列車空調控制系統的優化設計

蔣文濤，張俊

列車空調控制系統的優化設計

蔣文濤1，張俊2

（1.施耐德電氣（中國）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備有限公司，上海201906）

對比傳統的軌道交通車輛空調控制系統，結合工業控制領域的PLC產品，提出一種更優的適合當前列車空調控制系統的解決方案，能夠更好地滿足用戶對空調控制系統的需求，簡單易操作、便于維護、可擴展及實時狀態顯示。

軌道交通；空調；控制系統；優化

0 引言

當前軌道交通車輛使用的空調系統主要由車頂單元式空調機組、風道、控制系統和緊急逆變系統等組成。列車空調系統控制器主要采用PLC或微處理器，控制器采集車廂內外溫度傳感器信息，與列車控制系統TM S（train m anagem ent system）通信（信息傳輸、軟件更新等），根據采集的溫度傳感器值判斷車輛冷熱負荷需求，從而啟動相應的工作模式（如通風、制冷或加熱等）?？刂破鞑捎肞ID調節輸出[1]，以保證客室始終保持在所需的溫度（控制精度±1K）。同時，控制系統對空調機組進行診斷，將空調系統各部件的狀態信息及故障信息發送給車輛級控制器。通過RS232/USB接口與本地電腦連接，上傳或下載。每節車廂的空調控制器通過總線與列車網絡進行通信，具體形式根據車輛級的總線結構進行選擇，如：R S485、M V B、CA N等。

1 控制系統實例

以上海地鐵某軌道交通線路的空調控制系統方案為例，該條線路列車編組為每列車6節乘客室車廂和2個司機室。每節乘客室列車布置2臺頂置式空調機組，這2臺空調機組共用一塊微處理控制器，每個司機室單獨配置一臺空調機組（如圖1所示）。

圖1 一種典型列車空調系統的通信方案

通信特點如下：

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

（2）司機室空調機組控制器通過CA N總線與相鄰的乘客室空調機組通信。

（3）每節乘客車廂及司機室的空調控制板上均設有一個本車手動調節開關（圖1中僅標出一節車廂的調節開關，其余5節車廂及司機室未標出）通過CA N與該車空調控制器連接，通過該旋鈕開關，可以手動實現測試、自動、關閉及溫度設定值的調節功能。本車調節開關的優先級高于列車網絡TM S。當本地調節開關位于自動模式時，客室空調系統受TM S網絡集中控制，車廂內溫度設定值根據U IC553或EN 14750標準自動運行[2]（如圖2所示）。當本車調節開關位于溫度選擇按鈕“如21，23，25，27”時，則該檔位顯示的值就是此列車車廂的目標溫度設定值。

（4）空調控制器的維護接口為R S232或U SB。

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

圖2 車內設定溫度與外溫的關系

2 列車空調系統新的控制需求

隨著高速列車、城市軌道車輛的迅速發展，大量高檔舒適的列車逐步投入運營，既節能又舒適成為軌道交通發展的首要議題。從而對列車空調系統提出了許多新的需求，如上海地鐵公司對上海軌道交通12號線及后續線路技術招標，就提出了以下要求：

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

（2）用戶能用PTU（手提式檢測單元）通過標準以太網接口與控制單元通信。

（3）客室電氣柜中設置本車空調開關和指示燈，本車空調溫度設定能通過“-2 K、-1 K、0 K、+1 K、+2 K”等調節檔位進行調節。

國內車輛制造廠對鐵道部CR H系統高速列車空調系統也提出了相應的控制要求，如：

（1）空調控制器設有故障信息存儲器，存儲方式為FIFO，故障信息存儲格式及存儲容量不小于1G B。

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

對比用戶新的需求，現有控制系統已經不能完全滿足要求，如信息存儲格式、內存大小、IP通訊、在線故障診斷等。

存在的主要問題如下：

（1）當前大多數列車空調控制系統所采用的控制器內存較小（有的僅以kB計），只能存儲簡單的文字如.txt格式，不能存儲動畫、圖片等大容量文件。用戶只有通過PTU（Portable Test Unit）從空調系統控制器（或者列車控制系統TM S）中下載相應的文字記錄如故障代碼、故障信息等，再根據故障代碼或信息去查閱有關的文件（如用戶手冊等），對故障的判定、維修方法等作出響應。

（2）該本地控制僅僅能實現簡單的模式操作，并不能直觀顯示該車當前的進出風溫度信息、空調各元器件的工作狀態、故障信息等。

（3）對車輛而言，空調機組的能耗占有很大比重，提供既可靠又節能的空調機組是很多地鐵運營公司、鐵道部各路局所期望的?？照{機組運行的真正能耗也是最終用戶所關注的，他們希望能夠清楚地看到實際耗能，以便進行節能分析。目前的列車空調控制系統基本沒有實現此功能，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號線列車改造項目中，曾嘗試少量車廂增加電能表來記錄空調機組的功耗）。常規電能表的增設不僅需要在車廂內找出合適的地方安裝該設備，也面臨與原有控制系統的兼容問題。

（4）隨著技術的發展，除了本車上傳/下載信息、更新控制軟件等，維護人員更希望直接在車站列車控制室就能遠程訪問、查看各空調機組的運行狀態和故障診斷等。發現問題，指導維護人員迅速處理，避免空調機組的停機對列車運營的影響。

圖3 控制方案優化后的列車空調系統控制策略

3 列車空調控制系統的改進

列車空調領域的相對特殊性，控制技術與其他工業領域（特別商用空調）有較大的差異及獨特性，一些新型控制技術或完善的控制方案等并沒有在列車領域進行嘗試或批量應用。上海某公司提供給希臘雅典某地鐵線路的車輛空調系統，根據客戶的需求，選型某公司的工業控制產品，在樣機階段進行過一定的技術改進（如圖3所示，圖中僅顯示出一節車H M I顯示屏及電能模塊，其余5節車廂未標出，司機室可通過相鄰車廂顯示）：

（1）原每節車的旋鈕開關改為1個LCD/LED顯示屏（如圖3所示），該顯示屏可以通過TCP/IP或RS485協議連接本車廂控制2臺空調機組的控制器。每節車廂的空調控制器通過Ethernet與列車控制系統TM S相連。同時冗余設計第1節及第6節車廂的控制器通過M VB或RS485總線與TM S通信。

（2）本車H M I顯示屏可以外聯打印機、個人PC等進行信息輸出；同時從顯示屏上可以直接讀取信息，如溫度傳感器值、風機及壓縮機等主要部件工作狀態、運行時間累積、制冷系統高低壓等；故障庫及相應的診斷維修建議也可通過顯示屏幕直接查詢，無需查找其他繁瑣的文件。人機界面根據不同項目需求可以編輯，從而更友好更實用。

（3）與顯示屏相連的本車空調控制器與原有的控制器功能類似，但考慮更靈活的模塊擴展功能，滿足不同I/O點位數的需求。通過顯示屏也可以對本車空調機組進行工作模式設定，本車顯示屏對比TM S網絡具有優先級別，操作模式“O FF/自動/測試”可選。

圖4 壓縮機狀態及故障信息（維護軟件）

（4）列車控制系統或遠程監控通過TCP/IP協議可訪問每節車的空調控制器，實現車站運營監控室對每列車空調系統的遠程監控。

（5）本車控制系統集成一個電能計量模塊（圖3中僅示意一節車廂），該模塊通過脈沖輸出給本車空調控制器，控制器處理后再通過Ethernet或RS485實時在本車H M I顯示空調機組的功耗，同時也可上傳至列車控制系統TM S。

樣機測試階段，通過維護軟件對空調機組運行、通訊等進行逐項測試（如圖4為維護軟件對壓縮機的測試）。

1）機組內各主要部件（壓縮機、風機等）、控制元器件（接觸器、空開等）的工作狀態；2）模擬各種報警信號；3）機組各種操作模式的運行及功耗的采集；4）本地顯示屏對空調的控制，空調控制器與TM S的通訊等。

通過測試，顯示屏能夠對本車空調實現模式控制，記錄新風/回風等溫度傳感器信息，能與本車控制器正常通訊，電能模塊記錄空調機組的功耗，IP網絡通訊正常，達到設計預期。實際交付項目控制系統選用了E thernet及本車顯示屏。

4 新列車空調系統控制方案特點

對比傳統的軌道交通車輛空調控制系統中的控制邏輯及方案，新的控制方案特點如下：

（1）本地運行參數顯示更加合理，輸出端口/可靠性等較旋鈕調節開關有比較大的飛躍。特別是電能模塊的增加，讓實時電量顯示變得容易。控制器可擴展4G B以上的內存容量讓存儲文件變得豐富多彩。

（2）技術方案中采用的工業控制器、顯示屏等，均為技術成熟、市面上大規模批量應用的產品。

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

（4）現有的解決方案為每節車廂1個控制器控制2臺空調機組。對于成本非常敏感且無需本地顯示、調節的項目需求，一列車可以只采用2臺控制器（主備）輔助I/O模塊來控制全部12臺空調機組（以6節車輛編組為例），電能模塊的優化等解決方案后續將繼續予以研究。

[1]馬文，吳鵬.上海地鐵D A 01型電動列車空調控制系統改造升級研究[J].發電與空調，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，工學碩士，從事制冷/空調系統的設計及研究工作；

張?。?974-），男，上海人，工學學士，從事列車空調系統的設計及研究工作。

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