上海地鐵DA01型電動(dòng)列車空調(diào)控制系統(tǒng)改造升級(jí)研究

馬　文，　吳　鵬（.上海申通地鐵集團(tuán)維護(hù)保障有限公司，上海0033；.上海沖科機(jī)電技術(shù)服務(wù)有限公司，上海000）

上海地鐵DA01型電動(dòng)列車空調(diào)控制系統(tǒng)改造升級(jí)研究

馬文1，吳鵬2
（1.上海申通地鐵集團(tuán)維護(hù)保障有限公司，上海200233；2.上海沖科機(jī)電技術(shù)服務(wù)有限公司，上海200110）

介紹了上海軌道交通1號(hào)線DA01型電動(dòng)列車新型空調(diào)控制系統(tǒng)的研制，包括原控制單元軟硬件的研究，原系統(tǒng)存在的問(wèn)題，如何在保持原列車空調(diào)功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況改進(jìn)空調(diào)控制系統(tǒng)，以對(duì)原系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)。研制的新型控制單元解決了原控制系統(tǒng)無(wú)備件更換維修的問(wèn)題，為上海地鐵一號(hào)線的維護(hù)保障提供了支持。

軌道交通； 空調(diào)； 控制系統(tǒng)； 溫度控制； 成果

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.020

0　引言

地鐵車輛使用的空調(diào)系統(tǒng)是由車頂單元式空調(diào)機(jī)組、通風(fēng)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)和緊急逆變等系統(tǒng)構(gòu)成。每個(gè)空調(diào)機(jī)組由微處理器的溫度控制模塊進(jìn)行自動(dòng)控制，以保證客室始終保持在所需溫度?？刂破鞲鶕?jù)車輛上溫度傳感器傳來(lái)的數(shù)據(jù)通過(guò)數(shù)字輸入/輸出進(jìn)行通信，通過(guò)RS485/232與觸摸屏交換信息。

現(xiàn)我國(guó)既有地鐵車輛的空調(diào)控制系統(tǒng)主要為空調(diào)廠商定制設(shè)備，關(guān)鍵技術(shù)多為國(guó)外廠家掌握。而最早一批列裝的系統(tǒng)多以模擬電子技術(shù)為主，隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，舊系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法適應(yīng)形勢(shì)發(fā)展。隨著PLC技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，地鐵車輛的空調(diào)控制器實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化及通用性成為可能。

1　原控制單元存在的問(wèn)題

原控制單元為20多年前所研發(fā)，主要是以模擬電子技術(shù)為基礎(chǔ)開發(fā)的PCB線路板，在之上運(yùn)行的空調(diào)控制軟件基于DOS操作系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)，可以進(jìn)行較為簡(jiǎn)單的邏輯運(yùn)算。

圖1　原控制單元

在實(shí)際運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，繼續(xù)使用原控制單元也有著許多難以解決的問(wèn)題，比如：

（1）元器件老化，PCB板損壞后沒有備件，導(dǎo)致空調(diào)系統(tǒng)無(wú)法工作；

（2）一些控制邏輯不符合實(shí)際情況，但原系統(tǒng)由德國(guó)公司開發(fā)，現(xiàn)已無(wú)法更新；

（3）系統(tǒng)誤報(bào)故障；

（4）給用戶的工具軟件只能在windows98環(huán)境下，在20世紀(jì)的電腦上使用，這類電腦已十分難找；

（5）目標(biāo)溫度無(wú)法更改，是有些車輛車內(nèi)溫度偏高的主要原因之一

經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，如果不更換控制系統(tǒng)，上述問(wèn)題將很難解決。原控制單元由于是非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其生產(chǎn)線早已退出歷史舞臺(tái)，為購(gòu)買所需備件而重開這條生產(chǎn)線，代價(jià)將極為高昂。

2　改造方案

在保留原廠功能的基礎(chǔ)上，加入近年來(lái)的發(fā)展成果，并在實(shí)驗(yàn)室及車輛系統(tǒng)上面進(jìn)行充分試驗(yàn)后予以推廣使用。采用PID調(diào)節(jié)、壓縮機(jī)運(yùn)行控制、信號(hào)處理、故障處理與記錄等關(guān)鍵技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)原產(chǎn)品功能。

提出了技術(shù)方案如圖2所示。

方案特點(diǎn)見表1。

3　硬件設(shè)計(jì)

控制器采用目前已在軌道交通行業(yè)廣泛應(yīng)用的西門子CPU226，為了實(shí)現(xiàn)原系統(tǒng)功能，為其配備開關(guān)量輸入輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊各一個(gè)，如圖3所示。

圖2　方案圖

表1　改造方案特點(diǎn)

圖2　新控制單元組成

繼電輸出輸入模塊：用來(lái)擴(kuò)展CPU以外的開關(guān)量I/O通道，用于控制空調(diào)部件運(yùn)行停止及監(jiān)控部件運(yùn)行情況。

模擬量輸入模塊：用來(lái)讀取溫度傳感器信號(hào)，并把它轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，供CPU進(jìn)行運(yùn)算處理。

CPU226：西門子CPU226是系統(tǒng)的中央處理單元，它可以通過(guò)自身配置的I/O通道及擴(kuò)展模塊提供的I/O通道（最多128DI/128DO），對(duì)空調(diào)機(jī)組部件進(jìn)行監(jiān)控并控制空調(diào)部件運(yùn)行停止。CPU226程序存儲(chǔ)器容量24KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量10KB。CPU綜合分析所有信號(hào)并進(jìn)行邏輯運(yùn)算，根據(jù)UIC553舒適性溫度曲線計(jì)算目標(biāo)溫度，結(jié)合上海地鐵的實(shí)際運(yùn)營(yíng)情況作適當(dāng)調(diào)整，通過(guò)PID運(yùn)算計(jì)算出制冷需求，從而對(duì)空調(diào)機(jī)組發(fā)出指令。當(dāng)監(jiān)測(cè)到運(yùn)行異常時(shí)，將中止相關(guān)部件運(yùn)行，并記錄在存儲(chǔ)卡中。

上述模塊組成了新系統(tǒng)的核心單元。

互換性：原來(lái)的核心控制組件都集中在一個(gè)控制箱中，與空調(diào)配電盤通過(guò)連接器進(jìn)行電氣連接。原有控制電纜將被保留，但將根據(jù)需要添加一些信號(hào)線。這些信號(hào)線不需要更改車體的既有控制線路。對(duì)于系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件溫度傳感器，因?yàn)楦鼡Q溫度傳感器十分麻煩，考慮到調(diào)試時(shí)不能影響車輛運(yùn)營(yíng)，原有ntc溫度傳感器將予以保留，從而確保新系統(tǒng)與原系統(tǒng)的互換性。

通信接口：電腦通過(guò)USB接口與PLC相連，通過(guò)自由口通信協(xié)議向空調(diào)控制器PLC傳輸指令，以監(jiān)控空調(diào)系統(tǒng)運(yùn)行。

4　軟件設(shè)計(jì)

基本軟件功能如下：

（1）正常通風(fēng)控制。

（2）緊急通風(fēng)控制。

（3）新風(fēng)供給控制，風(fēng)門控制。

（4）壓縮機(jī)的啟動(dòng)：為避免處于同一車載逆變器的3節(jié)車編組的空調(diào)壓縮機(jī)同時(shí)啟動(dòng)，該3節(jié)車編組的空調(diào)控制器共享壓縮機(jī)的啟動(dòng)信息，讓壓縮機(jī)順序啟動(dòng)。

（5）壓縮機(jī)的運(yùn)行：根據(jù)外溫及UIC溫度舒適性曲線來(lái)確定空調(diào)系統(tǒng)的目標(biāo)溫度，然后用PID算法來(lái)計(jì)算制冷需求，根據(jù)制冷需求來(lái)控制壓縮機(jī)的運(yùn)行。

（6）壓縮機(jī)的停機(jī)：每當(dāng)壓縮機(jī)停機(jī)時(shí)，都在切斷液路電磁閥的情況下讓壓縮機(jī)繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)2分鐘來(lái)進(jìn)行pumpdown操作。

（7）冷凝風(fēng)機(jī)根據(jù)冷凝溫度進(jìn)行高低速切換。

4.1設(shè)定溫度的計(jì)算［1］

空調(diào)設(shè)定溫度（目標(biāo)溫度）計(jì)算如下：

式中 Te—車外溫度，℃；

Tic—設(shè)定溫度即目標(biāo)溫度，℃。

設(shè)定溫度可以通過(guò)監(jiān)控器進(jìn)行調(diào)節(jié)。

圖4　設(shè)定溫度與外溫的關(guān)系

4.2PID算法

PID控制器調(diào)節(jié)輸出，保證偏差（e）趨于零，使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。偏差（e）是給定值（SP）和過(guò)程變量（PV）的差。PID控制的原理基于下面的算式：輸出M（t）是比例項(xiàng)、積分項(xiàng)和微分項(xiàng)的函數(shù)。

輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)

式中 M（t）—PID回路的輸出，是時(shí)間的函數(shù)；

Kc—PID回路的增益；

e—PID回路的偏差（給定值與過(guò)程變量之差）；

Minitial—PID回路輸出的初始值。

為了能讓計(jì)算機(jī)處理這個(gè)控制算式，連續(xù)算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來(lái)計(jì)算輸出值。數(shù)字計(jì)算機(jī)處理的算式如下：

輸出=比例項(xiàng)+積分項(xiàng)+微分項(xiàng)

式中 Mn—在第n采樣時(shí)刻，PID回路輸出的計(jì)算值；

en—在第n采樣時(shí)刻的偏差值；

en-1—在第n-1采樣時(shí)刻的偏差值（偏差前項(xiàng)）；

KI—積分項(xiàng)的比例常數(shù)；

KD—微分項(xiàng)的比例常數(shù)。

4.3空調(diào)的全冷/半冷

機(jī)組1：

（1）如果機(jī)組1制冷需求A_Y_COOL1＜=5%，兩臺(tái)壓縮機(jī)都停止運(yùn)行，機(jī)組1通風(fēng)模式；

（2）如果5%＜A_Y_COOL1＜=50%，一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，機(jī)組1半冷；

（3）如果A_Y_COOL1＞50%，兩臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，機(jī)組1全冷。

機(jī)組2：

（4）如果機(jī)組2制冷需求A_Y_COOL2＜=5%，兩臺(tái)壓縮機(jī)都停止運(yùn)行，機(jī)組2通風(fēng)模式；

（5）如果5%＜A_Y_COOL2＜=50%，一臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，機(jī)組2半冷；

（6）如果A_Y_COOL2＞50%，兩臺(tái)壓縮機(jī)運(yùn)行，機(jī)組2全冷。

5　項(xiàng)目實(shí)施

所有元器件都要安裝在原控制箱箱體中。所有導(dǎo)線均采用符合軌道交通行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的低煙無(wú)鹵阻燃線材。［2］組裝完畢后，檢查軟硬件連接以及控制系統(tǒng)元器件的動(dòng)作?？刂葡到y(tǒng)必須經(jīng)過(guò)調(diào)試，確保功能無(wú)誤，才能準(zhǔn)予出廠。調(diào)試過(guò)程中必須使用安裝了西門子STEP7micro/WIN的筆記本電腦，其與控制器的接口為西門子USB編程電纜。

準(zhǔn)備工作完成后，應(yīng)嚴(yán)格按照調(diào)試指導(dǎo)書逐步檢測(cè)下載軟件、模擬量輸入、開關(guān)量輸出、開關(guān)量輸入，檢測(cè)完成后，出具檢測(cè)報(bào)告?；谏鲜龌Q性設(shè)計(jì)的考慮（所有I/O與原系統(tǒng)一一對(duì)應(yīng)），上車安裝步驟非常簡(jiǎn)單，先將原控制箱整體移出，然后把新控制箱裝入原控制箱空出的位置即可。

第一節(jié)車安裝新型控制單元后，首先對(duì)系統(tǒng)控制功能做了全面試驗(yàn)，包括系統(tǒng)啟動(dòng)控制，緊急通風(fēng)控制，制冷運(yùn)行控制，故障對(duì)策。確認(rèn)所有控制功能符合要求后，投入一號(hào)線全區(qū)間載客試運(yùn)營(yíng)。圖6為某天試驗(yàn)數(shù)據(jù)。

車內(nèi)溫度被控制在目標(biāo)溫度附近，總體情況良好，能夠滿足一號(hào)線DA01型電動(dòng)列車的維護(hù)保障要求。對(duì)于空調(diào)維護(hù)人員而言，熟悉新控制單元的使用方法很有必要，研制方于2014年6月對(duì)地鐵公司空調(diào)技術(shù)人員進(jìn)行了新控制單元具體應(yīng)用的培訓(xùn)，以更好地為一號(hào)線發(fā)揮維護(hù)保障作用。

圖5　新控制單元上車調(diào)試

圖6　車內(nèi)溫度運(yùn)行曲線

6　改造成果

通過(guò)一年多的研制和試驗(yàn)，該項(xiàng)目取得以下改造成果，基本實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目的預(yù)定目標(biāo)。

（1）研制了適用于一號(hào)線DA01型列車空調(diào)的新型控制系統(tǒng)（共8套，滿足一列車的裝車試驗(yàn)）；

（2）電氣原理圖；

（3）系統(tǒng)調(diào)試手冊(cè)；

（4）功能試驗(yàn)報(bào)告；

（5）容易獲得的備件；

（6）優(yōu)化了的新型硬件系統(tǒng)和新型應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)了新舊控制單元的硬件完全可互換性，避免影響既有車輛的實(shí)際載客運(yùn)營(yíng)；

（7）在保持原列車空調(diào)功能的基礎(chǔ)上，根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況改進(jìn)了空調(diào)控制系統(tǒng)；

（8）PID溫度調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)溫度的平穩(wěn)控制；

（9）壓縮機(jī)錯(cuò)峰啟動(dòng)控制，有效避免車輛供電系統(tǒng)過(guò)載；

（10）修正目標(biāo)溫度設(shè)定，改正原車設(shè)定值過(guò)高的不足之處；

（11）故障存儲(chǔ)、故障記錄讀取及故障名稱指示；

（12）壓縮機(jī)pumpdown停機(jī)設(shè)計(jì)；

（13）有效避免假故障報(bào)告；

（14）為目前使用的空調(diào)控制器推廣為通用型的PLC控制系統(tǒng)積累經(jīng)驗(yàn)。

7　結(jié)語(yǔ)

該項(xiàng)目擬研制的地鐵車輛空調(diào)新型控制系統(tǒng)是針對(duì)目前上海地鐵DA01型電動(dòng)列車空調(diào)控制系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)的，由于其他車輛上的空調(diào)系統(tǒng)在輸入/輸出信號(hào)和控制方式上有較大的相似性，因此本研究成果將較為容易地移植到其他線路車型如1、2、3、6、8號(hào)線中使用，為上海地鐵提供有效保障。并有望將目前使用的空調(diào)控制器推廣為通用型的PLC控制系統(tǒng)，便于今后控制設(shè)備的維修與備件采購(gòu)。

［1］UIC553-2004，Heating，ventialtion and air-conditioning in coaches［S］.

［2］TB3138-2006，機(jī)車車輛阻燃材料技術(shù)條件［S］.

Improvement and Updating Research of the Air Contioning Control System of Shanghai Metro DA01 Electric Vehicle

MA Wen1， WU Peng2
（1.Shanghai Shentong Metro Group Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China；2.Shanghai UPWIN Electromechanical Technology Maintenance Co.，Ltd，Shanghai 200110，China）

Introduced the developing of the new air conditioning control system of DA01 type electric vehicle of Shanghai rail transit line 1，including the researching of the hardware and software of the oringinal control unit，the existing problems.Introduced how to improve the perfomance of the air conditioning control system according to the operation，maintaining the oringinal functions，to update the old system.The scarceity of the spare parts of the old control system has been solved by developing the new control unit.It supported the maintenance of Shanghai metro line 1.

rail transit； air conditioning； control system； temerature control； achievement

U270.383

B

2095-3429（2015）02-0078-04

馬文（1978-），女，山東人，工學(xué)學(xué)士，工程師，主要從事上海地鐵車輛的大修技術(shù)管理工作；

吳鵬（1975-），男，湖北人，工學(xué)碩士，工程師，從事電氣/軟件設(shè)計(jì)工作。

2015-04-21

2015-04-27