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蓝普锋RPC系列PLC在地铁列车空调控制器设计与应用

供稿:北京蓝普锋科技有限公司 2019/1/30 9:02:35

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  • 关键词: 蓝普锋 地铁列车 空调控制器 PLC 空调机组控制与保护
  • 摘要:本文介绍了一种地铁列车空调控制器的设计与应用,详细描述了该控制器的硬件配置和软件设计。空调机组调试结果表明,该控制器运行稳定可靠,可以快速实现各种控制和保护功能,确保地铁列车空调系统的安全和连续运行。

1 引言

作为一种快速、舒适和环保的交通工具,地铁在我国的各大城市开始迅速地投入建设和使用,已经成为城市居民生活必不可少的交通工具。社会的进步,使人们对于乘坐地铁时的舒适度提出了更高的要求,地铁列车空调控制系统作为车厢空气的温度、湿度和气流速度等参数的控制系统,对车厢内的舒适度控制起着至关重要的作用。本文分析了地铁列车空调系统的控制要求,进行了控制系统的方案设计和硬件配置,根据不同的控制功能开发了空调机组的控制程序,较好地实现了多种控制功能。2 地铁列车空调控制器的功能分析

地铁列车空调控制系统以空调控制器为核心,在断路器、接触器、继电器和传感器等相关电气组件的配合下,自动完成地铁列车空调机组的动作控制、运行保护、故障诊断和故障记录等功能。地铁列车空调控制系统的结构形式为控制柜形式。每节列车安装一台控制柜,负责控制每节列车的两台空调机组。每台空调机组包括2台通风机、2台冷凝风机、2台压缩机、2组新风预热器、2个新风阀和1个回风阀等设备,可以实现通风、半冷、全冷、预冷、半暖、全暖、预暖、减载、紧急通风和停机等功能。


(1)控制方式

地铁列车空调控制系统主要通过空调控制器实现每节车厢内的环境调节,达到乘客所需的舒适性要求。在一般情况下,列车的空调系统由司机室集中控制,因此空调控制器需要具有完备的通讯能力,通过多功能车辆总线与列车管理系统进行信息交互,接收来自列车管理系统的指令,报告地铁列车空调机组的工作状态和故障信息。空调控制器具有本地控制和远程控制两种模式。本地控制模式主要用于空调机组的调试,可以通过控制柜内的模式选择开关实现对空调机组的控制,在列车网络故障等紧急情况下也使用本地控制模式。在一般情况下使用远程控制模式,空调控制器由司机室控制,可以单独设定和操作每节车厢的空调机组,实现通风、半冷、全冷、预冷、半暖、全暖、预暖、减载、紧急通风和停机等功能。


(2)运行模式

空调机组具有制冷和制暖功能,以适应不同季节乘客的乘车环境需求。为了更好地为乘客提供舒适的环境,空调机组具有多种工作模式,主要包括通风、半冷、全冷、半暖和全暖等工作模式。

当车厢内温度适宜时,空调机组并不需要启动制冷或制暖,但列车是一个封闭空间,空调机组需要通风运行,以使车厢内空气流通。当车厢内需要制冷,但制冷需求不是很大时,空调机组运行半冷模式。当车厢内的制冷需求增大时,空调机组运行全冷模式,空调机组的制冷系统全部运行。当车厢内温度较低时,空调机组运行制暖模式,包括半暖和全暖。半暖时,开启空调机组的一半制热设备。全暖时,开启空调机组的全部制热设备。


(3)保护功能

为了保护机组,空调机组每个设备的启动和停止需要遵循一定的时序。例如,机组的通风机未启动时,该机组的冷凝风机不能启动。机组的各个设备需要相应的保护,例如过载保护。当机组发生故障时,空调控制器应当及时进行处理,以免造成更大损坏。空调控制器还应有故障记录功能,记录故障发生时的详细信息,以供列车维护人员和空调厂家进行维护分析。3 地铁列车空调控制器的硬件设计

通过分析地铁列车空调系统的功能,北京蓝普锋科技有限公司专门设计了一种新型的地铁列车空调控制器,外观如图1所示。


图1地铁列车空调控制器

图1所示的地铁列车空调控制器集成了62路24VDC输入通道、44路继电器输出通道和4路热电阻输入通道,程序存储区的最大容量为400K字节,数据存储区的最大容量为15K字节,硬件定时器的最小时间单位为0.1ms,软件定时器的最小时间单位为1ms,计数器的字长为16位,布尔量的运算速度为0.06μs。这种控制器具有集成度高、控制功能丰富、功耗低、实用性强、运算速度快、稳定可靠等特点。

空调控制器安装在每节车厢的控制柜内。如果空调机组运行正常,并不需要经常操作空调的控制器,因此无须在每个控制柜内设置触摸屏等显示设备,而是通过控制器本身的指示灯面板显示空调机组的运行状态。在空调控制柜内安装有空调模式开关,可以对空调控制器的工作模式进行设置。在正常情况下,列车管理系统通过多功能车辆总线与列车空调控制器进行通讯,再辅以模式开关和控制器指示灯,实现对空调机组的控制和维护。
根据地铁列车空调系统的工作原理和控制要求,基于北京蓝普锋科技有限公司新型空调控制器的地铁列车空调控制系统结构如图2所示。

图2 地铁列车空调控制系统的结构

4地铁列车空调控制器的程序设计

地铁列车空调控制系统的主要的功能是对列车空调机组的各个设备进行控制,并判断各个机组的工作状态。根据地铁列车空调控制系统的功能,将控制器的程序分为本地控制程序、集中控制程序、机组保护程序、网络通讯程序和故障记录程序等部分。由于控制器的程序功能较多且逻辑复杂,为了简化程序,使其结构清晰、便于调试和维护,将程序按照不同的功能分为若干个子程序,每个子程序完成空调机组控制的一部分功能,通过主程序调用子程序,实现整个系统的控制。4.1 本地控制程序

本地控制主要指由空调模式选择开关控制机组的运行。司机室的空调模式选择开关通过三个开关量点,按照BCD编码的形式切换其中不同的状态,分别是集控、停机、通风、半冷、半暖、全冷和全暖等7种工作模式。在各种工作模式下,机组的新风阀和回风阀均为打开状态。
(1)集控模式
(2)停机模式
(3)通风模式
(4)半冷模式
(5)全冷模式
(6)半暖模式
(7)全暖模式4.2 集中控制程序

当司机室的空调模式选择开关切换到集控位时,控制器工作模式由司机室集中控制。集中控制分为停止、通风和网控等3种状态,这3种状态的开关为硬线输入信号。
(1)当控制器检测到开关状态为停止时,空调机组不工作。
(2)当控制器检测到开关状态为通风时,空调机组工作在通风模式下,运行状态与本地控制下的通风模式相同。
(3)当控制器检测到开关状态为网控时,空调机组由列车运行管理系统控制,列车司机通过触摸屏来设置空调机组的运行状态。网控的模式分为停止、自动冷、自动暖、通风、应急通风、半冷、全冷、半暖和全暖等9种模式。其中停止、通风、半暖、全暖、半冷、全冷的工作模式与本地控制下的停机、通风、半暖、全暖、半冷、全冷的工作模式相同。在网控的模式下,压缩机的启动需由列车运行管理系统发送的启动命令来启动。如果空调机组运行制冷需要启动压缩机时,只有接收到列车运行管理系统给本车厢发送的压缩机启动信号,才会启动该压缩机。


下面介绍网控的自动冷、自动暖和应急通风等3种工作模式。
(1)网控自动制冷模式和网控自动供暖模式

在每节车厢内设置2个新风温度传感器和2个回风温度传感器,将2个回风温度传感器的数值平均后作为机组的回风温度。在司机室设定每节车厢的目标温度后,空调控制器通过比较回风温度和目标温度,自动调整每节车厢的空调工作状态。当每节车厢的乘客数量不同时,所需的制冷量或供暖量不同,机组可以自动改变工作模式,使本节车厢的空气环境自动适应乘客的需求。
(2)网控自动应急通风模式

网控自动应急通风模式是指当地铁列车在地下运行时,遇到停电等紧急情况时,为了保证列车内的空气流通,使用备用电源,机组的通风机降压运行。紧急通风模式主要受列车管理系统控制。当机组收到应急通风指令后,或当网络故障时,空调系统检测到主电源故障,延时2分钟后,客室空调机组制冷和制暖系统、客室幅流风机、客室电加热器、司机室送风单元停止工作。再延时5s后,接通机组紧急通风接触器、司机室送风单元紧急通风接触器、客室幅流风机紧急通风接触器,然后向紧急通风逆变器发送启动紧急通风的硬线信号,使系统工作在应急通风模式。在紧急通风模式下,机组的回风阀全部关闭,新风阀全部打开。4.3 机组保护程序

地铁列车空调控制系统具有故障处理功能。对于控制系统,不仅要求能够控制各个设备的运行,而且要求当设备出现非正常情况时,能够迅速做出应对措施,将故障的影响降低到到最小。
(1)风机过载保护

机组的风机包括通风机、冷凝风机和客室幅流风机。
当机组的某台通风机发生过载故障后,该机组的冷凝风机和压缩机停止工作,但需要保持另一台通风机工作。如果该机组的两台通风机都过载,则该空调机组全部停机,不影响另一台空调机组的工作。

当机组的某台冷凝风机发生过载故障后,该台冷凝风机停止工作,同时压缩机也停止工作。如果持续5分钟后,故障信号仍未恢复,则锁死故障,即故障信号恢复后,也不会再启动该台冷凝风机,只有机组重启或停机才能解锁。当某台冷凝风机故障锁死后,另一台冷凝风机也需停止工作,该机组仅保持通风运行。

当机组的客室幅流风机发生过载故障后,仅停止该客室幅流风机的工作。
(2)压缩机保护

压缩机是空调系统中最重要的设备,压缩机的保护包括压力保护、排气温度保护和过载保护等。

压缩机的压力保护分为低压保护和高压保护,二者的保护原理相似,均采用常闭的开关量信号进行判断。当压力故障信号产生后,压缩机先停机2分钟。如果2分钟后压力故障信号恢复,则压缩机正常运行。如果仍未恢复,则锁死故障。如果故障恢复正常,压缩机运行2分钟内再次发生故障,则锁死故障。如果2分钟内未发生故障,但是2至15分钟内又发生故障,则故障次数增1并重新检测故障。如果此种情况使故障次数超过3,则锁死故障。

压缩机排气温度保护也采用常闭的开关量信号进行判断。当排气温度过高导致开关量断开后,压缩机停止工作并锁死故障。4.4 网络通讯程序

由于列车空调系统要接受列车管理系统的集中控制,因此空调控制器应当按照列车管理系统的多功能车辆总线协议进行数据传输。在本系统中,空调控制器是从站,列车管理系统是主站,从站接受主站命令,实现数据传输。4.5 故障记录程序

空调控制器具有记录故障信息的功能。当列车空调系统发生故障时,控制器便会记录下故障发生的类型和时间等信息。空调控制器将故障信息利用堆栈的方式保存在本身的掉电保持区,最大可以存储500条故障记录,用于空调机组维护人员对列车空调系统进行综合分析。5 地铁列车空调控制器的应用

基于北京蓝普锋科技有限公司新型空调控制器的地铁列车空调机组如图3所示。经过系统配套与联调测试,该系统运行稳定可靠,完全满足地铁列车空调系统的要求,取得了非常好的效果,得到了用户的好评。本新型空调控制器具有下列优点:
(1)空调控制器运行稳定,连续工作时间长,给地铁列车空调系统提供了坚实保障。
(2)空调控制器具有模块化的结构,使用简单方便。
(3)各种保护迅速可靠,并且具备故障记录功能,发现问题能够及时解决,给用户的使用带来极大方便。



图3地铁列车空调机组

该新型空调控制器的成功研发,不仅是空调控制器产品的一次超越,更体现了国产控制器在空调行业的应用中迈上了新台阶。以北京蓝普锋科技有限公司为代表的国产控制器越来越成熟和完善,为我国各行各业的自动化应用带来了一个全新的面貌。参考文献[1] 欧阳仲志,苗彦英.地铁交通系统的环境控制和车辆空气调节[J].铁道学报,1999(4):87~91.
[2] 徐向彬,龙静.地铁车辆空调温度控制模型研究[J].制冷与空调,2016(6):83~86.
[3] RPC2000系列可编程控制器硬件手册[M].北京蓝普锋科技有限公司,2016.
[4] RPC2000系列可编程控制器软件手册[M].北京蓝普锋科技有限公司,2016.
[5] RPC2000系列可编程控制器指令手册[M].北京蓝普锋科技有限公司,2016.

审核编辑(何为)
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