空調(diào)通風(fēng)測試臺測控系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

孫吉磊，張?zhí)扉_，關(guān)珊珊，張永勇

(青島理工大學(xué) 自動化學(xué)院，山東 青島 266033)

當(dāng)列車以高速運(yùn)行時(shí)，如果車廂密閉不嚴(yán)或開啟車窗，則車內(nèi)會產(chǎn)生強(qiáng)烈的紊流和噪聲，因此高速列車的車廂在列車運(yùn)行時(shí)幾乎為密閉空間，所以車廂內(nèi)就要裝有空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。對于設(shè)計(jì)的新車型和在用的車型，其空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)在送風(fēng)量、送風(fēng)均勻性、氣流組織、管道的靜壓等技術(shù)方面，均需要通過測試臺測控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，以便進(jìn)行設(shè)計(jì)前期驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)調(diào)試、改進(jìn)，使設(shè)計(jì)制造的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求[1]。

本測試臺就是要完成對列車車廂空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的測試、驗(yàn)證和調(diào)試。對于投產(chǎn)前的新車型，通過本測試臺自帶的空調(diào)、風(fēng)機(jī)機(jī)組來對新型車廂內(nèi)各項(xiàng)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行前期的設(shè)計(jì)、調(diào)試來確定新車型的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對于在用的車型，本測試臺通過連接車廂內(nèi)已有的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)來檢測車廂內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，通過對檢測結(jié)果的分析對在用車型中的系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)提高。

本系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，采用微機(jī)測控技術(shù)構(gòu)成一套數(shù)據(jù)采集和工況閉環(huán)調(diào)控系統(tǒng)。隨時(shí)可以看到所有監(jiān)控參數(shù)和結(jié)果，并可將結(jié)果存儲和打印，可以迅速對測試過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對車廂內(nèi)溫度、風(fēng)速、壓力等參數(shù)的測量與控制。對提高測試的自動化水平、車廂內(nèi)環(huán)境的改善有重要意義。

1 系統(tǒng)主要功能及技術(shù)參數(shù)

1.1 系統(tǒng)的主要功能

該系統(tǒng)的功能主要是對列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)進(jìn)行試驗(yàn)研究及設(shè)計(jì)前期驗(yàn)證。對于新車型，系統(tǒng)可利用自帶的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)完成對其各參數(shù)的檢測，通過測量參數(shù)對新車型進(jìn)行設(shè)計(jì)、驗(yàn)證、改進(jìn)，使其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。對于自帶空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的在用車型，系統(tǒng)可直接連接到車廂已有系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對在用車型空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的指標(biāo)檢測。系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：(1)車內(nèi)基本空氣參數(shù)測定；(2)空調(diào)系統(tǒng)集成和優(yōu)化研究；(3)風(fēng)道系統(tǒng)均勻性測試和研究；(4)空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)降噪研究；(5)車內(nèi)氣流組織和舒適性研究；(6)高速列車空調(diào)送風(fēng)系統(tǒng)研究；(7)新型通風(fēng)系統(tǒng)研究(如誘導(dǎo)通風(fēng)，變流量分區(qū)控制系統(tǒng)等)。

1.2 系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)

(1)實(shí)驗(yàn)臺總制冷量：25～90 kW(可調(diào))；

(2)模擬空調(diào)系統(tǒng)的總風(fēng)量：2 000 m3/h～10 000 m3/h(可調(diào))；

(3)供電容量：100 kVA；

(4)溫度測量精度：±0.5℃；

(5)送風(fēng)溫度控制精度：±1℃；

(6)相對濕度測量精度：±3%；

(7)風(fēng)速測量精度：最大量程的±3%；

(8)風(fēng)量的測量精度：±2%；

(9)風(fēng)量的控制精度：±3%；

(10)壓差的測量精度：±2 Pa，量程(-1 000 Pa～1 000 Pa)；

(11)具有可視化功能：集中發(fā)煙裝置；

(12)具有視頻錄制、截圖功能；

(13)數(shù)據(jù)分析綜合軟件：具有自動的數(shù)據(jù)分析功能和反演云圖功能。

2 系統(tǒng)的組成和硬件結(jié)構(gòu)

2.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)以工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、各種溫度、風(fēng)速、壓力等傳感器、變送器、采樣器、風(fēng)機(jī)、變頻器、空調(diào)機(jī)組等為平臺，通過檢測各個(gè)測點(diǎn)的溫度、壓力、速度等參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，根據(jù)制訂的運(yùn)行策略對車廂內(nèi)的各控制量進(jìn)行自動控制。并通過數(shù)據(jù)分析對車廂內(nèi)的風(fēng)道、風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對車廂的設(shè)計(jì)驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)調(diào)試。

系統(tǒng)需要保證較高精度的溫度、濕度、壓力、風(fēng)速、風(fēng)量、噪音等參數(shù)的測量，所有傳感器、變送器、采樣器均須性能優(yōu)良、測試穩(wěn)定、精度高。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對送風(fēng)溫度、送風(fēng)量、車內(nèi)微正壓的自動控制，其傳感器、A/D及D/A轉(zhuǎn)換器、執(zhí)行器須性能穩(wěn)定。對速度場、溫度場、壓力場及氣流組織的測定采取可移動測量方式，所有的測量與控制均由計(jì)算機(jī)自動完成，用戶界面友好、方便。

2.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)要求，對系統(tǒng)的硬件進(jìn)行配置。為達(dá)到可測定車廂內(nèi)任意點(diǎn)的溫度、風(fēng)速、壓差及流型的相應(yīng)參數(shù)，其測定均采用可移動式測量方式，即所有測量儀器均可在車內(nèi)移動，每個(gè)傳感器測試線的長度在車廂內(nèi)需達(dá)到20 m，以便于對溫度場、速度場及流型的測定。風(fēng)量的測試擬采用噴嘴流量計(jì)和微風(fēng)速儀相結(jié)合的方式。在總風(fēng)道中使用精度較高的噴嘴流量計(jì)，并作為風(fēng)量調(diào)節(jié)控制的基準(zhǔn)傳感器，在風(fēng)道內(nèi)及末端風(fēng)口處采用微風(fēng)速儀。相對濕度與噪音的測試僅作為一般性測定，考慮對降噪技術(shù)的研究所用，采用分頻聲級計(jì)。測試臺視頻部分承擔(dān)實(shí)驗(yàn)過程的聲像記錄功能，其是可視化的最終圖像手段之一。對于控制用風(fēng)壓的測定，不論是車內(nèi)正壓還是風(fēng)道資用壓力的測定，其傳感器和變送器均可與實(shí)驗(yàn)臺、壓差傳感器公用。

系統(tǒng)的硬件設(shè)置具有結(jié)構(gòu)合理，運(yùn)行可靠的特點(diǎn)。系統(tǒng)的運(yùn)行過程采用多種方式實(shí)現(xiàn)，既可采用手動方式實(shí)現(xiàn)，又可使用自動方式完成。在手動方式下，測試員通過手動設(shè)置參數(shù)、控制按鍵、旋鈕等控制各種設(shè)備、執(zhí)行機(jī)構(gòu)、檢測單元等對象完成實(shí)驗(yàn)過程。在自動方式下，操作員可通過預(yù)先設(shè)置存儲的實(shí)驗(yàn)流程通過啟動鍵由測試系統(tǒng)自動完成測試過程。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

系統(tǒng)控制部分以可靠性高、處理速度快、數(shù)據(jù)分析能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好的高性能工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為核心，配以A/D、D/A采集板、通訊模塊及開關(guān)量輸出模塊等組成。通過車廂內(nèi)可移動的60點(diǎn)溫度傳感器和60點(diǎn)風(fēng)速傳感器對車廂內(nèi)的每一部分進(jìn)行精確的溫度和風(fēng)速的測量，因?yàn)榇颂帨y量的數(shù)據(jù)量龐大而且要求測量精度高，測量的數(shù)據(jù)由高速、高精度的數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行采集、存儲。工控機(jī)通過通訊模塊與數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。20點(diǎn)的壓力傳感器和4點(diǎn)濕度傳感器的數(shù)據(jù)直接由工控機(jī)上的A/D采集板進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，由于要求數(shù)據(jù)的精度比較高，所以工控機(jī)的A/D、D/A采集板都選用12位隔離型采集板。系統(tǒng)通過對采集的溫度、風(fēng)速、壓力、濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過與設(shè)定值的比較，根據(jù)指定的運(yùn)行策略控制風(fēng)機(jī)風(fēng)速和風(fēng)量的大小、空調(diào)機(jī)組溫度、風(fēng)量的調(diào)節(jié)和風(fēng)口的開關(guān)，使車廂內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)達(dá)到設(shè)定值。同時(shí)采集的數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)據(jù)分析得出車廂內(nèi)溫度場、速度場的云圖，根據(jù)數(shù)據(jù)結(jié)果調(diào)整送風(fēng)溫度、速度及車廂內(nèi)各風(fēng)口的開口位置及大小。

3 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)軟件采用Web Access組態(tài)軟件開發(fā)完成。軟件具有簡單、易用、靈活、開發(fā)周期短、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

利用Web Access組態(tài)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)的軟件程序能很好地完成對車廂的各項(xiàng)指標(biāo)的檢測以及對各控制量的自動控制。系統(tǒng)在工作時(shí)其工況調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)采集、顯示及輸出均可并行進(jìn)行。

測試系統(tǒng)包括測量控制系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)和數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)(以下簡稱：測控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng))。三個(gè)子系統(tǒng)既可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)各自的功能，又可相互實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享完成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的全部功能。

測試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對三個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)置自動和手動操作界面，可在系統(tǒng)的主界面中選擇使用。

對應(yīng)測控系統(tǒng)的運(yùn)行配備以下主要功能：

(1)測控系統(tǒng)設(shè)置：設(shè)置測控系統(tǒng)的預(yù)置運(yùn)行參數(shù)。

(2)測控系統(tǒng)信息匯總：顯示測控系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的各種檢測參數(shù)、分析結(jié)果、各個(gè)測點(diǎn)的變化曲線等信息。

對應(yīng)視頻系統(tǒng)的運(yùn)行配備以下主要功能：

(1)視頻系統(tǒng)設(shè)置：設(shè)置視頻系統(tǒng)的工作方式、調(diào)整視頻攝像參數(shù)、選擇視頻錄像操作等。

(2)視頻系統(tǒng)信息處理：對視頻系統(tǒng)的存儲信息進(jìn)行處理，如：錄制信息的選擇，裁圖操作等。

對應(yīng)數(shù)據(jù)系統(tǒng)的運(yùn)行配備以下主要功能：

(1)數(shù)據(jù)系統(tǒng)設(shè)置：為數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)設(shè)置參數(shù)，預(yù)置數(shù)據(jù)取樣間隔、數(shù)據(jù)調(diào)整參數(shù)等。

(2)數(shù)據(jù)系統(tǒng)信息處理：對采集的信息進(jìn)行分類、存儲，方便數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)用、分析等。

主畫面中還配備了系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置的操作按鍵。用以設(shè)置系統(tǒng)的修正參數(shù)、系統(tǒng)工作參數(shù)等。

(1)修正參數(shù)為測控系統(tǒng)的各個(gè)測點(diǎn)設(shè)置修正參數(shù)、比例參數(shù)、量程參數(shù)等，以保證參數(shù)測量的準(zhǔn)確性。

(2)系統(tǒng)參數(shù)為各個(gè)系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作設(shè)置參數(shù)，包括數(shù)據(jù)庫參數(shù)、系統(tǒng)自動運(yùn)行參數(shù)、操作員信息參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)參數(shù)等。

(3)手動操作為系統(tǒng)的運(yùn)行配備了手動操作方式，可由實(shí)驗(yàn)員手動操作測試實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟，包括測控系統(tǒng)的檢測過程，視頻監(jiān)控的數(shù)據(jù)選取，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)的數(shù)據(jù)選擇、運(yùn)算處理、結(jié)果分析等。

(4)自動操作為系統(tǒng)的運(yùn)行配備了自動操作方式。在該方式下，由實(shí)驗(yàn)員啟動測控系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)、數(shù)據(jù)系統(tǒng)按照預(yù)置的參數(shù)要求自動地完成整個(gè)測試過程。

3.2 系統(tǒng)控制過程

系統(tǒng)的控制流程圖如圖2所示。系統(tǒng)通過各傳感器測量得到的溫度、風(fēng)速、壓力等參數(shù)對車廂內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行分析，通過與設(shè)定要求的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析比較，然后利用PID算法對空調(diào)、風(fēng)機(jī)等對象進(jìn)行控制，使車廂內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)趨于設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)首先根據(jù)參數(shù)要求調(diào)節(jié)空調(diào)機(jī)組控制空調(diào)的送風(fēng)溫度達(dá)到系統(tǒng)要求，通過調(diào)節(jié)進(jìn)風(fēng)口和出風(fēng)口的風(fēng)量調(diào)節(jié)車內(nèi)的壓力，使之滿足車廂內(nèi)保持微正壓的要求?？刂谱冾l器、調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)來調(diào)節(jié)送風(fēng)量和送風(fēng)速度，調(diào)整車廂內(nèi)各風(fēng)口的位置和大小，根據(jù)以上綜合控制來使車廂內(nèi)各點(diǎn)的溫度符合要求，并調(diào)節(jié)送風(fēng)速度使之在要求的范圍內(nèi)。

4 系統(tǒng)工況詳解

4.1 測控系統(tǒng)

(1)開啟時(shí)，實(shí)驗(yàn)員需進(jìn)行參數(shù)的設(shè)置，包括溫度測點(diǎn)的選定(首次啟動需進(jìn)行標(biāo)定)、風(fēng)速測點(diǎn)的選定和壓差測點(diǎn)的選定，確定所選測點(diǎn)無誤后，完成參數(shù)設(shè)置。

圖2 系統(tǒng)控制流程圖

(2)進(jìn)入?yún)?shù)設(shè)定界面，控制參數(shù)顯示風(fēng)量、風(fēng)壓、出口溫度三項(xiàng)；測試參數(shù)顯示溫度、風(fēng)速、壓差、濕度四項(xiàng)。

實(shí)現(xiàn)的功能：溫度、風(fēng)速、壓差均可指定測點(diǎn)；測試的參數(shù)均顯示數(shù)值和實(shí)時(shí)變化曲線；所有測試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均進(jìn)入數(shù)據(jù)庫，以備隨時(shí)調(diào)用從而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理。

(3)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)的顯示。實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過程中，可切換系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖中表明各關(guān)鍵點(diǎn)的對應(yīng)數(shù)值。

4.2 數(shù)據(jù)分析處理

(1)測試類型的設(shè)定。包括風(fēng)口、斷面、風(fēng)道內(nèi)三個(gè)部分，輸入各部位的測點(diǎn)編號，完成定位功能(斷面處可輸入斷面上的各點(diǎn)坐標(biāo))。

(2)風(fēng)口處：風(fēng)口風(fēng)速、溫度數(shù)據(jù)的曲線繪制，不均勻系數(shù)的計(jì)算。

(3)斷面處：溫度場、速度場的插值計(jì)算，生成云圖；空間任意點(diǎn)的測量值查詢；求解溫度場、速度場的不均勻系數(shù)，ADPI評價(jià)指標(biāo)；截面(溫度場、速度場已知)的PMV分布云圖。

(4)風(fēng)道內(nèi)：壓力測點(diǎn)(每個(gè)壓差變送器對應(yīng)兩個(gè))、溫度、風(fēng)速測點(diǎn)的定位，繪制風(fēng)道內(nèi)的阻力變化曲線。

4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、調(diào)整視角(縮放)和錄像功能。

(1)實(shí)驗(yàn)臺開啟時(shí)即啟動實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；

(2)攝像頭的視角范圍可手動調(diào)整；

(3)錄像功能：根據(jù)需要手動設(shè)定，錄像的視頻文件自動進(jìn)入數(shù)據(jù)庫儲存；發(fā)煙實(shí)驗(yàn)時(shí)，錄像存儲功能和發(fā)煙器同時(shí)啟動，自動存儲相關(guān)視頻信息。

本系統(tǒng)的研究成功解決了高速列車空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)人工檢測費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度無法充分保證的實(shí)際問題，對高速列車新車型的開發(fā)設(shè)計(jì)和舊車型的指標(biāo)檢測有指導(dǎo)意義，對于保證和提高高速列車車廂內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量具有現(xiàn)實(shí)意義和實(shí)用價(jià)值。

[1]李劍，林東.270 km/h高速列車二等座車空調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].鐵道車輛，2004，42(2):17-19.

[2]潘新民，王燕芳.微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社，2006.

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