孫吉磊，張?zhí)扉_，關(guān)珊珊，張永勇

(青島理工大學(xué) 自動(dòng)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(huì)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(duì)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(cè)試臺(tái)測(cè)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)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(cè)試臺(tái)就是要完成對(duì)列車車廂空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的測(cè)試、驗(yàn)證和調(diào)試。對(duì)于投產(chǎn)前的新車型，通過本測(cè)試臺(tái)自帶的空調(diào)、風(fēng)機(jī)機(jī)組來對(duì)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(duì)于在用的車型，本測(cè)試臺(tái)通過連接車廂內(nèi)已有的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)來檢測(cè)車廂內(nèi)的各項(xiàng)指標(biāo)是否達(dá)標(biāo)，通過對(duì)檢測(cè)結(jié)果的分析對(duì)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(cè)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(chǔ)和打印，可以迅速對(duì)測(cè)試過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)車廂內(nèi)溫度、風(fēng)速、壓力等參數(shù)的測(cè)量與控制。對(duì)提高測(cè)試的自動(dòng)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(duì)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(duì)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(duì)其各參數(shù)的檢測(cè)，通過測(cè)量參數(shù)對(duì)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(duì)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(duì)在用車型空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的指標(biāo)檢測(cè)。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(cè)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(cè)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(tái)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(cè)量精度：±0.5℃；

(5)送風(fēng)溫度控制精度：±1℃；

(6)相對(duì)濕度測(cè)量精度：±3%；

(7)風(fēng)速測(cè)量精度：最大量程的±3%；

(8)風(fēng)量的測(cè)量精度：±2%；

(9)風(fēng)量的控制精度：±3%；

(10)壓差的測(cè)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(dòng)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(tái)，通過檢測(cè)各個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度、壓力、速度等參數(shù)，對(duì)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(duì)車廂內(nèi)的各控制量進(jìn)行自動(dòng)控制。并通過數(shù)據(jù)分析對(duì)車廂內(nèi)的風(fēng)道、風(fēng)口進(jìn)行調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(cè)量，所有傳感器、變送器、采樣器均須性能優(yōu)良、測(cè)試穩(wěn)定、精度高。系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)送風(fēng)溫度、送風(fēng)量、車內(nèi)微正壓的自動(dòng)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(duì)速度場(chǎng)、溫度場(chǎng)、壓力場(chǎng)及氣流組織的測(cè)定采取可移動(dòng)測(cè)量方式，所有的測(cè)量與控制均由計(jì)算機(jī)自動(dòng)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(duì)系統(tǒng)的硬件進(jìn)行配置。為達(dá)到可測(cè)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(cè)定均采用可移動(dòng)式測(cè)量方式，即所有測(cè)量?jī)x器均可在車內(nèi)移動(dòng)，每個(gè)傳感器測(cè)試線的長(zhǎng)度在車廂內(nèi)需達(dá)到20 m，以便于對(duì)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)及流型的測(cè)定。風(fēng)量的測(cè)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(duì)濕度與噪音的測(cè)試僅作為一般性測(cè)定，考慮對(duì)降噪技術(shù)的研究所用，采用分頻聲級(jí)計(jì)。測(cè)試臺(tái)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(duì)于控制用風(fēng)壓的測(cè)定，不論是車內(nèi)正壓還是風(fēng)道資用壓力的測(cè)定，其傳感器和變送器均可與實(shí)驗(yàn)臺(tái)、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(dòng)方式實(shí)現(xiàn)，又可使用自動(dòng)方式完成。在手動(dòng)方式下，測(cè)試員通過手動(dòng)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(cè)單元等對(duì)象完成實(shí)驗(yàn)過程。在自動(dòng)方式下，操作員可通過預(yù)先設(shè)置存儲(chǔ)的實(shí)驗(yàn)流程通過啟動(dòng)鍵由測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成測(cè)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(dòng)的60點(diǎn)溫度傳感器和60點(diǎn)風(fēng)速傳感器對(duì)車廂內(nèi)的每一部分進(jìn)行精確的溫度和風(fēng)速的測(cè)量，因?yàn)榇颂帨y(cè)量的數(shù)據(jù)量龐大而且要求測(cè)量精度高，測(cè)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(chǔ)。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(duì)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(chǎng)、速度場(chǎng)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(jiǎn)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(duì)車廂的各項(xiàng)指標(biāo)的檢測(cè)以及對(duì)各控制量的自動(dòng)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(cè)試系統(tǒng)包括測(cè)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(jiǎn)稱：測(cè)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(cè)試系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)對(duì)三個(gè)子系統(tǒng)分別設(shè)置自動(dòng)和手動(dòng)操作界面，可在系統(tǒng)的主界面中選擇使用。

對(duì)應(yīng)測(cè)控系統(tǒng)的運(yùn)行配備以下主要功能：

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

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

對(duì)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(duì)視頻系統(tǒng)的存儲(chǔ)信息進(jìn)行處理，如：錄制信息的選擇，裁圖操作等。

對(duì)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(duì)采集的信息進(jìn)行分類、存儲(chǔ)，方便數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對(duì)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(cè)控系統(tǒng)的各個(gè)測(cè)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(cè)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(kù)參數(shù)、系統(tǒng)自動(dòng)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(dòng)操作為系統(tǒng)的運(yùn)行配備了手動(dòng)操作方式，可由實(shí)驗(yàn)員手動(dòng)操作測(cè)試實(shí)驗(yàn)的各個(gè)步驟，包括測(cè)控系統(tǒng)的檢測(cè)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(dòng)操作為系統(tǒng)的運(yùn)行配備了自動(dòng)操作方式。在該方式下，由實(shí)驗(yàn)員啟動(dòng)測(cè)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(dòng)地完成整個(gè)測(cè)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(cè)量得到的溫度、風(fēng)速、壓力等參數(shù)對(duì)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(duì)空調(diào)、風(fēng)機(jī)等對(duì)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(cè)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(cè)點(diǎn)的選定(首次啟動(dòng)需進(jìn)行標(biāo)定)、風(fēng)速測(cè)點(diǎn)的選定和壓差測(cè)點(diǎn)的選定，確定所選測(cè)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(cè)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(cè)點(diǎn)；測(cè)試的參數(shù)均顯示數(shù)值和實(shí)時(shí)變化曲線；所有測(cè)試實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)均進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)，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(duì)應(yīng)數(shù)值。

4.2 數(shù)據(jù)分析處理

(1)測(cè)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(cè)點(diǎn)編號(hào)，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(chǎng)、速度場(chǎng)的插值計(jì)算，生成云圖；空間任意點(diǎn)的測(cè)量值查詢；求解溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)的不均勻系數(shù)，ADPI評(píng)價(jià)指標(biāo)；截面(溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)已知)的PMV分布云圖。

(4)風(fēng)道內(nèi)：壓力測(cè)點(diǎn)(每個(gè)壓差變送器對(duì)應(yīng)兩個(gè))、溫度、風(fēng)速測(cè)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(tái)開啟時(shí)即啟動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)控功能；

(2)攝像頭的視角范圍可手動(dòng)調(diào)整；

(3)錄像功能：根據(jù)需要手動(dòng)設(shè)定，錄像的視頻文件自動(dòng)進(jìn)入數(shù)據(jù)庫(kù)儲(chǔ)存；發(fā)煙實(shí)驗(yàn)時(shí)，錄像存儲(chǔ)功能和發(fā)煙器同時(shí)啟動(dòng)，自動(dòng)存儲(chǔ)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(cè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力且精度無法充分保證的實(shí)際問題，對(duì)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(cè)有指導(dǎo)意義，對(duì)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。

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