CN202338982U

CN202338982U - 地铁车辆空调控制系统

Info

Publication number: CN202338982U
Application number: CN2011205238145U
Authority: CN
Inventors: 翁俊超
Original assignee: CHANGCHUN YEAL ELECTRICAL APPLIANCE Co Ltd
Current assignee: Austrian electric Limited by Share Ltd
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2011-12-15
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2021-12-15

Abstract

本实用新型属于铁路车辆空调控制技术领域，具体的说是一种地铁车辆空调控制系统。该空调控制系统包括空调控制单元（ACU）、空调机组、司机室监控显示器、电源，所述的空调控制单元（ACU）包括PLC主机、连接PLC主机的MPT（触摸屏），一端连接PLC主机、另一端连接MPT（触摸屏）的电源模块，一端连接电源模块、另一端连接PLC主机的网关，一端连接PLC主机、另一端连接电源模块的模拟量扩展模块，一端连接模拟量扩展模块、另一端连接电源模块的数字量扩展模块；所述的空调机组与空调控制单元（ACU）连接，电源与空调机组连接。本实用新型是一种结构简单合理，通过系统的核心器件可编程控制器PLC实现空调系统通风、制冷和制暖功能的智能化控制的地铁车辆空调控制系统。

Description

地铁车辆空调控制系统

技术领域

本实用新型属于铁路车辆空调控制技术领域，具体的说是一种地铁车辆空调控制系统。

背景技术

随着社会的发展，城市人口的迅速增加，人民生活水平的日益提高，对出行所需的交通工具的要求越来越高，交通工具的需求量也越来越大，地铁、轻轨、公交车多种交通工具快速发展起来。目前，在一些大城市，地铁车辆成为了人们出行的首选，因为地铁车辆运量大、速度快、无污染。而保证地铁车辆的正常供暖、制冷功能即空调系统的正常运行也成为地铁车辆研发和生产企业是重点工作之一。

传统的地铁车辆空调控制系统主要采用继电器控制系统，通过各种电器件如接触器、继电器、空气开关、转换开关、温度控制仪等硬线连接来实现其设备的正常运转。传统空调控制系统主要是通过转换开关给予命令实现控制功能，且只能实现通风、制冷、制暖等工作模式，不能对故障进行记录及存储。对于传统的继电器电路控制的空调系统来说，它难以实现复杂逻辑功能和数字式控制，而且要实现一定规模的逻辑控制功能不仅设计繁琐，难以实现升级，而且存在易发故障，维修复杂，功耗高等明显的缺点，现在已逐渐被人们所淘汰。

随着我国经济的不断发展,社会高度信息化,新的高科技技术手段不断应用到各个领域中,设备的智能化已成为一种发展的必然趋势。PLC控制系统以其运行可靠、使用与维护方便，抗干扰能力强，适合新型高速网络结构等显著的优点使其逐步得到广泛的应用。现在，国内外市场上采用PLC作为空调控制系统的核心器件已成为一种切实可行的技术，受到所有地铁运行公司的青睐。PLC(Programmable Logical Controller)通常称为可编程逻辑控制器,它是以微处理器为核心,综合了现代计算机技术、半导体集成技术、自动化控制技术、数字技术和通信网络技术，专为在工业环境下应用而设计的工业自动控制器件。

PLC技术取代了原有的继电器和压力表温度表等的控制模式，由于其在工业控制方面的应用意义日趋明显，并在发电、化工、电子等行业工艺设备的电气控制方面得到了广泛的应用，已逐步取代了继电器电路的逻辑控制。使用PLC后就能充分发挥它的逻辑运算、定时等的功能，同时配套的电子传感器能将系统的压力、温度等转化成数据，经逻辑计算后再输出数据或对空调机组做出相应的控制。

发明内容

本实用新型的目的是要提供一种结构简单合理，通过系统的核心器件可编程控制器PLC实现空调系统通风、制冷和制暖功能的智能化控制的地铁车辆空调控制系统。

本实用新型的目的是这样实现的，该空调控制系统包括空调控制单元（ACU）、空调机组、司机室监控显示器、电源，所述的空调控制单元（ACU）包括PLC主机、连接PLC主机的MPT（触摸屏），一端连接PLC主机、另一端连接MPT（触摸屏）的电源模块，一端连接电源模块、另一端连接PLC主机的网关，一端连接PLC主机、另一端连接电源模块的模拟量扩展模块，一端连接模拟量扩展模块、另一端连接电源模块的数字量扩展模块；所述的空调机组与空调控制单元（ACU）连接，电源与空调机组连接。

所述的空调机组包括通风机、冷凝风机、压缩机和电加热器；所述的电源包括AC380V电源和应急通风电源。

本实用新型具有以下优点和积极效果：

①、本实用新型空调系统的控制包括本车控制和集中控制两种方式，具有通风、制冷、制暖等功能；

②、本实用新型采用可编程控制器PLC作为控制系统的核心器件，使用软件编程，可以实时对机组进行监控、调试、实时修改程序，便于系统升级及维修；

③、本实用新型的本车控制方式可以通过MPT（触摸屏）实时监控及显示机组状态，便于空调调试试验；集控方式可以通过司机室监控显示器实时监控及显示机组状态；

④、本实用新型的PLC可以扩展多个模拟量和数字量模块，能满足各种要求的机组编组形式；

⑤、本实用新型的PLC的逻辑运算能力强、速度快。比继电器式空调控制系统响应速度快，功耗低。

附图说明

图1是地铁车辆空调控制系统整体结构框图。

图2是本实用新型MPT（触摸屏）操作界面图。

图2是本实用新型运行状态显示界面图。

图4是本实用新型故障报警信息显示界面图。

图5是本实用新型运行时间显示界面图。

图6是本实用新型温度设定及显示界面图。

图7是本实用新型空调系统本地控制显示界面图。

图8是本实用新型车辆外部环境温度和车辆内部设定温度关系图。

图9是本实用新型自动制冷工况图。

图10是本实用新型机组主回路原理图。

图11是本实用新型空调控制单元（ACU）原理图。

具体实施方式

由附图1所示：该空调控制系统包括空调控制单元（ACU）1、空调机组2、司机室监控显示器3、电源4，所述的空调控制单元（ACU）1包括PLC主机5、连接PLC主机5的MPT（触摸屏）6，一端连接PLC主机5、另一端连接MPT（触摸屏）6的电源模块7，一端连接电源模块7、另一端连接PLC主机5的网关8，一端连接PLC主机5、另一端连接电源模块7的模拟量扩展模块9，一端连接模拟量扩展模块9、另一端连接电源模块7的数字量扩展模块10；所述的空调机组2与空调控制单元（ACU）1连接，电源4与空调机组2连接。

所述的空调机组2包括通风机11、冷凝风机12、压缩机13和电加热器14；所述的电源4包括AC380V电源15和应急通风电源16。

工作原理：

本实用新型空调控制系统的运行模式一般包括停机-通风-自动冷-弱冷（半冷）-强冷（全冷）-自动暖-半暖-全暖、应急通风九种运行模式。

空调控制系统包括“本地”控制和“网络”控制两种控制模式，所谓“本地”控制是由本机MPT操作运行（如图7所示）；“网络”控制是由上位机控制。并且网络控制优先，只要网络通讯正常就由网络控制。

本控制系统用如下措施实现：司机根据车内温度变化，确定是否进行制冷或制暖等操作，然后司机通过司机室监控显示器向网关发送制冷或制暖等命令，网关接收到命令后，将命令发送给可编程控制器PLC，PLC将按照命令要求对空调机组进行控制，使机组实现制冷或制暖等功能。PLC会对空调机组的运行状态及故障进行实时监控报警，同时MPT（触摸屏）上会实时显示机组的各种工况及故障报警内容。PLC也会通过网关将机组的工作状态及故障报警内容上传至司机室监控显示器。

（1）电源模块

如图1所示，ACU中的电源模块是把DC110V的电压转换成DC24V电压，向PLC、网关、MPT、新风阀、回风阀供电。PLC的输出电压主要有两种形式：DC110V和AC220V，输出电压的形式要根据空调控制柜内的电器件型号而定。

（2）网关

如图1所示，网关主要作用是进行PLC和列车网络间的通讯。采用的通讯协议是MVB协议，网关通过RS485接口与PLC进行连接，根据不同的场合不同的设计要求一个网关可以同时连接两个PLC，同时与两个PLC进行通讯。

空调控制系统与列车网络的通讯包括两部分，一部分通过列车网络传递控制信息和反馈空调的运行状况和故障信息；一部分通过列车硬线传递控制信息。当空调控制单元ACU发出一个制冷指令，该指令通过RS485通讯口传递给列车网络，当列车网络系统给空调控制系统反馈回制冷指令允许信号后，ACU才允许向空调机组发出起动指令。

空调控制单元ACU可以通过列车网络系统（TCMS系统）将空调机组的实际运行状态传递到司机室监控显示器上，进行实时显示；如果运行发生故障，ACU可以通过网络通讯口将故障信息传递给司机室监控显示器显示以提醒司机。通过列车网络，可对各车空调机组进行控制和温度设定，并可读取空调控制系统的有关信息和记录。列车网络的温度设定优先于各车辆空调控制单元ACU的设定。

（3）MPT（触摸屏）

如图2所示，MPT又称人机界面HMI，主要用于“本地”控制模式下。MPT是一种微型可编程终端，采用全中文液晶显示操作屏（带背光），具有字符类型和图像类型显示，通过通讯接口和PLC的外设接口进行通讯。主要功能是空调机组的运行工况的控制，运行工况参数的显示，实时显示各功能的运行状态及故障现象。

MPT上可以随时显示各机组的通风机、冷凝风机、压缩机、电加热器的运行状态（如图3所示）、故障报警信息（如图4所示）、运行时间（如图5所示）；可以设定及显示室内温度、室外温度、目标温度（如图6所示）。其中，目标温度：“网络”控制时可以由上位机发送，“本地”控制时可以通过MPT手动设定，显示的是自动冷和自动暖指令时的目标温度。并且只在此两种工况时起作用。

（4）PLC主机

PLC是可编程逻辑控制器的缩写，对整个空调机组进行自动控制，实时检测运行过程中的参数，对出现的故障自动处理，通过MPT实现人机对话，响应MPT输入的命令、参数，将故障信息、运行状态通过MPT显示。

一套PLC空调控制系统可以控制一个或者两个空调机组，通过增加模拟量扩展模块和数字量扩展模块数量来实现多机组控制。如图1所示，AC380V电源是向空调机组的压缩机、电热、预热器等交流负载供电。当列车空调控制系统的DC110V控制电源、机组负载AC380V运行电源正常提供条件下，空调控制系统将按照顺序启动通风机、冷凝风机、压缩机、电加热器。

制暖工况：启动顺序为通风机-电加热器。一般情况下，一个机组有两个电加热器，电加热器可以按照要求同时启动或者顺序启动。

制冷工况：启动顺序为通风机-冷凝风机-压缩机。一般情况下，一个机组有两个压缩机，压缩机不能同时启动，必须按照启动顺序逐一启动。机组起动时，先起机组内的2台通风机；延时后起动2台冷凝风机；再延时，起动工作时间较短的压缩机；最后起动另一台压缩机。压缩机一旦运行至少运行3分钟才能停机；一旦停机，至少停机3分钟才能再次开机，（此时间要求可根据机组的需求随意更改）。各电机设起动顺序连锁保护，先开通风机，再开冷凝风机，最后开启压缩机。前级设备不起动，后级设备不允许起动；停机顺序与之相反，先停压缩机，再停冷凝风机，最后停通风机。三者之间的开、停有一定的时间间隔。PLC会记录各风机及压缩机的运行时间，以保证各部件的均衡运行。

应急通风工况：如果列车辅助电源系统中辅助电源装置因故障而停止工作，即无法向机组提供AC380V电源，故障辅助电源装置将向列车发出故障信息，通过列车网络和列车线向空调控制单元ACU发出紧急通风信号，同时列车车载DC110V蓄电池组将通过紧急通风逆变器向列车空调控制系统提供交流电源，此时列车空调机组运行在紧急通风状态。紧急通风条件下，机组中只有通风机工作，其它电机停止工作，且列车空调机组的通风机降频降压运行。

故障诊断： “网络”控制时，可以通过司机室监控显示器显示故障的名称、故障次数，初始发生时间及最终发生的时间及是否还存在等信息，便于维护人员尽快判断故障原因。

空调机组可能出现以下的故障：压缩机故障（高低压、温度和过载故障）、冷凝风机故障、通风机故障、电热故障、欠过压相序故障。

温度控制：

考虑到季节和环境温度（新风温度）的变化，客室内的温度将由空调控制单元ACU自动控制，以使乘客和司乘人员更舒适。内部温度的设定将根据国际标准UIC553（国际铁路联盟）曲线，按外部环境温度（新风温度）进行自动调节控制。

在外部环境温度（新风温度）大于+19℃时，内部设定温度应当按下面的公式计算：

Ti=22+0.25（Te-19） Ti:内部设定温度； Te:外部环境温度

车内标准平均温度应当保持在设定温度±2℃范围内。如图8所示，为车辆外部环境温度和车辆内部设定温度关系图。为了控制车辆内部温度在上述指定的设定温度，在空调机组内安装了2个传感器：回风温度传感器和新风温度传感器。回风温度传感器用于感应车辆内部温度，被安装在空调机组的回风口。新风温度传感器用于感应车辆外部环境温度，被安装在空调机组新风门。PLC通过模拟量扩展模块采集新风温度和回风温度，在按照控制运算法则做出的顺序来控制空调的运行。控制运算法则的基本控制逻辑如图9所示，并解释如下：

自动制冷：

降温，双机制冷温度≥T+3.5 oC。

单机制冷温度≤T+2 oC。

通风（不制冷）温度≤ToC。

升温，单机制冷温度≥T+1.5 oC。

双机制冷温度≥T+3.5 oC。

（双机制冷与强冷、全冷概念相同；单机制冷与弱冷、半冷概念相同）

以上描述用于自动工况（自动冷），手动工况不受温度控制，根据用户需要采用根据设定温度及回风温度进行空调控制的工作方式。

实施例1：北京亦庄线地铁空调控制系统

系统工作过程：

本空调控制系统控制的是一个机组，采用的是西门子PLC。主机型号为CPU 224XP CN，6ES7 214-2AD23-0XB8；模拟量扩展模块型号为EM 231CN,6ES7231-7PB22-0XA8；数字量扩展模块型号为EM 223CN,6ES7223-1PL22-0XA8。模拟量扩展模块连接机组的新风温度传感器和回风温度传感器，采集室内外温度。

如图10机组主回路原理图所示，主回路供电电源为AC380V 50Hz，给电机等供电；如图11 ACU原理图所示，PLC输入端电压均为24V，输出端电压有24V、DC110V、AC220V等三种形式。系统上电后，首先欠过压相序检测继电器检测电压及相序是否正常。

电源无故障情况下，若网络正常，则执行“网络”控制，PLC通过网关接收上位机命令进行通风、制冷、制暖等操作，并将机组运行状态及故障报警信息等通过网关反馈给上位机，在司机室监控显示器上显示；若网络故障，则执行“本地”控制，PLC接收MPT命令进行通风、制冷、制暖等操作，并将机组运行状态及故障报警信息等反馈给MPT，在MPT上显示。

电源故障情况下，启动紧急通风逆变器，它将车载蓄电池提供的直流电能转变为交流电能，向列车空调机组通风机提供备用电源，以满足车厢紧急通风需要。此时机组只有通风机工作，其它电机停机。通风机采取降频降压工作方式。

Claims

1.一种地铁车辆空调控制系统，其特征在于：该空调控制系统包括空调控制单元（1）、空调机组（2）、司机室监控显示器（3）、电源（4），所述的空调控制单元（1）包括主机（5）、连接主机（5）的触摸屏（6），一端连接主机（5）、另一端连接触摸屏（6）的电源模块（7），一端连接电源模块（7）、另一端连接主机（5）的网关（8），一端连接主机（5）、另一端连接电源模块（7）的模拟量扩展模块（9），一端连接模拟量扩展模块（9）、另一端连接电源模块（7）的数字量扩展模块（10）；所述的空调机组（2）与空调控制单元（1）连接，电源（4）与空调机组（2）连接。

2.根据权利要求1所述的一种地铁车辆空调控制系统，其特征在于：所述的空调机组（2）包括通风机（11）、冷凝风机（12）、压缩机（13）和电加热器（14）；所述的电源（4）包括AC380V电源（15）和应急通风电源（16）。