力控在列车空调实验台监控中的应用———列车空调实验台监控系统

　前 言
　　概况
　　我国幅员辽阔，人口众多，铁路客车是我国旅客的主要客运工具。随着我国人民生活水平的提高和旅游事业的迅速发展，人们对铁路客运条件的要求越来越高。现代客车不但要保证安全高速地运行，而且还要为旅客和车上工作人员尽可能地创造舒适卫生的环境，因此，我国铁路的各大干线上相继开出了全列空调客车，取得了良好的社会效益。自铁路列车普遍实现提速，更加促进了铁路的发展，列车空调装备及其技术将经受更大的考验，对其设计制造与运行管理提出了更高的要求。同时还要适应更高目标，为满足准高速与高速铁路的需要，积极作好技术准备。
　　近年来随着计算机技术的不断发展，计算机在暖通空调领域有了广泛的应用。其应用的一个重要方面，就是利用计算机系统对暖通空调进行智能化监测、控制和管理。妥善地运用计算机技术于暖通空调系统的控制管理中，可以有效地改善系统运行品质，节省运行能耗，提高管理水平，并减少运行管理劳动强度，取得良好的经济效益和社会效益，这在国内许多工程中都已得到证实。经验表明，只有根据暖通空调工艺过程要求，结合实际的需求情况，充分发挥计算机技术的特点，恰当地确定系统功能，明确主要需解决的问题，才能收到投资少、效益高的效果。
　　课题来源
　　本课题为铁道部四方车辆研究所与青岛建筑工程学院共同承担的铁道部重点课题。青岛建筑工程学院暖通专业实验室已针对该课题为青岛南车四方机车车辆股份有限公司设计了一整套列车空调模拟实验台，本论文即针对其中的监控系统做主要研究，从而建立起实验与实践的桥梁。
　　设计的目的
　　建立本列车空调模拟实验台的目的是为了检测列车空调的性能和质量，模拟实际列车空调的工况，记录实验的测定值，为暖通专业人员提供实验记录，最后根据实验的工况，设计实际列车空调的运行状态，以提高列车的舒适度。
　　作者的主要工作
　　这套系统所用软件为北京三维力控科技股份有限公司的ForceControl 2.6版，主要模拟列车车厢和夹套的空调工况，以及设计完全针对实验台的温度、风速的实时检测和报表系统。
　　1. 设计列车实验台车厢部分的空调送风，温度，湿度，压力，风机转动，冷、热水盘管，加湿，排水及阀门开度的控制和检测系统；
　　2. 设计列车实验台夹套部分的空调送风，温度，风机转动，冷、热水盘管的控制和检测系统；
　　3. 设计实验用温度、风速的实时监测和报表系统。
　　
　　第一章 实验室简介
　　
　　1.1铁路客车实际运行参数
　　铁路旅客列车空调参数要求为：夏季室外气温35℃时，车内应为23℃~27℃，最高不超过29℃，相对湿度为60%~70%，冬季室外气温-15℃时，车内应为18℃~20℃，相对湿度30%~40%。要求每位旅客应有20~25m3/h新鲜空气，风速在0.2m/h左右，含尘量不大于1mg/m3,还要求尽量降低噪声，振动等有害因素。
　　
　　1.2实验室简介
　　本实验室由车厢模拟间，控制室，设备间组成。车厢模拟间为一模拟实际运动火车车厢的钢板箱体。钢板厚度为3 mm；箱体尺寸：30×3.3×3.3(米)。模拟列车工况为：冬季室外温度－20℃，车厢内温度18℃，相对湿度30％。夏季室外温度35℃，车厢内温度25℃，相对湿度60％。车厢内的工况通过室外冷热水机组和室内空调箱来保证。
　　实验室所处实验室内车厢与周围墙体之间的空间为夹套部分，这部分相当于火车实际运行时的室外环境。在实验中如果模拟真实室外工况，难度很大，而且能耗大；另外由于钢板传热系数很大，我们可近似认为车厢内外壁温度一致。所以这时我们可以通过控制夹套温度，使实验室车厢内壁温度与实际火车运行时的内壁温度一致，从而达到我们模拟火车车厢内空气实际工况的目的。夹套内的工况通过室外机组和风管机室内机组来保证。为了防止夹套通过墙壁传热，夹套内壁全部贴有苯板。
　　控制室在实验台相邻房间，放置各种采样测量设备。设备间主要放置列车实验台和夹套中所使用的风机盘管、室内空调箱、表冷器、水泵、电加热器、Defensor MK5型加湿器、分水器、集水器等，并安装摄像头以监视设备间的运行情况。电气设备主要有ABB变频器系列 ACS400型和ACSl40型变频器、KANOMAX公司的Model 1550多通道气流分析仪、Modell504型模板、惠普HP34970A数据采集器、CHINT变压器等。
　　实验台平面布置参见图1-1


　　1.3.2控制部分
　　
　　ABB变频器
　　本实验室采用ABB变频器系列的ACS400型和ACS140型的变频器控制风机的旋转速度，进而实现对风道风量的控制。ACS400型控制风道的送风风量，ACS140型控制风道的回风风量。
　　ACS400型变频器用于2.2-37KW鼠笼式电机的速度和转矩控制。在本课题中利用变频器控制电机的旋转速度，再根据电机速度与风道风量的关系，实现对风量的控制。
　　
　　电加热器
　　本课题中采用WP系列PID自整定控制仪控制电加热器动作。它适用于需要进行精度测量控制的系统，可根据被控对象自动演算出最佳的PID控制参数。也可选用手动控制方式，由用户根据实际需要，自行设定PID控制参数。
　　仪表的输入信号为Pt100热电阻传感器输出的4-20mA的电流信号，输出量同样为4-20mA的电流信号。测量范围为-1999~9999字；测量精度为0.2%FS±1字或0.5%FS±1字。该仪表具有多种标准串行通讯功能，可通过RS-485串行通讯端口实现与上位机的通讯；通讯波特率300~9600bps。
　　
　　电极式加湿器
　　加湿器专门用于房间的直接或间接加湿。本实验室用Defensor MK5型加湿器控制车厢内的温度。
　　Defensor MK5是一种产生非高压蒸汽的加湿器，控制电压380V/50~60HZ。加湿器在工作时将自来水或去离子水电离产生蒸汽，增加车厢内的空气湿度。加湿器可以用RS-232或RS-485通讯接口与上位机进行通讯。
　　
　　第二章 监控系统的设计
　　
　　2.1概述
　　空调系统可以分为两部分：车厢内空调系统和夹套内空调系统。其中车厢内空调系统是为了保证其要求工况。由于车厢外冬夏季模拟难度较大，而且厢壁为一薄钢板，传热系数大。所以本实验采用模拟车厢内壁温度的方法，在夹套内设置空调送风系统。从而保证车厢内壁温度与列车实际运行时的内壁温度相同。
　　
　　2.2车厢内空调监控系统的设计
　　
　　2.2.1监控要求：
　　1.总开关的启／停
　　2.根据送风温度，调节冷／热水的流量，使室内温度保持在设定的范围内。
　　3.自动监测过滤网压差，堵塞时报警，提示清洗过滤网，提高过滤效率。
　　4.进行节能控制：当空气质量在许可的情况下即在保证必要的新风量的前提下，充分利用回风冷／热量，对室内温度进行调节；当室外温度与室内温度的设定值相近时，利用新风对室内温度进行调节，这样可以大大降低能源的消耗。
　　5.空调机各设备进行连锁控制，当总开关关闭时，关闭各阀、风机。
　　6.每一个设备通过彩色图形显示显示不同的状态，显示每个参数的值，可通过控制器修改设定值，以求达到最佳工况。
　　7.达到最佳的节能效果和营运环境。
　　2.2.2空调机组
　　冷热水机组选用三菱重工海尔RCU50(B)型机组两台。其部分参数如下：


　　选用TRNAE厂家0805空调箱，参数如下：


　　空调箱组成：回风段、新风段、表冷段、加湿段、电加热段、送风段。注：机组使用回风机和送风机两台风机，在送风段之后装有喷嘴流量计。空调箱使用的冷媒为冷热水机组提供的冷热水。
　　2.2.3 监控界面
　　下面是各个模拟点的名称和内容，共146个



　　下面是各个数字点的名称和内容，共12个


　下面就是车厢监控系统图，见图2-2




　　2.3夹套内空调监控系统的设计
　　
　　2.3.1监控要求
　　1.总开关的启／停
　　2.根据送风温度，调节冷／热水的流量，使室内温度保持在设定的范围内。
　　3.自动监测过滤网压差，堵塞时报警，提示清洗过滤网，提高过滤效率。
　　4.进行节能控制：当空气质量在许可的情况下即在保证必要的新风量的前提下，充分利用回风冷／热量，对室内温度进行调节；当室外温度与室内温度的设定值相近时，利用新风对室内温度进行调节，这样可以大大降低能源的消耗。
　　5.空调机各设备进行连锁控制，当总开关关闭时，关闭各阀、风机。
　　6.每一个设备通过彩色图形显示显示不同的状态，显示每个参数的值，可通过控制器修改设定值，以求达到最佳工况。
　　7.达到最佳的节能效果和营运环境
　　
　　2.3.2空调机组
　　选用三菱重工海尔RFU25WD型风管机两台，室内机组的冷媒为室外机组的制冷剂 。其部分参数如下：


　　2.3.3.监控界面




　　第三章 实验用温度、风速实时检测系统
　　3.1温度测试系统设计
　　本实验中温度的测量仪器有：水银温度计、测风仪、热电偶温度计。水银温度计和测风仪在本实验中为辅助性测量仪器，热电偶温度计为主要温度测量仪器。
　　水银温度计：该试验中水银温度计主要用于热电偶的标定。精度0.1℃，测量范围－1℃至51℃。
　　测风仪可以测量温度、速度及压力。测量温度的精度为0.1℃，测量范围为1到100℃。
　　热电偶温度计是本实验中主要的温度测量仪器，用于设备间、夹套、车厢内各点温度的测量。其温度测试系统包括温度传感器、数据采集∕开关单元、插入式模块、计算机、打印机
　　根据测温范围、热电偶的灵敏度以及测量误差的要求，本设计选择采用T型热电偶作为温度传感器。
　　本实验自做了90个铜－康铜热电偶。将铜丝和康铜两种不同的导体，在一端用直流电弧焊装置将它们焊接，焊点呈光滑的小圆球形，主要是使焊点与被测点良好接触，并减少误差，提高测量的精确性。为了保护和区分热电偶，铜丝和康铜外面都套有不同颜色的塑料软管，铜丝套红色，康铜套白色。为了适应测点离控制室的距离的远近，热电偶按长度和位置的不同分为不同的规格，不同规格的热电偶在套软管时都在塑料管上贴上标签，使用时能很好的区分。具体的规格如下：


　　温度测点的布置
　　根据实验所需温度值的需要，设备间、夹套、车厢里的测点分布分别为10组、10组、70组。具体布置如下：
　　设备间：H1～H10
　　夹 套：G1～G10
　　车 厢：
　　LA1～LA10 RA1～RA10
　　LB1～LB5 RB1～RB5
　　LC1～LC5 RC1～RC5
　　LD1～LD5 RD1～RD5
　　LE1～LE5 RE1～RE5
　　LF1～LF5 RF1～RF5


　　本实验室采用惠普HP34970A数据采集器，采集后的数据除在实时系统中显示，还可有历史报表的功能。


　　3.2 风速测试系统的设计
　　风速测试系统由多通道气流分析仪、传感器、Model1504型模板、计算机打印机组成。另外测风仪也具有测风速的功能，主要用于风道风速的测定。
　　本实验风速的测量采用的是Model 1550多通道气流分析仪，由KANOMAX公司生产的专门用于测试和分析房间气流的仪器。该分析仪使用10块1504四通道空气速度测试接口模块，每个模块有4个通道，因此该仪器有40个通道，每个通道与一个0965－08型传感器探针通过电缆相连接。


　　风速测试系统图见图3-6


　　本实验研究中采用的传感器探头是与1550多通道气流分析仪相配套的KANOMAX公司生产的0965－08热球式风速仪传感器探头。
　　与测温度系统相同，测风速系统也具有历史报表功能。