列车空调控制系统的优化设计

蒋文涛，张俊

列车空调控制系统的优化设计

蒋文涛1，张俊2

（1.施耐德电气（中国）有限公司上海浦东分公司，上海201203；2.上海法维莱交通车辆设备有限公司，上海201906）

对比传统的轨道交通车辆空调控制系统，结合工业控制领域的PLC产品，提出一种更优的适合当前列车空调控制系统的解决方案，能够更好地满足用户对空调控制系统的需求，简单易操作、便于维护、可扩展及实时状态显示。

轨道交通；空调；控制系统；优化

0 引言

当前轨道交通车辆使用的空调系统主要由车顶单元式空调机组、风道、控制系统和紧急逆变系统等组成。列车空调系统控制器主要采用PLC或微处理器，控制器采集车厢内外温度传感器信息，与列车控制系统TM S（train m anagem ent system）通信（信息传输、软件更新等），根据采集的温度传感器值判断车辆冷热负荷需求，从而启动相应的工作模式（如通风、制冷或加热等）。控制器采用PID调节输出[1]，以保证客室始终保持在所需的温度（控制精度±1K）。同时，控制系统对空调机组进行诊断，将空调系统各部件的状态信息及故障信息发送给车辆级控制器。通过RS232/USB接口与本地电脑连接，上传或下载。每节车厢的空调控制器通过总线与列车网络进行通信，具体形式根据车辆级的总线结构进行选择，如：R S485、M V B、CA N等。

1 控制系统实例

以上海地铁某轨道交通线路的空调控制系统方案为例，该条线路列车编组为每列车6节乘客室车厢和2个司机室。每节乘客室列车布置2台顶置式空调机组，这2台空调机组共用一块微处理控制器，每个司机室单独配置一台空调机组（如图1所示）。

图1 一种典型列车空调系统的通信方案

通信特点如下：

（1）6节乘客室的空调控制器分别通过M VB总线与列车控制系统TM S通信，但每节乘客室的空调控制系统互相之间不连通。

（2）司机室空调机组控制器通过CA N总线与相邻的乘客室空调机组通信。

（3）每节乘客车厢及司机室的空调控制板上均设有一个本车手动调节开关（图1中仅标出一节车厢的调节开关，其余5节车厢及司机室未标出）通过CA N与该车空调控制器连接，通过该旋钮开关，可以手动实现测试、自动、关闭及温度设定值的调节功能。本车调节开关的优先级高于列车网络TM S。当本地调节开关位于自动模式时，客室空调系统受TM S网络集中控制，车厢内温度设定值根据U IC553或EN 14750标准自动运行[2]（如图2所示）。当本车调节开关位于温度选择按钮“如21，23，25，27”时，则该档位显示的值就是此列车车厢的目标温度设定值。

（4）空调控制器的维护接口为R S232或U SB。

（5）控制系统不具备在线诊断功能，仅能提供故障代码存储，用户需根据故障代码查找有关的文件（如用户手册等）去查询可能的原因及处理方法。

图2 车内设定温度与外温的关系

2 列车空调系统新的控制需求

随着高速列车、城市轨道车辆的迅速发展，大量高档舒适的列车逐步投入运营，既节能又舒适成为轨道交通发展的首要议题。从而对列车空调系统提出了许多新的需求，如上海地铁公司对上海轨道交通12号线及后续线路技术招标，就提出了以下要求：

（1）控制单元具有故障诊断和信息存储功能。故障信息至少包括：故障代码、产生原因、产生与消失的时间和故障检查、维修建议。

（2）用户能用PTU（手提式检测单元）通过标准以太网接口与控制单元通信。

（3）客室电气柜中设置本车空调开关和指示灯，本车空调温度设定能通过“-2 K、-1 K、0 K、+1 K、+2 K”等调节档位进行调节。

国内车辆制造厂对铁道部CR H系统高速列车空调系统也提出了相应的控制要求，如：

（1）空调控制器设有故障信息存储器，存储方式为FIFO，故障信息存储格式及存储容量不小于1G B。

（2）通过M V B接口使列车控制系统具有在线诊断故障的功能，并提供故障处理方法。

对比用户新的需求，现有控制系统已经不能完全满足要求，如信息存储格式、内存大小、IP通讯、在线故障诊断等。

存在的主要问题如下：

（1）当前大多数列车空调控制系统所采用的控制器内存较小（有的仅以kB计），只能存储简单的文字如.txt格式，不能存储动画、图片等大容量文件。用户只有通过PTU（Portable Test Unit）从空调系统控制器（或者列车控制系统TM S）中下载相应的文字记录如故障代码、故障信息等，再根据故障代码或信息去查阅有关的文件（如用户手册等），对故障的判定、维修方法等作出响应。

（2）该本地控制仅仅能实现简单的模式操作，并不能直观显示该车当前的进出风温度信息、空调各元器件的工作状态、故障信息等。

（3）对车辆而言，空调机组的能耗占有很大比重，提供既可靠又节能的空调机组是很多地铁运营公司、铁道部各路局所期望的。空调机组运行的真正能耗也是最终用户所关注的，他们希望能够清楚地看到实际耗能，以便进行节能分析。目前的列车空调控制系统基本没有实现此功能，至多也只是尝试在车厢中增加电能表（上海地铁在轨道交通4号线列车改造项目中，曾尝试少量车厢增加电能表来记录空调机组的功耗）。常规电能表的增设不仅需要在车厢内找出合适的地方安装该设备，也面临与原有控制系统的兼容问题。

（4）随着技术的发展，除了本车上传/下载信息、更新控制软件等，维护人员更希望直接在车站列车控制室就能远程访问、查看各空调机组的运行状态和故障诊断等。发现问题，指导维护人员迅速处理，避免空调机组的停机对列车运营的影响。

图3 控制方案优化后的列车空调系统控制策略

3 列车空调控制系统的改进

列车空调领域的相对特殊性，控制技术与其他工业领域（特别商用空调）有较大的差异及独特性，一些新型控制技术或完善的控制方案等并没有在列车领域进行尝试或批量应用。上海某公司提供给希腊雅典某地铁线路的车辆空调系统，根据客户的需求，选型某公司的工业控制产品，在样机阶段进行过一定的技术改进（如图3所示，图中仅显示出一节车H M I显示屏及电能模块，其余5节车厢未标出，司机室可通过相邻车厢显示）：

（1）原每节车的旋钮开关改为1个LCD/LED显示屏（如图3所示），该显示屏可以通过TCP/IP或RS485协议连接本车厢控制2台空调机组的控制器。每节车厢的空调控制器通过Ethernet与列车控制系统TM S相连。同时冗余设计第1节及第6节车厢的控制器通过M VB或RS485总线与TM S通信。

（2）本车H M I显示屏可以外联打印机、个人PC等进行信息输出；同时从显示屏上可以直接读取信息，如温度传感器值、风机及压缩机等主要部件工作状态、运行时间累积、制冷系统高低压等；故障库及相应的诊断维修建议也可通过显示屏幕直接查询，无需查找其他繁琐的文件。人机界面根据不同项目需求可以编辑，从而更友好更实用。

（3）与显示屏相连的本车空调控制器与原有的控制器功能类似，但考虑更灵活的模块扩展功能，满足不同I/O点位数的需求。通过显示屏也可以对本车空调机组进行工作模式设定，本车显示屏对比TM S网络具有优先级别，操作模式“O FF/自动/测试”可选。

图4 压缩机状态及故障信息（维护软件）

（4）列车控制系统或远程监控通过TCP/IP协议可访问每节车的空调控制器，实现车站运营监控室对每列车空调系统的远程监控。

（5）本车控制系统集成一个电能计量模块（图3中仅示意一节车厢），该模块通过脉冲输出给本车空调控制器，控制器处理后再通过Ethernet或RS485实时在本车H M I显示空调机组的功耗，同时也可上传至列车控制系统TM S。

样机测试阶段，通过维护软件对空调机组运行、通讯等进行逐项测试（如图4为维护软件对压缩机的测试）。

1）机组内各主要部件（压缩机、风机等）、控制元器件（接触器、空开等）的工作状态；2）模拟各种报警信号；3）机组各种操作模式的运行及功耗的采集；4）本地显示屏对空调的控制，空调控制器与TM S的通讯等。

通过测试，显示屏能够对本车空调实现模式控制，记录新风/回风等温度传感器信息，能与本车控制器正常通讯，电能模块记录空调机组的功耗，IP网络通讯正常，达到设计预期。实际交付项目控制系统选用了E thernet及本车显示屏。

4 新列车空调系统控制方案特点

对比传统的轨道交通车辆空调控制系统中的控制逻辑及方案，新的控制方案特点如下：

（1）本地运行参数显示更加合理，输出端口/可靠性等较旋钮调节开关有比较大的飞跃。特别是电能模块的增加，让实时电量显示变得容易。控制器可扩展4G B以上的内存容量让存储文件变得丰富多彩。

（2）技术方案中采用的工业控制器、显示屏等，均为技术成熟、市面上大规模批量应用的产品。

（3）新型PLC控制器体积小巧，接线及安装简单，可扩展性强，具有强大的通信能力。支持Ethernet、R S485等各种常用的总线协议，且可以连接灵活开放的控制系统。

（4）现有的解决方案为每节车厢1个控制器控制2台空调机组。对于成本非常敏感且无需本地显示、调节的项目需求，一列车可以只采用2台控制器（主备）辅助I/O模块来控制全部12台空调机组（以6节车辆编组为例），电能模块的优化等解决方案后续将继续予以研究。

[1]马文，吴鹏.上海地铁D A 01型电动列车空调控制系统改造升级研究[J].发电与空调，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

蒋文涛（1980-），男，湖北人，工学硕士，从事制冷/空调系统的设计及研究工作；

张俊（1974-），男，上海人，工学学士，从事列车空调系统的设计及研究工作。

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