)控制器通過Ethernet與列車控制系統(tǒng)TM S相連。同時(shí)冗余設(shè)計(jì)第1節(jié)及第6節(jié)車廂的控制器通過M VB或RS485總線與TM S通信。

（2）本車H M I顯示屏可以外聯(lián)打印機(jī)、個(gè)人PC等進(jìn)行信息輸出；同時(shí)從顯示屏上可以直接讀取信息，如溫度傳感器值、風(fēng)機(jī)及壓縮機(jī)等主要部件工作狀態(tài)、運(yùn)行時(shí)間累積、制冷系統(tǒng)高低壓等；故障庫(kù)及相應(yīng)的診斷維修建議也可通過顯示屏幕直接查詢，無(wú)需查找其他繁瑣的文件。人機(jī)界面根據(jù)不同項(xiàng)目需求可以編輯，從而更友好更實(shí)用。

（3）與顯示屏相連的本車空調(diào)控制器與原有的控制器功能類似，但考慮更靈活的模塊擴(kuò)展功能，滿足不同I/O點(diǎn)位數(shù)的需求。通過顯示屏也可以對(duì)本車空調(diào)機(jī)組進(jìn)行工作模式設(shè)定，本車顯示屏對(duì)比TM S網(wǎng)絡(luò)具有優(yōu)先級(jí)別，操作模式“O FF/自動(dòng)/測(cè)試”可選。

圖4 壓縮機(jī)狀態(tài)及故障信息（維護(hù)軟件）

（4）列車控制系統(tǒng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控通過TCP/IP協(xié)議可訪問每節(jié)車的空調(diào)控制器，實(shí)現(xiàn)車站運(yùn)營(yíng)監(jiān)控室對(duì)每列車空調(diào)系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（5）本車控制系統(tǒng)集成一個(gè)電能計(jì)量模塊（圖3中僅示意一節(jié)車廂），該模塊通過脈沖輸出給本車空調(diào)控制器，控制器處理后再通過Ethernet或RS485實(shí)時(shí)在本車H M I顯示空調(diào)機(jī)組的功耗，同時(shí)也可上傳至列車控制系統(tǒng)TM S。

樣機(jī)測(cè)試階段，通過維護(hù)軟件對(duì)空調(diào)機(jī)組運(yùn)行、通訊等進(jìn)行逐項(xiàng)測(cè)試（如圖4為維護(hù)軟件對(duì)壓縮機(jī)的測(cè)試）。

1）機(jī)組內(nèi)各主要部件（壓縮機(jī)、風(fēng)機(jī)等）、控制元器件（接觸器、空開等）的工作狀態(tài)；2）模擬各種報(bào)警信號(hào)；3）機(jī)組各種操作模式的運(yùn)行及功耗的采集；4）本地顯示屏對(duì)空調(diào)的控制，空調(diào)控制器與TM S的通訊等。

通過測(cè)試，顯示屏能夠?qū)Ρ拒嚳照{(diào)實(shí)現(xiàn)模式控制，記錄新風(fēng)/回風(fēng)等溫度傳感器信息，能與本車控制器正常通訊，電能模塊記錄空調(diào)機(jī)組的功耗，IP網(wǎng)絡(luò)通訊正常，達(dá)到設(shè)計(jì)預(yù)期。實(shí)際交付項(xiàng)目控制系統(tǒng)選用了E thernet及本車顯示屏。

4 新列車空調(diào)系統(tǒng)控制方案特點(diǎn)

對(duì)比傳統(tǒng)的軌道交通車輛空調(diào)控制系統(tǒng)中的控制邏輯及方案，新的控制方案特點(diǎn)如下：

（1）本地運(yùn)行參數(shù)顯示更加合理，輸出端口/可靠性等較旋鈕調(diào)節(jié)開關(guān)有比較大的飛躍。特別是電能模塊的增加，讓實(shí)時(shí)電量顯示變得容易?？刂破骺蓴U(kuò)展4G B以上的內(nèi)存容量讓存儲(chǔ)文件變得豐富多彩。

（2）技術(shù)方案中采用的工業(yè)控制器、顯示屏等，均為技術(shù)成熟、市面上大規(guī)模批量應(yīng)用的產(chǎn)品。

（3）新型PLC控制器體積小巧，接線及安裝簡(jiǎn)單，可擴(kuò)展性強(qiáng)，具有強(qiáng)大的通信能力。支持Ethernet、R S485等各種常用的總線協(xié)議，且可以連接靈活開放的控制系統(tǒng)。

（4）現(xiàn)有的解決方案為每節(jié)車廂1個(gè)控制器控制2臺(tái)空調(diào)機(jī)組。對(duì)于成本非常敏感且無(wú)需本地顯示、調(diào)節(jié)的項(xiàng)目需求，一列車可以只采用2臺(tái)控制器（主備）輔助I/O模塊來控制全部12臺(tái)空調(diào)機(jī)組（以6節(jié)車輛編組為例），電能模塊的優(yōu)化等解決方案后續(xù)將繼續(xù)予以研究。

[1]馬文，吳鵬.上海地鐵D A 01型電動(dòng)列車空調(diào)控制系統(tǒng)改造升級(jí)研究[J].發(fā)電與空調(diào)，2015，36（02）：78-81.

[2]H eating,ventilation and air-conditioning in coaches：U IC 553-2004[S].

Optimization of Air Conditioning Control System of Railway Train

JIANG Wen-tao1，ZHANG Jun2
（1.Schneider Electric（China）Co.，Ltd，Shanghai 201203，China；2.Shanghai Faiveley Railway Technology Co，Ltd，Shanghai 201906，China）

Integrating the industrial PLC control product,this paper introduces a new and better solution for the currentrailway train air conditioning control system，com paring the traditional railw ay train air conditioning system.It is better to reach the custom er requirem entw ithoutsignificantincrease in the cost.Easy to operate，easy to m aintain，expand and real-tim e statusdisplay.

rail transit；air-conditioning；control system；optim ization

TU 831

B

2095-3429（2017）01-0078-04

2016-06-21

修回日期：2016-12-22

蔣文濤（1980-），男，湖北人，工學(xué)碩士，從事制冷/空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究工作；

張?。?974-），男，上海人，工學(xué)學(xué)士，從事列車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及研究工作。

D O I：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2017.01.019