摘要：本文介紹了一種地鐵列車空調(diào)控制器的設計與應用，詳細描述了該控制器的硬件配置和軟件設計。空調(diào)機組調(diào)試結果表明，該控制器運行穩(wěn)定可靠，可以快速實現(xiàn)各種控制和保護功能，確保地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的安全和連續(xù)運行。

關鍵詞：地鐵列車，空調(diào)控制器，空調(diào)機組控制與保護

資料提供：本文涉及方案已在用戶現(xiàn)場實施，技術方案先進，運行穩(wěn)定。歡迎聯(lián)系藍普鋒深入探討、交流。

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1 引言

 作為一種快速、舒適和環(huán)保的交通工具，地鐵在我國的各大城市開始迅速地投入建設和使用，已經(jīng)成為城市居民生活必不可少的交通工具。社會的進步，使人們對于乘坐地鐵時的舒適度提出了更高的要求，地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)作為車廂空氣的溫度、濕度和氣流速度等參數(shù)的控制系統(tǒng)，對車廂內(nèi)的舒適度控制起著至關重要的作用。本文分析了地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的控制要求，進行了控制系統(tǒng)的方案設計和硬件配置，根據(jù)不同的控制功能開發(fā)了空調(diào)機組的控制程序，較好地實現(xiàn)了多種控制功能。

2 地鐵列車空調(diào)控制器的功能分析

 地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)以空調(diào)控制器為核心，在斷路器、接觸器、繼電器和傳感器等相關電氣組件的配合下，自動完成地鐵列車空調(diào)機組的動作控制、運行保護、故障診斷和故障記錄等功能。地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)的結構形式為控制柜形式。每節(jié)列車安裝一臺控制柜，負責控制每節(jié)列車的兩臺空調(diào)機組。每臺空調(diào)機組包括2臺通風機、2臺冷凝風機、2臺壓縮機、2組新風預熱器、2個新風閥和1個回風閥等設備，可以實現(xiàn)通風、半冷、全冷、預冷、半暖、全暖、預暖、減載、緊急通風和停機等功能。

（1）控制方式

地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)主要通過空調(diào)控制器實現(xiàn)每節(jié)車廂內(nèi)的環(huán)境調(diào)節(jié)，達到乘客所需的舒適性要求。在一般情況下，列車的空調(diào)系統(tǒng)由司機室集中控制，因此空調(diào)控制器需要具有完備的通訊能力，通過多功能車輛總線與列車管理系統(tǒng)進行信息交互，接收來自列車管理系統(tǒng)的指令，報告地鐵列車空調(diào)機組的工作狀態(tài)和故障信息。空調(diào)控制器具有本地控制和遠程控制兩種模式。本地控制模式主要用于空調(diào)機組的調(diào)試，可以通過控制柜內(nèi)的模式選擇開關實現(xiàn)對空調(diào)機組的控制，在列車網(wǎng)絡故障等緊急情況下也使用本地控制模式。在一般情況下使用遠程控制模式，空調(diào)控制器由司機室控制，可以單獨設定和操作每節(jié)車廂的空調(diào)機組，實現(xiàn)通風、半冷、全冷、預冷、半暖、全暖、預暖、減載、緊急通風和停機等功能。

（2）運行模式

空調(diào)機組具有制冷和制暖功能，以適應不同季節(jié)乘客的乘車環(huán)境需求。為了更好地為乘客提供舒適的環(huán)境，空調(diào)機組具有多種工作模式，主要包括通風、半冷、全冷、半暖和全暖等工作模式。

當車廂內(nèi)溫度適宜時，空調(diào)機組并不需要啟動制冷或制暖，但列車是一個封閉空間，空調(diào)機組需要通風運行，以使車廂內(nèi)空氣流通。當車廂內(nèi)需要制冷，但制冷需求不是很大時，空調(diào)機組運行半冷模式。當車廂內(nèi)的制冷需求增大時，空調(diào)機組運行全冷模式，空調(diào)機組的制冷系統(tǒng)全部運行。當車廂內(nèi)溫度較低時，空調(diào)機組運行制暖模式，包括半暖和全暖。半暖時，開啟空調(diào)機組的一半制熱設備。全暖時，開啟空調(diào)機組的全部制熱設備。

（3）保護功能

為了保護機組，空調(diào)機組每個設備的啟動和停止需要遵循一定的時序。例如，機組的通風機未啟動時，該機組的冷凝風機不能啟動。機組的各個設備需要相應的保護，例如過載保護。當機組發(fā)生故障時，空調(diào)控制器應當及時進行處理，以免造成更大損壞。空調(diào)控制器還應有故障記錄功能，記錄故障發(fā)生時的詳細信息，以供列車維護人員和空調(diào)廠家進行維護分析。

3 地鐵列車空調(diào)控制器的硬件設計

 通過分析地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的功能，北京藍普鋒科技有限公司專門設計了一種新型的地鐵列車空調(diào)控制器，外觀如圖1所示。

圖1 地鐵列車空調(diào)控制器

圖1所示的地鐵列車空調(diào)控制器集成了62路24VDC數(shù)字量輸入通道、44路繼電器輸出通道和4路熱電阻輸入通道，程序存儲區(qū)的最大容量為400K字節(jié)，數(shù)據(jù)存儲區(qū)的最大容量為15K字節(jié)，硬件定時器的最小時間單位為0.1ms，軟件定時器的最小時間單位為1ms，計數(shù)器的字長為16位，布爾量的運算速度為0.06μs。這種控制器具有集成度高、控制功能豐富、功耗低、實用性強、運算速度快、穩(wěn)定可靠等特點。

空調(diào)控制器安裝在每節(jié)車廂的控制柜內(nèi)。如果空調(diào)機組運行正常，并不需要經(jīng)常操作空調(diào)的控制器，因此無須在每個控制柜內(nèi)設置觸摸屏等顯示設備，而是通過控制器本身的指示燈面板顯示空調(diào)機組的運行狀態(tài)。在空調(diào)控制柜內(nèi)安裝有空調(diào)模式開關，可以對空調(diào)控制器的工作模式進行設置。在正常情況下，列車管理系統(tǒng)通過多功能車輛總線與列車空調(diào)控制器進行通訊，再輔以模式開關和控制器指示燈，實現(xiàn)對空調(diào)機組的控制和維護。

根據(jù)地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的工作原理和控制要求，基于北京藍普鋒科技有限公司新型空調(diào)控制器的地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)結構如圖2所示。

 圖2 地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)的結構

4地鐵列車空調(diào)控制器的程序設計

 地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)的主要的功能是對列車空調(diào)機組的各個設備進行控制，并判斷各個機組的工作狀態(tài)。根據(jù)地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)的功能，將控制器的程序分為本地控制程序、集中控制程序、機組保護程序、網(wǎng)絡通訊程序和故障記錄程序等部分。由于控制器的程序功能較多且邏輯復雜，為了簡化程序，使其結構清晰、便于調(diào)試和維護，將程序按照不同的功能分為若干個子程序，每個子程序完成空調(diào)機組控制的一部分功能，通過主程序調(diào)用子程序，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制。

4.1 本地控制程序

       本地控制主要指由空調(diào)模式選擇開關控制機組的運行。司機室的空調(diào)模式選擇開關通過三個開關量點，按照BCD編碼的形式切換其中不同的狀態(tài)，分別是集控、停機、通風、半冷、半暖、全冷和全暖等7種工作模式。在各種工作模式下，機組的新風閥和回風閥均為打開狀態(tài)。

（1）集控模式

控制器工作模式由司機室集中控制。

（2）停機模式

除司機室送風單元外，其他所有設備均停止工作。司機室送風單元的起停，通過司機室的硬線信號來控制。

（3）通風模式

僅運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。

（4）半冷模式

運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動兩臺機組共四臺冷凝風機。再延時5s后，啟動機組1的一臺壓縮機。再延時3s后，啟動機組2的一臺壓縮機。

（5）全冷模式

運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動兩臺機組共四臺冷凝風機。再延時5s后，按順序啟動兩臺機組的4臺壓縮機，每臺壓縮機之間均延時3s啟動。

（6）半暖模式

運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動機組1的一臺新風預熱器。再延時5s后，啟動機組2的一臺新風預熱器。再延時5s后，啟動一組客室電加熱器。

（7）全暖模式

運行機組的四臺通風機和客室幅流風機。延時5s后，啟動兩臺機組共四臺新風預熱器，每臺新風預熱之間均延時5s啟動。新風預熱器全部啟動后，延時5s，啟動兩組客室電加熱器，這兩組客室電加熱之間需要延時5s啟動。

4.2 集中控制程序

       當司機室的空調(diào)模式選擇開關切換到集控位時，控制器工作模式由司機室集中控制。集中控制分為停止、通風和網(wǎng)控等3種狀態(tài)，這3種狀態(tài)的開關為硬線輸入信號。

（1）當控制器檢測到開關狀態(tài)為停止時，空調(diào)機組不工作。

（2）當控制器檢測到開關狀態(tài)為通風時，空調(diào)機組工作在通風模式下，運行狀態(tài)與本地控制下的通風模式相同。

（3）當控制器檢測到開關狀態(tài)為網(wǎng)控時，空調(diào)機組由列車運行管理系統(tǒng)控制，列車司機通過觸摸屏來設置空調(diào)機組的運行狀態(tài)。網(wǎng)控的模式分為停止、自動冷、自動暖、通風、應急通風、半冷、全冷、半暖和全暖等9種模式。其中停止、通風、半暖、全暖、半冷、全冷的工作模式與本地控制下的停機、通風、半暖、全暖、半冷、全冷的工作模式相同。在網(wǎng)控的模式下，壓縮機的啟動需由列車運行管理系統(tǒng)發(fā)送的啟動命令來啟動。如果空調(diào)機組運行制冷需要啟動壓縮機時，只有接收到列車運行管理系統(tǒng)給本車廂發(fā)送的壓縮機啟動信號，才會啟動該壓縮機。

下面介紹網(wǎng)控的自動冷、自動暖和應急通風等3種工作模式。

（1）網(wǎng)控自動制冷模式和網(wǎng)控自動供暖模式

在每節(jié)車廂內(nèi)設置2個新風溫度傳感器和2個回風溫度傳感器，將2個回風溫度傳感器的數(shù)值平均后作為機組的回風溫度。在司機室設定每節(jié)車廂的目標溫度后，空調(diào)控制器通過比較回風溫度和目標溫度，自動調(diào)整每節(jié)車廂的空調(diào)工作狀態(tài)。當每節(jié)車廂的乘客數(shù)量不同時，所需的制冷量或供暖量不同，機組可以自動改變工作模式，使本節(jié)車廂的空氣環(huán)境自動適應乘客的需求。

（2）網(wǎng)控自動應急通風模式

網(wǎng)控自動應急通風模式是指當?shù)罔F列車在地下運行時，遇到停電等緊急情況時，為了保證列車內(nèi)的空氣流通，使用備用電源，機組的通風機降壓運行。緊急通風模式主要受列車管理系統(tǒng)控制。當機組收到應急通風指令后，或當網(wǎng)絡故障時，空調(diào)系統(tǒng)檢測到主電源故障，延時2分鐘后，客室空調(diào)機組制冷和制暖系統(tǒng)、客室幅流風機、客室電加熱器、司機室送風單元停止工作。再延時5s后，接通機組緊急通風接觸器、司機室送風單元緊急通風接觸器、客室幅流風機緊急通風接觸器，然后向緊急通風逆變器發(fā)送啟動緊急通風的硬線信號，使系統(tǒng)工作在應急通風模式。在緊急通風模式下，機組的回風閥全部關閉，新風閥全部打開。

4.3 機組保護程序

       地鐵列車空調(diào)控制系統(tǒng)具有故障處理功能。對于控制系統(tǒng)，不僅要求能夠控制各個設備的運行，而且要求當設備出現(xiàn)非正常情況時，能夠迅速做出應對措施，將故障的影響降低到到最小。

（1）風機過載保護

機組的風機包括通風機、冷凝風機和客室幅流風機。

當機組的某臺通風機發(fā)生過載故障后，該機組的冷凝風機和壓縮機停止工作，但需要保持另一臺通風機工作。如果該機組的兩臺通風機都過載，則該空調(diào)機組全部停機，不影響另一臺空調(diào)機組的工作。

當機組的某臺冷凝風機發(fā)生過載故障后，該臺冷凝風機停止工作，同時壓縮機也停止工作。如果持續(xù)5分鐘后，故障信號仍未恢復，則鎖死故障，即故障信號恢復后，也不會再啟動該臺冷凝風機，只有機組重啟或停機才能解鎖。當某臺冷凝風機故障鎖死后，另一臺冷凝風機也需停止工作，該機組僅保持通風運行。

當機組的客室幅流風機發(fā)生過載故障后，僅停止該客室幅流風機的工作。

（2）壓縮機保護

壓縮機是空調(diào)系統(tǒng)中最重要的設備，壓縮機的保護包括壓力保護、排氣溫度保護和過載保護等。

壓縮機的壓力保護分為低壓保護和高壓保護，二者的保護原理相似，均采用常閉的開關量信號進行判斷。當壓力故障信號產(chǎn)生后，壓縮機先停機2分鐘。如果2分鐘后壓力故障信號恢復，則壓縮機正常運行。如果仍未恢復，則鎖死故障。如果故障恢復正常，壓縮機運行2分鐘內(nèi)再次發(fā)生故障，則鎖死故障。如果2分鐘內(nèi)未發(fā)生故障，但是2至15分鐘內(nèi)又發(fā)生故障，則故障次數(shù)增1并重新檢測故障。如果此種情況使故障次數(shù)超過3，則鎖死故障。

壓縮機排氣溫度保護也采用常閉的開關量信號進行判斷。當排氣溫度過高導致開關量斷開后，壓縮機停止工作并鎖死故障。

4.4 網(wǎng)絡通訊程序

       由于列車空調(diào)系統(tǒng)要接受列車管理系統(tǒng)的集中控制，因此空調(diào)控制器應當按照列車管理系統(tǒng)的多功能車輛總線協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸。在本系統(tǒng)中，空調(diào)控制器是從站，列車管理系統(tǒng)是主站，從站接受主站命令，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

4.5 故障記錄程序

       空調(diào)控制器具有記錄故障信息的功能。當列車空調(diào)系統(tǒng)發(fā)生故障時，控制器便會記錄下故障發(fā)生的類型和時間等信息。空調(diào)控制器將故障信息利用堆棧的方式保存在本身的掉電保持區(qū)，最大可以存儲500條故障記錄，用于空調(diào)機組維護人員對列車空調(diào)系統(tǒng)進行綜合分析。

5 地鐵列車空調(diào)控制器的應用

 基于北京藍普鋒科技有限公司新型空調(diào)控制器的地鐵列車空調(diào)機組如圖3所示。經(jīng)過系統(tǒng)配套與聯(lián)調(diào)測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，完全滿足地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)的要求，取得了非常好的效果，得到了用戶的好評。本新型空調(diào)控制器具有下列優(yōu)點：

（1）空調(diào)控制器運行穩(wěn)定，連續(xù)工作時間長，給地鐵列車空調(diào)系統(tǒng)提供了堅實保障。

（2）空調(diào)控制器具有模塊化的結構，使用簡單方便。

（3）各種保護迅速可靠，并且具備故障記錄功能，發(fā)現(xiàn)問題能夠及時解決，給用戶的使用帶來極大方便。

圖3 地鐵列車空調(diào)機組

 該新型空調(diào)控制器的成功研發(fā)，不僅是空調(diào)控制器產(chǎn)品的一次超越，更體現(xiàn)了國產(chǎn)控制器在空調(diào)行業(yè)的應用中邁上了新臺階。以北京藍普鋒科技有限公司為代表的國產(chǎn)控制器越來越成熟和完善，為我國各行各業(yè)的自動化應用帶來了一個全新的面貌。

參考文獻

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