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(yàn),，對其設(shè)計(jì)制造與運(yùn)行管理提出了更高的要求。同時(shí)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(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展,，計(jì)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(gè)重要方面，就是利用計(jì)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(jì)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(yàn)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(jì)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(yàn)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(jì)了一整套列車空調(diào)模擬實(shí)驗(yàn)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(yàn)與實(shí)踐的橋梁,。
設(shè)計(jì)的目的
建立本列車空調(diào)模擬實(shí)驗(yàn)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(yàn)的測定值,，為暖通專業(yè)人員提供實(shí)驗(yàn)記錄，最后根據(jù)實(shí)驗(yàn)的工況,，設(shè)計(jì)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(jì)完全針對實(shí)驗(yàn)臺的溫度、風(fēng)速的實(shí)時(shí)檢測和報(bào)表系統(tǒng),。
1. 設(shè)計(jì)列車實(shí)驗(yàn)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(jì)列車實(shí)驗(yàn)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(jì)實(shí)驗(yàn)用溫度、風(fēng)速的實(shí)時(shí)監(jiān)測和報(bào)表系統(tǒng),。
第一章 實(shí)驗(yàn)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(shí),，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(shí)，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,?！ ?/p>
1.2實(shí)驗(yàn)室簡介
本實(shí)驗(yàn)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(yàn)室所處實(shí)驗(yàn)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(shí)的室外環(huán)境,。在實(shí)驗(yàn)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(shí)我們可以通過控制夾套溫度,，使實(shí)驗(yàn)室車廂內(nèi)壁溫度與實(shí)際火車運(yùn)行時(shí)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(yàn)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(yàn)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(yàn)臺平面布置參見圖1-1
圖1-1 實(shí)驗(yàn)臺平面圖
1.3實(shí)驗(yàn)臺的主要設(shè)備選擇
1.3.1測量部分
本實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(yàn)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(shí)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(jì)
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(shí)驗(yàn)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(shí)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(jì)
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(shí)報(bào)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(shí)，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(shí)，關(guān)閉各閥,、風(fēng)機(jī),。
6.每一個(gè)設(shè)備通過彩色圖形顯示不同的狀態(tài)，顯示每個(gè)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(jì),。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(gè)模擬點(diǎn)的名稱和內(nèi)容,，共146個(gè)。
表2-3
下面是各個(gè)數(shù)字點(diǎn)的名稱和內(nèi)容,，共12個(gè),。
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(jì)
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(shí)報(bào)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(shí)，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(shí)，關(guān)閉各閥,、風(fēng)機(jī),。
6.每一個(gè)設(shè)備通過彩色圖形顯示不同的狀態(tài)，顯示每個(gè)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(yàn)用溫度,、風(fēng)速實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)
3.1溫度測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
本實(shí)驗(yàn)中溫度的測量儀器有：水銀溫度計(jì),、測風(fēng)儀、熱電偶溫度計(jì),。水銀溫度計(jì)和測風(fēng)儀在本實(shí)驗(yàn)中為輔助性測量儀器,，熱電偶溫度計(jì)為主要溫度測量儀器。
水銀溫度計(jì)：該試驗(yàn)中水銀溫度計(jì)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(jì)是本實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)選擇采用T型熱電偶作為溫度傳感器,。
本實(shí)驗(yàn)自做了90個(gè)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(shí)都在塑料管上貼上標(biāo)簽，使用時(shí)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(yàn)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(shí)系統(tǒng)圖
本實(shí)驗(yàn)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(shí)系統(tǒng)中顯示，還可有歷史報(bào)表的功能,。
圖3-4測溫歷史報(bào)表
3.2 風(fēng)速測試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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(jì)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(yàn)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(gè)模塊有4個(gè)通道,，因此該儀器有40個(gè)通道，每個(gè)通道與一個(gè)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(yàn)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(bào)表功能,。
圖3-7測風(fēng)速歷史報(bào)表
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