前 言

概況

    我國幅員遼闊，人口眾多，鐵路客車(chē)是我國旅客的主要客運工具。隨著(zhù)我國人民生活水平的提高和旅游事業(yè)的迅速發(fā)展，人們對鐵路客運條件的要求越來(lái)越高?，F代客車(chē)不但要保證安全高速地運行，而且還要為旅客和車(chē)上工作人員盡可能地創(chuàng )造舒適衛生的環(huán)境，因此，我國鐵路的各大干線(xiàn)上相繼開(kāi)出了全列空調客車(chē)，取得了良好的社會(huì )效益。自鐵路列車(chē)普遍實(shí)現提速，更加促進(jìn)了鐵路的發(fā)展，列車(chē)空調裝備及其技術(shù)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(shí)還要適應更高目標，為滿(mǎn)足準高速與高速鐵路的需要，積極作好技術(shù)準備。

    近年來(lái)隨著(zhù)計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機在暖通空調領(lǐng)域有了廣泛的應用。其應用的一個(gè)重要方面，就是利用計算機系統對暖通空調進(jìn)行智能化監測、控制和管理。妥善地運用計算機技術(shù)于暖通空調系統的控制管理中，可以有效地改善系統運行品質(zhì)，節省運行能耗，提高管理水平，并減少運行管理勞動(dòng)強度，取得良好的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益，這在國內許多工程中都已得到證實(shí)。經(jīng)驗表明，只有根據暖通空調工藝過(guò)程要求，結合實(shí)際的需求情況，充分發(fā)揮計算機技術(shù)的特點(diǎn)，恰當地確定系統功能，明確主要需解決的問(wèn)題，才能收到投資少、效益高的效果。

課題來(lái)源

    本課題為鐵道部四方車(chē)輛研究所與青島建筑工程學(xué)院共同承擔的鐵道部重點(diǎn)課題。青島建筑工程學(xué)院暖通專(zhuān)業(yè)實(shí)驗室已針對該課題為青島南車(chē)四方機車(chē)車(chē)輛股份有限公司設計了一整套列車(chē)空調模擬實(shí)驗臺，本論文即針對其中的監控系統做主要研究，從而建立起實(shí)驗與實(shí)踐的橋梁。

設計的目的

    建立本列車(chē)空調模擬實(shí)驗臺的目的是為了檢測列車(chē)空調的性能和質(zhì)量，模擬實(shí)際列車(chē)空調的工況，記錄實(shí)驗的測定值，為暖通專(zhuān)業(yè)人員提供實(shí)驗記錄，最后根據實(shí)驗的工況，設計實(shí)際列車(chē)空調的運行狀態(tài)，以提高列車(chē)的舒適度。

作者的主要工作

    這套系統所用軟件為北京三維力控科技股份有限公司的ForceControl 2.6版，主要模擬列車(chē)車(chē)廂和夾套的空調工況，以及設計完全針對實(shí)驗臺的溫度、風(fēng)速的實(shí)時(shí)檢測和報表系統。

    1. 設計列車(chē)實(shí)驗臺車(chē)廂部分的空調送風(fēng)，溫度，濕度，壓力，風(fēng)機轉動(dòng)，冷、熱水盤(pán)管，加濕，排水及閥門(mén)開(kāi)度的控制和檢測系統；

    2. 設計列車(chē)實(shí)驗臺夾套部分的空調送風(fēng)，溫度，風(fēng)機轉動(dòng)，冷、熱水盤(pán)管的控制和檢測系統；

    3. 設計實(shí)驗用溫度、風(fēng)速的實(shí)時(shí)監測和報表系統。

第一章 實(shí)驗室簡(jiǎn)介

1.1鐵路客車(chē)實(shí)際運行參數

    鐵路旅客列車(chē)空調參數要求為：夏季室外氣溫35℃時(shí)，車(chē)內應為23℃~27℃，最高不超過(guò)29℃，相對濕度為60%~70%，冬季室外氣溫-15℃時(shí)，車(chē)內應為18℃~20℃，相對濕度30%~40%。要求每位旅客應有20~25m3/h新鮮空氣，風(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(dòng)等有害因素。

1.2實(shí)驗室簡(jiǎn)介

    本實(shí)驗室由車(chē)廂模擬間，控制室，設備間組成。車(chē)廂模擬間為一模擬實(shí)際運動(dòng)火車(chē)車(chē)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(chē)工況為：冬季室外溫度－20℃，車(chē)廂內溫度18℃，相對濕度30％。夏季室外溫度35℃，車(chē)廂內溫度25℃，相對濕度60％。車(chē)廂內的工況通過(guò)室外冷熱水機組和室內空調箱來(lái)保證。

    實(shí)驗室所處實(shí)驗室內車(chē)廂與周?chē)鷫w之間的空間為夾套部分，這部分相當于火車(chē)實(shí)際運行時(shí)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很大，我們可近似認為車(chē)廂內外壁溫度一致。所以這時(shí)我們可以通過(guò)控制夾套溫度，使實(shí)驗室車(chē)廂內壁溫度與實(shí)際火車(chē)運行時(shí)的內壁溫度一致，從而達到我們模擬火車(chē)車(chē)廂內空氣實(shí)際工況的目的。夾套內的工況通過(guò)室外機組和風(fēng)管機室內機組來(lái)保證。為了防止夾套通過(guò)墻壁傳熱，夾套內壁全部貼有苯板。

    控制室在實(shí)驗臺相鄰房間，放置各種采樣測量設備。設備間主要放置列車(chē)實(shí)驗臺和夾套中所使用的風(fēng)機盤(pán)管、室內空調箱、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數據采集器、CHINT變壓器等。

實(shí)驗臺平面布置參見(jiàn)圖1-1

圖1-1 實(shí)驗臺平面圖

1.3實(shí)驗臺的主要設備選擇

1.3.1測量部分

    本實(shí)驗臺的測量設備包括溫度、風(fēng)速和壓力等參數的測量，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數據采集器。

                             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)機的旋轉速度，進(jìn)而實(shí)現對風(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鼠籠式電機的速度和轉矩控制。在本課題中利用變頻器控制電機的旋轉速度，再根據電機速度與風(fēng)道風(fēng)量的關(guān)系，實(shí)現對風(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(dòng)作。它適用于需要進(jìn)行精度測量控制的系統，可根據被控對象自動(dòng)演算出最佳的PID控制參數。也可選用手動(dòng)控制方式，由用戶(hù)根據實(shí)際需要，自行設定PID控制參數。

    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(guò)RS-485串行通訊端口實(shí)現與上位機的通訊；通訊波特率300~9600bps。

電極式加濕器

    加濕器專(zhuān)門(mén)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(chē)廂內的溫度。

    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(shí)將自來(lái)水或去離子水電離產(chǎn)生蒸汽，增加車(chē)廂內的空氣濕度。加濕器可以用RS-232或RS-485通訊接口與上位機進(jìn)行通訊。

第二章 監控系統的設計

2.1概述

    空調系統可以分為兩部分：車(chē)廂內空調系統和夾套內空調系統。其中車(chē)廂內空調系統是為了保證其要求工況。由于車(chē)廂外冬夏季模擬難度較大，而且廂壁為一薄鋼板，傳熱系數大。所以本實(shí)驗采用模擬車(chē)廂內壁溫度的方法，在夾套內設置空調送風(fēng)系統。從而保證車(chē)廂內壁溫度與列車(chē)實(shí)際運行時(shí)的內壁溫度相同。

2.2車(chē)廂內空調監控系統的設計

2.2.1監控要求：

    1.總開(kāi)關(guān)的啟／停
    2.根據送風(fēng)溫度，調節冷／熱水的流量，使室內溫度保持在設定的范圍內。
    3.自動(dòng)監測過(guò)濾網(wǎng)壓差，堵塞時(shí)報警，提示清洗過(guò)濾網(wǎng)，提高過(guò)濾效率。
    4.進(jìn)行節能控制：當空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風(fēng)量的前提下，充分利用回風(fēng)冷／熱量，對室內溫度進(jìn)行調節；當室外溫度與室內溫度的設定值相近時(shí)，利用新風(fēng)對室內溫度進(jìn)行調節，這樣可以大大降低能源的消耗。
    5.空調機各設備進(jìn)行連鎖控制，當總開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉各閥、風(fēng)機。
    6.每一個(gè)設備通過(guò)彩色圖形顯示顯示不同的狀態(tài)，顯示每個(gè)參數的值，可通過(guò)控制器修改設定值，以求達到最佳工況。
    7.達到最佳的節能效果和營(yíng)運環(huán)境。

2.2.2空調機組

    冷熱水機組選用三菱重工海爾RCU50(B)型機組兩臺。其部分參數如下：

                                表2-1

選用TRNAE廠(chǎng)家0805空調箱，參數如下：

                                表2-2

    空調箱組成：回風(fēng)段、新風(fēng)段、表冷段、加濕段、電加熱段、送風(fēng)段。注：機組使用回風(fēng)機和送風(fēng)機兩臺風(fēng)機，在送風(fēng)段之后裝有噴嘴流量計?？照{箱使用的冷媒為冷熱水機組提供的冷熱水。

2.2.3 監控界面

    下面是各個(gè)模擬點(diǎn)的名稱(chēng)和內容，共146個(gè)

                                 表2-3

    下面是各個(gè)數字點(diǎn)的名稱(chēng)和內容，共12個(gè)

                                  表2-4

下面就是車(chē)廂監控系統圖，見(jiàn)圖2-2

                      圖2-1未運行的車(chē)廂監控系統圖

                         圖2-2已運行的車(chē)廂監控系統圖

2.3夾套內空調監控系統的設計

2.3.1監控要求

    1.總開(kāi)關(guān)的啟／停
　　2.根據送風(fēng)溫度，調節冷／熱水的流量，使室內溫度保持在設定的范圍內。
　　3.自動(dòng)監測過(guò)濾網(wǎng)壓差，堵塞時(shí)報警，提示清洗過(guò)濾網(wǎng)，提高過(guò)濾效率。
　　4.進(jìn)行節能控制：當空氣質(zhì)量在許可的情況下即在保證必要的新風(fēng)量的前提下，充分利用回風(fēng)冷／熱量，對室內溫度進(jìn)行調節；當室外溫度與室內溫度的設定值相近時(shí)，利用新風(fēng)對室內溫度進(jìn)行調節，這樣可以大大降低能源的消耗。
　　5.空調機各設備進(jìn)行連鎖控制，當總開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，關(guān)閉各閥、風(fēng)機。
　　6.每一個(gè)設備通過(guò)彩色圖形顯示顯示不同的狀態(tài)，顯示每個(gè)參數的值，可通過(guò)控制器修改設定值，以求達到最佳工況。
　　7.達到最佳的節能效果和營(yíng)運環(huán)境

2.3.2空調機組

    選用三菱重工海爾RFU25WD型風(fēng)管機兩臺，室內機組的冷媒為室外機組的制冷劑 。其部分參數如下：

                                  表2-5

2.3.3.監控界面

                      圖2-3未運行的夾套監控系統圖

                       圖2-4已運行的夾套監控系統圖

第三章 實(shí)驗用溫度、風(fēng)速實(shí)時(shí)檢測系統

3.1溫度測試系統設計

    本實(shí)驗中溫度的測量?jì)x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?jì)x器，熱電偶溫度計為主要溫度測量?jì)x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(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?jì)x器，用于設備間、夾套、車(chē)廂內各點(diǎn)溫度的測量。其溫度測試系統包括溫度傳感器、數據采集