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工具。現(xiàn)代客車不但要保證安全高速地運行，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。自鐵路列車普遍實現(xiàn)提速，更加促進了鐵路的發(fā)展，列車空調(diào)裝備及其技術將經(jīng)受更大的考驗，對其設計制造與運行管理提出了更高的要求。同時還要適應更高目標，為滿足高速鐵路的需要，積極作好技術準備。
近年來隨著計算機技術的不斷發(fā)展，計算機在暖通空調(diào)領域有了廣泛的應用。其應用的一個重要方面，就是利用計算機系統(tǒng)對暖通空調(diào)進行智能化監(jiān)測、控制和管理。妥善地運用計算機技術于暖通空調(diào)系統(tǒng)的控制管理中，可以有效地改善系統(tǒng)運行品質(zhì)，節(jié)省運行能耗，提高管理水平，并減少運行管理勞動強度，取得良好的經(jīng)濟效益和社會效益，這在國內(nèi)許多工程中都已得到證實。經(jīng)驗表明，只有根據(jù)暖通空調(diào)工藝過程要求，結(jié)合實際的需求情況，充分發(fā)揮計算機技術的特點，恰當?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院共同承擔的鐵道部重點課題。青島建筑工程學院暖通專業(yè)實驗室已針對該課題為青島南車四方機車車輛股份有限公司設計了一整套列車空調(diào)模擬實驗臺，本文針對其中的監(jiān)控系統(tǒng)做主要研究，從而建立起實驗與實踐的橋梁。
設計的目的
建立本列車空調(diào)模擬實驗臺的目的是為了檢測列車空調(diào)的性能和質(zhì)量，模擬實際列車空調(diào)的工況，記錄實驗的測定值，為暖通專業(yè)人員提供實驗記錄，最后根據(jù)實驗的工況，設計實際列車空調(diào)的運行狀態(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，以及設計完全針對實驗臺的溫度、風速的實時檢測和報表系統(tǒng)。
1. 設計列車實驗臺車廂部分的空調(diào)送風，溫度，濕度，壓力，風機轉(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. 設計列車實驗臺夾套部分的空調(diào)送風，溫度，風機轉(zhuǎn)動，冷、熱水盤管的控制和檢測系統(tǒng)；
3. 設計實驗用溫度、風速的實時監(jiān)測和報表系統(tǒng)。
第一章 實驗室簡介
1.1鐵路客車實際運行參數(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)應為18℃~20℃，相對濕度30%~40%。要求每位旅客應有20~25m3/h新鮮空氣，風速在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實驗室簡介
本實驗室由車廂模擬間，控制室，設備間組成。車廂模擬間為一模擬實際運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組和室內(nèi)空調(diào)箱來保證。
實驗室所處實驗室內(nèi)車廂與周圍墻體之間的空間為夾套部分，這部分相當于火車實際運行時的室外環(huán)境。在實驗中如果模擬真實室外工況，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，使實驗室車廂內(nèi)壁溫度與實際火車運行時的內(nèi)壁溫度一致，從而達到我們模擬火車車廂內(nèi)空氣實際工況的目的。夾套內(nèi)的工況通過室外機組和風管機室內(nèi)機組來保證。為了防止夾套通過墻壁傳熱，夾套內(nèi)壁全部貼有苯板。
控制室在實驗臺相鄰房間，放置各種采樣測量設備。設備間主要放置列車實驗臺和夾套中所使用的風機盤管、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)視設備間的運行情況。電氣設備主要有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。
實驗臺平面布置參見圖1-1
圖1-1 實驗臺平面圖
1.3實驗臺的主要設備選擇
1.3.1測量部分
本實驗臺的測量設備包括溫度、風速和壓力等參數(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
本實驗室采用ABB變頻器系列的ACS400型和ACS140型的變頻器控制風機的旋轉(zhuǎn)速度，進而實現(xiàn)對風道風量的控制。ACS400型控制風道的送風風量，ACS140型控制風道的回風風量。
ACS400型變頻器用于2.2-37KW鼠籠式電機的速度和轉(zhuǎn)矩控制。在本課題中利用變頻器控制電機的旋轉(zhuǎn)速度，再根據(jù)電機速度與風道風量的關系，實現(xiàn)對風量的控制。
◆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)實際需要，自行設定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。該儀表具有多種標準串行通訊功能，可通過RS-485串行通訊端口實現(xiàn)與上位機的通訊；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通訊接口與上位機進行通訊。
第二章 監(jiān)控系統(tǒng)的設計
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?，傳熱系?shù)大。所以本實驗采用模擬車廂內(nèi)壁溫度的方法，在夾套內(nèi)設置空調(diào)送風系統(tǒng)。從而保證車廂內(nèi)壁溫度與列車實際運行時的內(nèi)壁溫度相同。
2.2車廂內(nèi)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的設計
2.2.1監(jiān)控要求：
1.總開關的啟／停。
2.根據(jù)送風溫度，調(diào)節(jié)冷／熱水的流量，使室內(nèi)溫度保持在設定的范圍內(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.進行節(jié)能控制：當空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風量的前提下，充分利用回風冷／熱量，對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)；當室外溫度與室內(nèi)溫度的設定值相近時，利用新風對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)，這樣可以大大降低能源的消耗。
5.空調(diào)機各設備進行連鎖控制，當總開關關閉時，關閉各閥、風機。
6.每一個設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定值，以求達到最佳工況。
7.達到最佳的節(jié)能效果和營運環(huán)境。
2.2.2空調(diào)機組
冷熱水機組選用三菱重工海爾RCU50(B)型機組兩臺。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：回風段、新風段、表冷段、加濕段、電加熱段、送風段。注：機組使用回風機和送風機兩臺風機，在送風段之后裝有噴嘴流量計?？照{(diào)箱使用的冷媒為冷熱水機組提供的冷熱水。
2.2.3 監(jiān)控界面
下面是各個模擬點的名稱和內(nèi)容，共146個。
表2-3
下面是各個數(shù)字點的名稱和內(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未運行的車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖
圖2-2已運行的車廂監(jiān)控系統(tǒng)圖
2.3夾套內(nèi)空調(diào)監(jiān)控系統(tǒng)的設計
2.3.1監(jiān)控要求
1.總開關的啟／停。
2.根據(jù)送風溫度，調(diào)節(jié)冷／熱水的流量，使室內(nèi)溫度保持在設定的范圍內(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.進行節(jié)能控制：當空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風量的前提下，充分利用回風冷／熱量，對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)；當室外溫度與室內(nèi)溫度的設定值相近時，利用新風對室內(nèi)溫度進行調(diào)節(jié)，這樣可以大大降低能源的消耗。
5.空調(diào)機各設備進行連鎖控制，當總開關關閉時，關閉各閥、風機。
6.每一個設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定值，以求達到最佳工況。
7.達到最佳的節(jié)能效果和營運環(huán)境。
2.3.2空調(diào)機組
選用三菱重工海爾RFU25WD型風管機兩臺，室內(nèi)機組的冷媒為室外機組的制冷劑 。其部分參數(shù)如下：
表2-5
2.3.3.監(jiān)控界面
圖2-3未運行的夾套監(jiān)控系統(tǒng)圖
圖2-4已運行的夾套監(jiān)控系統(tǒng)圖
第三章 實驗用溫度、風速實時檢測系統(tǒng)
3.1溫度測試系統(tǒng)設計
本實驗中溫度的測量儀器有：水銀溫度計、測風儀、熱電偶溫度計。水銀溫度計和測風儀在本實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定。精度0.1℃，測量范圍－1℃至51℃。
測風儀可以測量溫度、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驗中主要的溫度測量儀器，用于設備間、夾套、車廂內(nèi)各點溫度的測量。其溫度測試系統(tǒng)包括溫度傳感器、數(shù)據(jù)采集∕開關單元、插入式模塊、計算機、打印機。
根據(jù)測溫范圍、熱電偶的靈敏度以及測量誤差的要求，本設計選擇采用T型熱電偶作為溫度傳感器。
本實驗自做了90個銅－康銅熱電偶。將銅絲和康銅兩種不同的導體，在一端用直流電弧焊裝置將它們焊接，焊點呈光滑的小圓球形，主要是使焊點與被測點良好接觸，并減少誤差，提高測量的精確性。為了保護和區(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。為了適應測點離控制室距離的遠近，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
溫度測點的布置
根據(jù)實驗所需溫度值的需要，設備間、夾套、車廂里的測點分布分別為10組、10組、70組。具體布置如下：
設備間：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測溫實時系統(tǒng)圖
本實驗室采用惠普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 風速測試系統(tǒng)的設計
風速測試系統(tǒng)由多通道氣流分析儀、傳感器、Model1504型模板、計算機打印機組成。另外測風儀也具有測風速的功能，主要用于風道風速的測定。
本實驗風速測量采用的是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測風速系統(tǒng)圖
風速測試系統(tǒng)圖見圖3-6
圖3-6風速測試系統(tǒng)圖
本實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熱球式風速儀傳感器探頭。
與測溫度系統(tǒng)相同，測風速系統(tǒng)也具有歷史報表功能。
圖3-7測風速歷史報表
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