概況
我國幅員遼闊，人口眾多，鐵路客車是我國旅客的主要客運(yùn)工具。現(xiàn)代客車不但要保證安全高速地運(yùn)行，而且還要為旅客和車上工作人員盡可能地創(chuàng)造舒適衛(wèi)生的環(huán)境，因此，我國鐵路的各大干線上相繼開出了全列空調(diào)客車，取得了良好的社會效益。自鐵路列車普遍實(shí)現(xiàn)提速，更加促進(jìn)了鐵路的發(fā)展，列車空調(diào)裝備及其技術(shù)將經(jīng)受更大的考驗，對其設(shè)計制造與運(yùn)行管理提出了更高的要求。同時還要適應(yīng)更高目標(biāo)，為滿足高速鐵路的需要，積極作好技術(shù)準(zhǔn)備。
近年來隨著計算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機(jī)在暖通空調(diào)領(lǐng)域有了廣泛的應(yīng)用。其應(yīng)用的一個重要方面，就是利用計算機(jī)系統(tǒng)對暖通空調(diào)進(jìn)行智能化監(jiān)測、控制和管理。妥善地運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制管理中，可以有效地改善系統(tǒng)運(yùn)行品質(zhì)，節(jié)省運(yùn)行能耗，提高管理水平，并減少運(yùn)行管理勞動強(qiáng)度，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益，這在國內(nèi)許多工程中都已得到證實(shí)。經(jīng)驗表明，只有根據(jù)暖通空調(diào)工藝過程要求，結(jié)合實(shí)際的需求情況，充分發(fā)揮計算機(jī)技術(shù)的特點(diǎn)，恰當(dāng)?shù)卮_定系統(tǒng)功能，明確主要需解決的問題，才能收到投資少、效益高的效果。
課題來源
本課題為鐵道部四方車輛研究所與青島建筑工程學(xué)院共同承擔(dān)的鐵道部重點(diǎn)課題。青島建筑工程學(xué)院暖通專業(yè)實(shí)驗室已針對該課題為青島南車四方機(jī)車車輛股份有限公司設(shè)計了一整套列車空調(diào)模擬實(shí)驗臺，本文針對其中的監(jiān)控系統(tǒng)做主要研究，從而建立起實(shí)驗與實(shí)踐的橋梁。
設(shè)計的目的
建立本列車空調(diào)模擬實(shí)驗臺的目的是為了檢測列車空調(diào)的性能和質(zhì)量，模擬實(shí)際列車空調(diào)的工況，記錄實(shí)驗的測定值，為暖通專業(yè)人員提供實(shí)驗記錄，最后根據(jù)實(shí)驗的工況，設(shè)計實(shí)際列車空調(diào)的運(yùn)行狀態(tài)，以提高列車的舒適度。
作者的主要工作
這套系統(tǒng)所用軟件為力控監(jiān)控組態(tài)軟件ForceControl，主要模擬列車車廂和夾套的空調(diào)工況，以及設(shè)計完全針對實(shí)驗臺的溫度、風(fēng)速的實(shí)時檢測和報表系統(tǒng)。
1. 設(shè)計列車實(shí)驗臺車廂部分的空調(diào)送風(fēng)，溫度，濕度，壓力，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，冷、熱水盤管，加濕，排水及閥門開度的控制和檢測系統(tǒng)；
2. 設(shè)計列車實(shí)驗臺夾套部分的空調(diào)送風(fēng)，溫度，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動，冷、熱水盤管的控制和檢測系統(tǒng)；
3. 設(shè)計實(shí)驗用溫度、風(fēng)速的實(shí)時監(jiān)測和報表系統(tǒng)。
第一章 實(shí)驗室簡介
1.1鐵路客車實(shí)際運(yùn)行參數(shù)
鐵路旅客列車空調(diào)參數(shù)要求為：夏季室外氣溫35℃時，車內(nèi)應(yīng)為23℃~27℃，最高不超過29℃，相對濕度為60%~70%；冬季室外氣溫-15℃時，車內(nèi)應(yīng)為18℃~20℃，相對濕度30%~40%。要求每位旅客應(yīng)有20~25m3/h新鮮空氣，風(fēng)速在0.2m/h左右，含塵量不大于1mg/m3,還要求盡量降低噪聲，振動等有害因素。
1.2實(shí)驗室簡介
本實(shí)驗室由車廂模擬間，控制室，設(shè)備間組成。車廂模擬間為一模擬實(shí)際運(yùn)動火車車廂的鋼板箱體。鋼板厚度為3 mm；箱體尺寸：30×3.3×3.3(米)。模擬列車工況為：冬季室外溫度－20℃，車廂內(nèi)溫度18℃，相對濕度30％。夏季室外溫度35℃，車廂內(nèi)溫度25℃，相對濕度60％。車廂內(nèi)的工況通過室外冷熱水機(jī)組和室內(nèi)空調(diào)箱來保證。
實(shí)驗室所處實(shí)驗室內(nèi)車廂與周圍墻體之間的空間為夾套部分，這部分相當(dāng)于火車實(shí)際運(yùn)行時的室外環(huán)境。在實(shí)驗中如果模擬真實(shí)室外工況，難度很大，而且能耗大；另外由于鋼板傳熱系數(shù)很大，我們可近似認(rèn)為車廂內(nèi)外壁溫度一致。所以這時我們可以通過控制夾套溫度，使實(shí)驗室車廂內(nèi)壁溫度與實(shí)際火車運(yùn)行時的內(nèi)壁溫度一致，從而達(dá)到我們模擬火車車廂內(nèi)空氣實(shí)際工況的目的。夾套內(nèi)的工況通過室外機(jī)組和風(fēng)管機(jī)室內(nèi)機(jī)組來保證。為了防止夾套通過墻壁傳熱，夾套內(nèi)壁全部貼有苯板。
控制室在實(shí)驗臺相鄰房間，放置各種采樣測量設(shè)備。設(shè)備間主要放置列車實(shí)驗臺和夾套中所使用的風(fēng)機(jī)盤管、室內(nèi)空調(diào)箱、表冷器、水泵、電加熱器、Defensor MK5型加濕器、分水器、集水器等，并安裝攝像頭以監(jiān)視設(shè)備間的運(yùn)行情況。電氣設(shè)備主要有ABB變頻器系列 ACS400型和ACSl40型變頻器、KANOMAX公司的Model 1550多通道氣流分析儀、Modell504型模板、惠普HP34970A數(shù)據(jù)采集器、CHINT變壓器等。
實(shí)驗臺平面布置參見圖1-1
圖1-1 實(shí)驗臺平面圖
1.3實(shí)驗臺的主要設(shè)備選擇
1.3.1測量部分
本實(shí)驗臺的測量設(shè)備包括溫度、風(fēng)速和壓力等參數(shù)的測量，主要儀器選擇KANOMAX公司的Model 1550多通道氣流分析儀、Model 1504型模板、惠普HP34970A數(shù)據(jù)采集器。
圖1-2 控制器窗口圖
1.3.2控制部分
◆ABB變頻器
本實(shí)驗室采用ABB變頻器系列的ACS400型和ACS140型的變頻器控制風(fēng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對風(fēng)道風(fēng)量的控制。ACS400型控制風(fēng)道的送風(fēng)風(fēng)量，ACS140型控制風(fēng)道的回風(fēng)風(fēng)量。
ACS400型變頻器用于2.2-37KW鼠籠式電機(jī)的速度和轉(zhuǎn)矩控制。在本課題中利用變頻器控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，再根據(jù)電機(jī)速度與風(fēng)道風(fēng)量的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對風(fēng)量的控制。
◆電加熱器
本課題中采用WP系列PID自整定控制儀控制電加熱器動作。它適用于需要進(jìn)行精度測量控制的系統(tǒng)，可根據(jù)被控對象自動演算出最佳的PID控制參數(shù)。也可選用手動控制方式，由用戶根據(jù)實(shí)際需要，自行設(shè)定PID控制參數(shù)。
儀表的輸入信號為Pt100熱電阻傳感器輸出的4-20mA的電流信號，輸出量同樣為4-20mA的電流信號。測量范圍為-1999~9999字；測量精度為0.2%FS±1字或0.5%FS±1字。該儀表具有多種標(biāo)準(zhǔn)串行通訊功能，可通過RS-485串行通訊端口實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通訊；通訊波特率300~9600bps。
◆電極式加濕器
加濕器專門用于房間的直接或間接加濕。本實(shí)驗室用Defensor MK5型加濕器控制車廂內(nèi)的濕度。
Defensor MK5是一種產(chǎn)生非高壓蒸汽的加濕器，控制電壓380V/50~60HZ。加濕器在工作時將自來水或去離子水電離產(chǎn)生蒸汽，增加車廂內(nèi)的空氣濕度。加濕器可以用RS-232或RS-485通訊接口與上位機(jī)進(jìn)行通訊。
第二章 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
2.1概述
空調(diào)系統(tǒng)可以分為兩部分：車廂內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)和夾套內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)。其中車廂內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)是為了保證其要求工況。由于車廂外冬夏季模擬難度較大，而且?guī)跒橐槐′摪澹瑐鳠嵯禂?shù)大。所以本實(shí)驗采用模擬車廂內(nèi)壁溫度的方法，在夾套內(nèi)設(shè)置空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)。從而保證車廂內(nèi)壁溫度與列車實(shí)際運(yùn)行時的內(nèi)壁溫度相同。
2.2車廂內(nèi)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
2.2.1監(jiān)控要求：
1.總開關(guān)的啟／停。
2.根據(jù)送風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)冷／熱水的流量，使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。
3.自動監(jiān)測過濾網(wǎng)壓差，堵塞時報警，提示清洗過濾網(wǎng)，提高過濾效率。
4.進(jìn)行節(jié)能控制：當(dāng)空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風(fēng)量的前提下，充分利用回風(fēng)冷／熱量，對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)室外溫度與室內(nèi)溫度的設(shè)定值相近時，利用新風(fēng)對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以大大降低能源的消耗。
5.空調(diào)機(jī)各設(shè)備進(jìn)行連鎖控制，當(dāng)總開關(guān)關(guān)閉時，關(guān)閉各閥、風(fēng)機(jī)。
6.每一個設(shè)備通過彩色圖形顯示不同的狀態(tài)，顯示每個參數(shù)的值，可通過控制器修改設(shè)定值，以求達(dá)到最佳工況。
7.達(dá)到最佳的節(jié)能效果和營運(yùn)環(huán)境。
2.2.2空調(diào)機(jī)組
冷熱水機(jī)組選用三菱重工海爾RCU50(B)型機(jī)組兩臺。其部分參數(shù)如下：
表2-1
選用TRNAE廠家0805空調(diào)箱，參數(shù)如下：
表2-2
空調(diào)箱組成：回風(fēng)段、新風(fēng)段、表冷段、加濕段、電加熱段、送風(fēng)段。注：機(jī)組使用回風(fēng)機(jī)和送風(fēng)機(jī)兩臺風(fēng)機(jī)，在送風(fēng)段之后裝有噴嘴流量計。空調(diào)箱使用的冷媒為冷熱水機(jī)組提供的冷熱水。
2.2.3 監(jiān)控界面
下面是各個模擬點(diǎn)的名稱和內(nèi)容，共146個。
表2-3
下面是各個數(shù)字點(diǎn)的名稱和內(nèi)容，共12個。
表2-4
下面就是車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖，見圖2-2
圖2-1未運(yùn)行的車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖
圖2-2已運(yùn)行的車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖
2.3夾套內(nèi)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
2.3.1監(jiān)控要求
1.總開關(guān)的啟／停。
2.根據(jù)送風(fēng)溫度，調(diào)節(jié)冷／熱水的流量，使室內(nèi)溫度保持在設(shè)定的范圍內(nèi)。
3.自動監(jiān)測過濾網(wǎng)壓差，堵塞時報警，提示清洗過濾網(wǎng)，提高過濾效率。
4.進(jìn)行節(jié)能控制：當(dāng)空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風(fēng)量的前提下，充分利用回風(fēng)冷／熱量，對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)；當(dāng)室外溫度與室內(nèi)溫度的設(shè)定值相近時，利用新風(fēng)對室內(nèi)溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)，這樣可以大大降低能源的消耗。
5.空調(diào)機(jī)各設(shè)備進(jìn)行連鎖控制，當(dāng)總開關(guān)關(guān)閉時，關(guān)閉各閥、風(fēng)機(jī)。
6.每一個設(shè)備通過彩色圖形顯示不同的狀態(tài)，顯示每個參數(shù)的值，可通過控制器修改設(shè)定值，以求達(dá)到最佳工況。
7.達(dá)到最佳的節(jié)能效果和營運(yùn)環(huán)境。
2.3.2空調(diào)機(jī)組
選用三菱重工海爾RFU25WD型風(fēng)管機(jī)兩臺，室內(nèi)機(jī)組的冷媒為室外機(jī)組的制冷劑 。其部分參數(shù)如下：
表2-5
2.3.3.監(jiān)控界面
圖2-3未運(yùn)行的夾套監(jiān)控系統(tǒng)圖
圖2-4已運(yùn)行的夾套監(jiān)控系統(tǒng)圖
第三章 實(shí)驗用溫度、風(fēng)速實(shí)時檢測系統(tǒng)
3.1溫度測試系統(tǒng)設(shè)計
本實(shí)驗中溫度的測量儀器有：水銀溫度計、測風(fēng)儀、熱電偶溫度計。水銀溫度計和測風(fēng)儀在本實(shí)驗中為輔助性測量儀器，熱電偶溫度計為主要溫度測量儀器。
水銀溫度計：該試驗中水銀溫度計主要用于熱電偶的標(biāo)定。精度0.1℃，測量范圍－1℃至51℃。
測風(fēng)儀可以測量溫度、速度及壓力。測量溫度的精度為0.1℃，測量范圍為1到100℃。
熱電偶溫度計是本實(shí)驗中主要的溫度測量儀器，用于設(shè)備間、夾套、車廂內(nèi)各點(diǎn)溫度的測量。其溫度測試系統(tǒng)包括溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集∕開關(guān)單元、插入式模塊、計算機(jī)、打印機(jī)。
根據(jù)測溫范圍、熱電偶的靈敏度以及測量誤差的要求，本設(shè)計選擇采用T型熱電偶作為溫度傳感器。
本實(shí)驗自做了90個銅－康銅熱電偶。將銅絲和康銅兩種不同的導(dǎo)體，在一端用直流電弧焊裝置將它們焊接，焊點(diǎn)呈光滑的小圓球形，主要是使焊點(diǎn)與被測點(diǎn)良好接觸，并減少誤差，提高測量的精確性。為了保護(hù)和區(qū)分熱電偶，銅絲和康銅外面都套有不同顏色的塑料軟管，銅絲套紅色，康銅套白色。為了適應(yīng)測點(diǎn)離控制室距離的遠(yuǎn)近，熱電偶按長度和位置的不同分為不同的規(guī)格，不同規(guī)格的熱電偶在套軟管時都在塑料管上貼上標(biāo)簽，使用時能很好的區(qū)分。具體的規(guī)格如下：
表3-1
溫度測點(diǎn)的布置
根據(jù)實(shí)驗所需溫度值的需要，設(shè)備間、夾套、車廂里的測點(diǎn)分布分別為10組、10組、70組。具體布置如下：
設(shè)備間：H1～H10
夾 套：G1～G10
車 廂：
LA1～LA10 RA1～RA10
LB1～LB5 RB1～RB5
LC1～LC5 RC1～RC5
LD1～LD5 RD1～RD5
LE1～LE5 RE1～RE5
LF1～LF5 RF1～RF5
圖3-3測溫實(shí)時系統(tǒng)圖
本實(shí)驗室采用惠普HP34970A數(shù)據(jù)采集器，采集后的數(shù)據(jù)除在實(shí)時系統(tǒng)中顯示，還可有歷史報表的功能。
圖3-4測溫歷史報表
3.2 風(fēng)速測試系統(tǒng)的設(shè)計
風(fēng)速測試系統(tǒng)由多通道氣流分析儀、傳感器、Model1504型模板、計算機(jī)打印機(jī)組成。另外測風(fēng)儀也具有測風(fēng)速的功能，主要用于風(fēng)道風(fēng)速的測定。
本實(shí)驗風(fēng)速測量采用的是Model 1550多通道氣流分析儀，由KANOMAX公司生產(chǎn)的專門用于測試和分析房間氣流的儀器。該分析儀使用10塊1504四通道空氣速度測試接口模塊，每個模塊有4個通道，因此該儀器有40個通道，每個通道與一個0965－08型傳感器探針通過電纜相連接。
圖3-5測風(fēng)速系統(tǒng)圖
風(fēng)速測試系統(tǒng)圖見圖3-6
圖3-6風(fēng)速測試系統(tǒng)圖
本實(shí)驗研究中采用的傳感器探頭是與1550多通道氣流分析儀相配套的KANOMAX公司生產(chǎn)的0965－08熱球式風(fēng)速儀傳感器探頭。
與測溫度系統(tǒng)相同，測風(fēng)速系統(tǒng)也具有歷史報表功能。
圖3-7測風(fēng)速歷史報表
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