上海地鐵DA01型電動列車空調控制系統改造升級研究

馬　文，　吳　鵬（.上海申通地鐵集團維護保障有限公司，上海0033；.上海沖科機電技術服務有限公司，上海000）

上海地鐵DA01型電動列車空調控制系統改造升級研究

馬文1，吳鵬2
（1.上海申通地鐵集團維護保障有限公司，上海200233；2.上海沖科機電技術服務有限公司，上海200110）

介紹了上海軌道交通1號線DA01型電動列車新型空調控制系統的研制，包括原控制單元軟硬件的研究，原系統存在的問題，如何在保持原列車空調功能的基礎上，根據實際運行情況改進空調控制系統，以對原系統進行改造升級。研制的新型控制單元解決了原控制系統無備件更換維修的問題，為上海地鐵一號線的維護保障提供了支持。

軌道交通； 空調； 控制系統； 溫度控制； 成果

DOI：10.3969/J.ISSN.2095-3429.2015.02.020

0　引言

地鐵車輛使用的空調系統是由車頂單元式空調機組、通風系統，控制系統和緊急逆變等系統構成。每個空調機組由微處理器的溫度控制模塊進行自動控制，以保證客室始終保持在所需溫度。控制器根據車輛上溫度傳感器傳來的數據通過數字輸入/輸出進行通信，通過RS485/232與觸摸屏交換信息。

現我國既有地鐵車輛的空調控制系統主要為空調廠商定制設備，關鍵技術多為國外廠家掌握。而最早一批列裝的系統多以模擬電子技術為主，隨著數字技術的發展，舊系統已經無法適應形勢發展。隨著PLC技術在各領域的廣泛應用，地鐵車輛的空調控制器實現國產化及通用性成為可能。

1　原控制單元存在的問題

原控制單元為20多年前所研發，主要是以模擬電子技術為基礎開發的PCB線路板，在之上運行的空調控制軟件基于DOS操作系統進行開發，可以進行較為簡單的邏輯運算。

圖1　原控制單元

在實際運營過程中，繼續使用原控制單元也有著許多難以解決的問題，比如：

（1）元器件老化，PCB板損壞后沒有備件，導致空調系統無法工作；

（2）一些控制邏輯不符合實際情況，但原系統由德國公司開發，現已無法更新；

（3）系統誤報故障；

（4）給用戶的工具軟件只能在windows98環境下，在20世紀的電腦上使用，這類電腦已十分難找；

（5）目標溫度無法更改，是有些車輛車內溫度偏高的主要原因之一

經過仔細調查發現，如果不更換控制系統，上述問題將很難解決。原控制單元由于是非標準產品，其生產線早已退出歷史舞臺，為購買所需備件而重開這條生產線，代價將極為高昂。

2　改造方案

在保留原廠功能的基礎上，加入近年來的發展成果，并在實驗室及車輛系統上面進行充分試驗后予以推廣使用。采用PID調節、壓縮機運行控制、信號處理、故障處理與記錄等關鍵技術，以實現原產品功能。

提出了技術方案如圖2所示。

方案特點見表1。

3　硬件設計

控制器采用目前已在軌道交通行業廣泛應用的西門子CPU226，為了實現原系統功能，為其配備開關量輸入輸出模塊和模擬量輸入輸出模塊各一個，如圖3所示。

圖2　方案圖

表1　改造方案特點

圖2　新控制單元組成

繼電輸出輸入模塊：用來擴展CPU以外的開關量I/O通道，用于控制空調部件運行停止及監控部件運行情況。

模擬量輸入模塊：用來讀取溫度傳感器信號，并把它轉換成數字信號，供CPU進行運算處理。

CPU226：西門子CPU226是系統的中央處理單元，它可以通過自身配置的I/O通道及擴展模塊提供的I/O通道（最多128DI/128DO），對空調機組部件進行監控并控制空調部件運行停止。CPU226程序存儲器容量24KB，數據存儲器容量10KB。CPU綜合分析所有信號并進行邏輯運算，根據UIC553舒適性溫度曲線計算目標溫度，結合上海地鐵的實際運營情況作適當調整，通過PID運算計算出制冷需求，從而對空調機組發出指令。當監測到運行異常時，將中止相關部件運行，并記錄在存儲卡中。

上述模塊組成了新系統的核心單元。

互換性：原來的核心控制組件都集中在一個控制箱中，與空調配電盤通過連接器進行電氣連接。原有控制電纜將被保留，但將根據需要添加一些信號線。這些信號線不需要更改車體的既有控制線路。對于系統中的關鍵器件溫度傳感器，因為更換溫度傳感器十分麻煩，考慮到調試時不能影響車輛運營，原有ntc溫度傳感器將予以保留，從而確保新系統與原系統的互換性。

通信接口：電腦通過USB接口與PLC相連，通過自由口通信協議向空調控制器PLC傳輸指令，以監控空調系統運行。

4　軟件設計

基本軟件功能如下：

（1）正常通風控制。

（2）緊急通風控制。

（3）新風供給控制，風門控制。

（4）壓縮機的啟動：為避免處于同一車載逆變器的3節車編組的空調壓縮機同時啟動，該3節車編組的空調控制器共享壓縮機的啟動信息，讓壓縮機順序啟動。

（5）壓縮機的運行：根據外溫及UIC溫度舒適性曲線來確定空調系統的目標溫度，然后用PID算法來計算制冷需求，根據制冷需求來控制壓縮機的運行。

（6）壓縮機的停機：每當壓縮機停機時，都在切斷液路電磁閥的情況下讓壓縮機繼續運轉2分鐘來進行pumpdown操作。

（7）冷凝風機根據冷凝溫度進行高低速切換。

4.1設定溫度的計算［1］

空調設定溫度（目標溫度）計算如下：

式中 Te—車外溫度，℃；

Tic—設定溫度即目標溫度，℃。

設定溫度可以通過監控器進行調節。

圖4　設定溫度與外溫的關系

4.2PID算法

PID控制器調節輸出，保證偏差（e）趨于零，使系統達到穩定狀態。偏差（e）是給定值（SP）和過程變量（PV）的差。PID控制的原理基于下面的算式：輸出M（t）是比例項、積分項和微分項的函數。

輸出=比例項+積分項+微分項

式中 M（t）—PID回路的輸出，是時間的函數；

Kc—PID回路的增益；

e—PID回路的偏差（給定值與過程變量之差）；

Minitial—PID回路輸出的初始值。

為了能讓計算機處理這個控制算式，連續算式必須離散化為周期采樣偏差算式，才能用來計算輸出值。數字計算機處理的算式如下：

輸出=比例項+積分項+微分項

式中 Mn—在第n采樣時刻，PID回路輸出的計算值；

en—在第n采樣時刻的偏差值；

en-1—在第n-1采樣時刻的偏差值（偏差前項）；

KI—積分項的比例常數；

KD—微分項的比例常數。

4.3空調的全冷/半冷

機組1：

（1）如果機組1制冷需求A_Y_COOL1＜=5%，兩臺壓縮機都停止運行，機組1通風模式；

（2）如果5%＜A_Y_COOL1＜=50%，一臺壓縮機運行，機組1半冷；

（3）如果A_Y_COOL1＞50%，兩臺壓縮機運行，機組1全冷。

機組2：

（4）如果機組2制冷需求A_Y_COOL2＜=5%，兩臺壓縮機都停止運行，機組2通風模式；

（5）如果5%＜A_Y_COOL2＜=50%，一臺壓縮機運行，機組2半冷；

（6）如果A_Y_COOL2＞50%，兩臺壓縮機運行，機組2全冷。

5　項目實施

所有元器件都要安裝在原控制箱箱體中。所有導線均采用符合軌道交通行業標準的低煙無鹵阻燃線材。［2］組裝完畢后，檢查軟硬件連接以及控制系統元器件的動作。控制系統必須經過調試，確保功能無誤，才能準予出廠。調試過程中必須使用安裝了西門子STEP7micro/WIN的筆記本電腦，其與控制器的接口為西門子USB編程電纜。

準備工作完成后，應嚴格按照調試指導書逐步檢測下載軟件、模擬量輸入、開關量輸出、開關量輸入，檢測完成后，出具檢測報告。基于上述互換性設計的考慮（所有I/O與原系統一一對應），上車安裝步驟非常簡單，先將原控制箱整體移出，然后把新控制箱裝入原控制箱空出的位置即可。

第一節車安裝新型控制單元后，首先對系統控制功能做了全面試驗，包括系統啟動控制，緊急通風控制，制冷運行控制，故障對策。確認所有控制功能符合要求后，投入一號線全區間載客試運營。圖6為某天試驗數據。

車內溫度被控制在目標溫度附近，總體情況良好，能夠滿足一號線DA01型電動列車的維護保障要求。對于空調維護人員而言，熟悉新控制單元的使用方法很有必要，研制方于2014年6月對地鐵公司空調技術人員進行了新控制單元具體應用的培訓，以更好地為一號線發揮維護保障作用。

圖5　新控制單元上車調試

圖6　車內溫度運行曲線

6　改造成果

通過一年多的研制和試驗，該項目取得以下改造成果，基本實現了項目的預定目標。

（1）研制了適用于一號線DA01型列車空調的新型控制系統（共8套，滿足一列車的裝車試驗）；

（2）電氣原理圖；

（3）系統調試手冊；

（4）功能試驗報告；

（5）容易獲得的備件；

（6）優化了的新型硬件系統和新型應用軟件，實現了新舊控制單元的硬件完全可互換性，避免影響既有車輛的實際載客運營；

（7）在保持原列車空調功能的基礎上，根據實際運行情況改進了空調控制系統；

（8）PID溫度調節，實現溫度的平穩控制；

（9）壓縮機錯峰啟動控制，有效避免車輛供電系統過載；

（10）修正目標溫度設定，改正原車設定值過高的不足之處；

（11）故障存儲、故障記錄讀取及故障名稱指示；

（12）壓縮機pumpdown停機設計；

（13）有效避免假故障報告；

（14）為目前使用的空調控制器推廣為通用型的PLC控制系統積累經驗。

7　結語

該項目擬研制的地鐵車輛空調新型控制系統是針對目前上海地鐵DA01型電動列車空調控制系統進行開發的，由于其他車輛上的空調系統在輸入/輸出信號和控制方式上有較大的相似性，因此本研究成果將較為容易地移植到其他線路車型如1、2、3、6、8號線中使用，為上海地鐵提供有效保障。并有望將目前使用的空調控制器推廣為通用型的PLC控制系統，便于今后控制設備的維修與備件采購。

［1］UIC553-2004，Heating，ventialtion and air-conditioning in coaches［S］.

［2］TB3138-2006，機車車輛阻燃材料技術條件［S］.

Improvement and Updating Research of the Air Contioning Control System of Shanghai Metro DA01 Electric Vehicle

MA Wen1， WU Peng2
（1.Shanghai Shentong Metro Group Rail Transit Maintenance Support Co.，Ltd.，Shanghai 200233，China；2.Shanghai UPWIN Electromechanical Technology Maintenance Co.，Ltd，Shanghai 200110，China）

Introduced the developing of the new air conditioning control system of DA01 type electric vehicle of Shanghai rail transit line 1，including the researching of the hardware and software of the oringinal control unit，the existing problems.Introduced how to improve the perfomance of the air conditioning control system according to the operation，maintaining the oringinal functions，to update the old system.The scarceity of the spare parts of the old control system has been solved by developing the new control unit.It supported the maintenance of Shanghai metro line 1.

rail transit； air conditioning； control system； temerature control； achievement

U270.383

B

2095-3429（2015）02-0078-04

馬文（1978-），女，山東人，工學學士，工程師，主要從事上海地鐵車輛的大修技術管理工作；

吳鵬（1975-），男，湖北人，工學碩士，工程師，從事電氣/軟件設計工作。

2015-04-21

2015-04-27