基于高速列車空調(diào)系統(tǒng)用空調(diào)控制器的設(shè)計(jì)

西安中車永電捷通電氣有限公司 崔 新

本文設(shè)計(jì)的空調(diào)控制器安裝在空調(diào)控制柜內(nèi)部，配合斷路器、接觸器、繼電器、傳感器等元件，其可以自動(dòng)完成空調(diào)系統(tǒng)的控制、保護(hù)、故障診斷和故障記錄等功能，使空調(diào)系統(tǒng)工作在預(yù)冷、預(yù)熱、通風(fēng)、制冷、制熱、應(yīng)急通風(fēng)等模式。

現(xiàn)如今，我國(guó)高速列車的空調(diào)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用車頂單元式空調(diào)設(shè)施。從該設(shè)備開發(fā)應(yīng)用以來的統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，車頂單元式空調(diào)系統(tǒng)能夠在夏天制冷、冬天制暖方面發(fā)揮至關(guān)重要的作用，其通過對(duì)列車內(nèi)溫度的合理控制，為乘客創(chuàng)造了相對(duì)舒適的乘車環(huán)境。要使高速列車的車內(nèi)環(huán)境滿足規(guī)定的基本要求，就必須有一整套的空調(diào)設(shè)備及相應(yīng)的列車空調(diào)控制系統(tǒng),包括客室空調(diào)機(jī)組、空調(diào)控制柜、司機(jī)室空調(diào)、廢排裝置和壓力波保護(hù)裝置五大部件。

圖1 空調(diào)控制器通信接口

1 空調(diào)控制器硬件架構(gòu)

1.1 空調(diào)控制器的用途及功能

空調(diào)控制器是空調(diào)控制系統(tǒng)的核心部件，將其安裝在空調(diào)控制柜中，通過對(duì)室內(nèi)外的溫度采集、輸入信號(hào)采集、壓力傳感器信號(hào)采集等，按照控制算法、保護(hù)邏輯以及控制時(shí)序輸出數(shù)字信號(hào)，其控制繼電器、接觸器、電磁閥等的開關(guān)和閉合，使空調(diào)系統(tǒng)具有制冷、制熱、預(yù)冷、預(yù)熱、通風(fēng)、溫度控制、緊急通風(fēng)、緊急關(guān)閉、壓力保護(hù)等功能。

圖2 電路框架

空調(diào)控制器具有多種通信接口，通信接口見圖1。

1.2 硬件架構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 電路架構(gòu)

空調(diào)控制器硬件采用大板架小板的架構(gòu)，其由兩塊基板組成：信號(hào)基板（KIO基板）、主控基板（KCU基板），電路架構(gòu)見圖2。

1.2.2 基板功能介紹

（1）KIO基板

KIO基板主要完成電源轉(zhuǎn)換、外部信號(hào)采集和控制信號(hào)輸出等任務(wù)，其主要功能如下：110 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為24 V輸出，為壓力波控制器、觸摸屏提供電源電壓；110 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為5 V輸出，為KIO基板提供5 V電源；完成空調(diào)控制裝置開關(guān)狀態(tài)反饋信號(hào)的采集，DI采樣電路為75路110 V輸入，經(jīng)過處理后輸入至KCU基板；控制外部繼電器開關(guān)器件的動(dòng)作，DO電路有35路110 V輸出；監(jiān)視110 V電源和5 V電源狀態(tài)，經(jīng)過光耦隔離，輸入至KCU基板；9路溫度傳感器采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)隔離后輸入至KCU基板；1路位置傳感器采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)隔離后輸入至KCU基板；4路壓力傳感器采樣，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過信號(hào)隔離后輸入至KCU基板；并為壓力傳感器提供5 V電源電壓；1路CAN通信，1路RS485通信；6路LED燈顯示空調(diào)控制器的運(yùn)行狀態(tài)。

（2）KCU基板

KCU基板為主控板，接收模擬采樣信號(hào)以及數(shù)字輸入信號(hào)等，按照保護(hù)邏輯以及控制時(shí)序輸出數(shù)字信號(hào)，其主要功能：讀取數(shù)字輸入信號(hào)狀態(tài)，根據(jù)保護(hù)動(dòng)作跟時(shí)序邏輯要求輸出數(shù)字信號(hào)，控制外部接觸器的打開或者閉合；以太網(wǎng)通信電路；車號(hào)設(shè)置功能；時(shí)間管理功能；MVB通信電路等。

1.2.3 硬件電路特點(diǎn)

（1）110 V數(shù)字輸入電路共75路，采用總線的讀取方式，使用信號(hào)隔離進(jìn)行前后級(jí)隔離；110 V數(shù)字輸出電路35路，使用光耦進(jìn)行前后級(jí)隔離。

圖3 空調(diào)控制器控制軟件功能模塊劃分圖

圖4 輻射發(fā)射試驗(yàn)

（2）溫度采集和壓力采集采用獨(dú)立的隔離電源，相互之間不會(huì)有干擾，且不會(huì)因?yàn)橥饨绲母蓴_影響基板內(nèi)的其他信號(hào)。外部輸入信號(hào)和進(jìn)入FPGA信號(hào)之間使用信號(hào)隔離，前后級(jí)隔離電壓2500 Vrms。AD轉(zhuǎn)換芯片采用低功耗的AD7328，8通道13位精度（12位+符號(hào)位）。

（3）RS485通信采用隔離芯片MAX1480，速率最高到2.5 Mbps；CAN通信采用隔離芯片MAX 14880，最高速率1 Mbps。前后級(jí)隔離電壓5 KVrms，滿足浪涌4級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

（4）邏輯控制與算法實(shí)現(xiàn)采用成熟的DSP+FPGA架構(gòu)，外掛SRAM、FLAH、NDNFLASH等，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)行狀態(tài)與故障實(shí)時(shí)存儲(chǔ)。

（5）控制器外部增加DSP與FPGA呼吸燈，實(shí)時(shí)觀測(cè)芯片運(yùn)行狀態(tài)。

（6）以太網(wǎng)通信可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程升級(jí)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)下載。

2 軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

空調(diào)控制器軟件采用DSP+FPGA架構(gòu)，控制軟件由DSP軟件、FPGA、上位機(jī)軟件三部分組成，各個(gè)部分的模塊的功能劃分如圖3所示。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

空調(diào)控制器實(shí)物樣機(jī)經(jīng)過了完整的型式試驗(yàn)，其各項(xiàng)功能工作穩(wěn)定，可以在制冷、制熱、半制冷、半制熱、通風(fēng)等模式下運(yùn)行；根據(jù)外界模擬溫度，制冷制熱模式切換。

按照標(biāo)準(zhǔn)動(dòng)車組要求，環(huán)境試驗(yàn)和電磁兼容試驗(yàn)已經(jīng)完成第三方試驗(yàn)。輻射發(fā)射試驗(yàn)布置圖和試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

結(jié)論：本文介紹了空調(diào)控制器主要功能、硬件架構(gòu)和軟件架構(gòu)等。硬件采用大板加小板的架構(gòu)，減小了控制器的外形尺寸，節(jié)省了空間；軟件采用DSP+FPGA的架構(gòu)，DSP進(jìn)行算法控制，F(xiàn)PGA進(jìn)行邏輯操作和通信。該空調(diào)控制器安裝在控制柜中，完成了整個(gè)空調(diào)系統(tǒng)的性能試驗(yàn)和第三方試驗(yàn)，空調(diào)系統(tǒng)標(biāo)稱制冷量達(dá)到45.68 KW，能效比2.41，超負(fù)荷制冷量達(dá)到45 KW，能效比1.93。