空調通風測試臺測控系統的研究與應用

孫吉磊，張天開，關珊珊，張永勇

(青島理工大學 自動化學院，山東 青島 266033)

當列車以高速運行時，如果車廂密閉不嚴或開啟車窗，則車內會產生強烈的紊流和噪聲，因此高速列車的車廂在列車運行時幾乎為密閉空間，所以車廂內就要裝有空調通風系統。對于設計的新車型和在用的車型，其空調送風系統在送風量、送風均勻性、氣流組織、管道的靜壓等技術方面，均需要通過測試臺測控系統進行實驗測試，以便進行設計前期驗證、實驗調試、改進，使設計制造的空調通風系統達到設計要求[1]。

本測試臺就是要完成對列車車廂空調通風系統的測試、驗證和調試。對于投產前的新車型，通過本測試臺自帶的空調、風機機組來對新型車廂內各項設計要求進行前期的設計、調試來確定新車型的空調通風系統的設計。對于在用的車型，本測試臺通過連接車廂內已有的空調通風系統來檢測車廂內的各項指標是否達標，通過對檢測結果的分析對在用車型中的系統進行改進提高。

本系統以工業控制計算機為核心，采用微機測控技術構成一套數據采集和工況閉環調控系統。隨時可以看到所有監控參數和結果，并可將結果存儲和打印，可以迅速對測試過程中出現的問題進行分析，實現對車廂內溫度、風速、壓力等參數的測量與控制。對提高測試的自動化水平、車廂內環境的改善有重要意義。

1 系統主要功能及技術參數

1.1 系統的主要功能

該系統的功能主要是對列車空調通風系統進行試驗研究及設計前期驗證。對于新車型，系統可利用自帶的空調通風系統完成對其各參數的檢測，通過測量參數對新車型進行設計、驗證、改進，使其空調通風系統達到設計要求。對于自帶空調通風系統的在用車型，系統可直接連接到車廂已有系統，實現對在用車型空調通風系統的指標檢測。系統主要實現以下功能：(1)車內基本空氣參數測定；(2)空調系統集成和優化研究；(3)風道系統均勻性測試和研究；(4)空調通風系統降噪研究；(5)車內氣流組織和舒適性研究；(6)高速列車空調送風系統研究；(7)新型通風系統研究(如誘導通風，變流量分區控制系統等)。

1.2 系統的主要技術參數

(1)實驗臺總制冷量：25～90 kW(可調)；

(2)模擬空調系統的總風量：2 000 m3/h～10 000 m3/h(可調)；

(3)供電容量：100 kVA；

(4)溫度測量精度：±0.5℃；

(5)送風溫度控制精度：±1℃；

(6)相對濕度測量精度：±3%；

(7)風速測量精度：最大量程的±3%；

(8)風量的測量精度：±2%；

(9)風量的控制精度：±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：集中發煙裝置；

(12)具有視頻錄制、截圖功能；

(13)數據分析綜合軟件：具有自動的數據分析功能和反演云圖功能。

2 系統的組成和硬件結構

2.1 系統的組成

系統以工業控制計算機、各種溫度、風速、壓力等傳感器、變送器、采樣器、風機、變頻器、空調機組等為平臺，通過檢測各個測點的溫度、壓力、速度等參數，對采集的數據進行處理分析，根據制訂的運行策略對車廂內的各控制量進行自動控制。并通過數據分析對車廂內的風道、風口進行調整，實現對車廂的設計驗證及實驗調試。

系統需要保證較高精度的溫度、濕度、壓力、風速、風量、噪音等參數的測量，所有傳感器、變送器、采樣器均須性能優良、測試穩定、精度高。系統要實現對送風溫度、送風量、車內微正壓的自動控制，其傳感器、A/D及D/A轉換器、執行器須性能穩定。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算機自動完成，用戶界面友好、方便。

2.2 系統的硬件結構

根據系統的參數要求，對系統的硬件進行配置。為達到可測定車廂內任意點的溫度、風速、壓差及流型的相應參數，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移動，每個傳感器測試線的長度在車廂內需達到20 m，以便于對溫度場、速度場及流型的測定。風量的測試擬采用噴嘴流量計和微風速儀相結合的方式。在總風道中使用精度較高的噴嘴流量計，并作為風量調節控制的基準傳感器，在風道內及末端風口處采用微風速儀。相對濕度與噪音的測試僅作為一般性測定，考慮對降噪技術的研究所用，采用分頻聲級計。測試臺視頻部分承擔實驗過程的聲像記錄功能，其是可視化的最終圖像手段之一。對于控制用風壓的測定，不論是車內正壓還是風道資用壓力的測定，其傳感器和變送器均可與實驗臺、壓差傳感器公用。

系統的硬件設置具有結構合理，運行可靠的特點。系統的運行過程采用多種方式實現，既可采用手動方式實現，又可使用自動方式完成。在手動方式下，測試員通過手動設置參數、控制按鍵、旋鈕等控制各種設備、執行機構、檢測單元等對象完成實驗過程。在自動方式下，操作員可通過預先設置存儲的實驗流程通過啟動鍵由測試系統自動完成測試過程。系統的硬件結構圖如圖1所示。

系統控制部分以可靠性高、處理速度快、數據分析能力強、穩定性好的高性能工業控制計算機為核心，配以A/D、D/A采集板、通訊模塊及開關量輸出模塊等組成。通過車廂內可移動的60點溫度傳感器和60點風速傳感器對車廂內的每一部分進行精確的溫度和風速的測量，因為此處測量的數據量龐大而且要求測量精度高，測量的數據由高速、高精度的數據采集儀進行采集、存儲。工控機通過通訊模塊與數據采集儀進行數據傳輸。20點的壓力傳感器和4點濕度傳感器的數據直接由工控機上的A/D采集板進行數據采集，由于要求數據的精度比較高，所以工控機的A/D、D/A采集板都選用12位隔離型采集板。系統通過對采集的溫度、風速、壓力、濕度數據進行分析，通過與設定值的比較，根據指定的運行策略控制風機風速和風量的大小、空調機組溫度、風量的調節和風口的開關，使車廂內的各項指標達到設定值。同時采集的數據存入數據分析系統，經過數據分析得出車廂內溫度場、速度場的云圖，根據數據結果調整送風溫度、速度及車廂內各風口的開口位置及大小。

3 系統的軟件結構設計

3.1 系統的軟件結構

本系統軟件采用Web Access組態軟件開發完成。軟件具有簡單、易用、靈活、開發周期短、功能強大等優點。

利用Web Access組態軟件設計開發的軟件程序能很好地完成對車廂的各項指標的檢測以及對各控制量的自動控制。系統在工作時其工況調節與數據采集、顯示及輸出均可并行進行。

測試系統包括測量控制系統、視頻監控系統和數據分析系統三個子系統(以下簡稱：測控系統、視頻系統、數據系統)。三個子系統既可獨立實現各自的功能，又可相互實現數據共享完成實驗系統的全部功能。

測試系統運行時對三個子系統分別設置自動和手動操作界面，可在系統的主界面中選擇使用。

對應測控系統的運行配備以下主要功能：

(1)測控系統設置：設置測控系統的預置運行參數。

(2)測控系統信息匯總：顯示測控系統在運行過程中的各種檢測參數、分析結果、各個測點的變化曲線等信息。

對應視頻系統的運行配備以下主要功能：

(1)視頻系統設置：設置視頻系統的工作方式、調整視頻攝像參數、選擇視頻錄像操作等。

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

對應數據系統的運行配備以下主要功能：

(1)數據系統設置：為數據分析系統設置參數，預置數據取樣間隔、數據調整參數等。

(2)數據系統信息處理：對采集的信息進行分類、存儲，方便數據處理系統對數據進行調用、分析等。

主畫面中還配備了系統參數設置的操作按鍵。用以設置系統的修正參數、系統工作參數等。

(1)修正參數為測控系統的各個測點設置修正參數、比例參數、量程參數等，以保證參數測量的準確性。

(2)系統參數為各個系統協調工作設置參數，包括數據庫參數、系統自動運行參數、操作員信息參數、歷史數據參數等。

(3)手動操作為系統的運行配備了手動操作方式，可由實驗員手動操作測試實驗的各個步驟，包括測控系統的檢測過程，視頻監控的數據選取，數據分析系統的數據選擇、運算處理、結果分析等。

(4)自動操作為系統的運行配備了自動操作方式。在該方式下，由實驗員啟動測控系統、視頻系統、數據系統按照預置的參數要求自動地完成整個測試過程。

3.2 系統控制過程

系統的控制流程圖如圖2所示。系統通過各傳感器測量得到的溫度、風速、壓力等參數對車廂內的環境進行分析，通過與設定要求的數據進行分析比較，然后利用PID算法對空調、風機等對象進行控制，使車廂內的各項指標趨于設計要求。

系統首先根據參數要求調節空調機組控制空調的送風溫度達到系統要求，通過調節進風口和出風口的風量調節車內的壓力，使之滿足車廂內保持微正壓的要求。控制變頻器、調節風機來調節送風量和送風速度，調整車廂內各風口的位置和大小，根據以上綜合控制來使車廂內各點的溫度符合要求，并調節送風速度使之在要求的范圍內。

4 系統工況詳解

4.1 測控系統

(1)開啟時，實驗員需進行參數的設置，包括溫度測點的選定(首次啟動需進行標定)、風速測點的選定和壓差測點的選定，確定所選測點無誤后，完成參數設置。

圖2 系統控制流程圖

(2)進入參數設定界面，控制參數顯示風量、風壓、出口溫度三項；測試參數顯示溫度、風速、壓差、濕度四項。

實現的功能：溫度、風速、壓差均可指定測點；測試的參數均顯示數值和實時變化曲線；所有測試實時數據均進入數據庫，以備隨時調用從而進行數據分析處理。

(3)設備運行參數的顯示。實驗進行過程中，可切換系統的運行數據，該數據在系統結構原理圖中表明各關鍵點的對應數值。

4.2 數據分析處理

(1)測試類型的設定。包括風口、斷面、風道內三個部分，輸入各部位的測點編號，完成定位功能(斷面處可輸入斷面上的各點坐標)。

(2)風口處：風口風速、溫度數據的曲線繪制，不均勻系數的計算。

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

(4)風道內：壓力測點(每個壓差變送器對應兩個)、溫度、風速測點的定位，繪制風道內的阻力變化曲線。

4.3 視頻監控系統

包括實時監控、調整視角(縮放)和錄像功能。

(1)實驗臺開啟時即啟動實時監控功能；

(2)攝像頭的視角范圍可手動調整；

(3)錄像功能：根據需要手動設定，錄像的視頻文件自動進入數據庫儲存；發煙實驗時，錄像存儲功能和發煙器同時啟動，自動存儲相關視頻信息。

本系統的研究成功解決了高速列車空調通風系統人工檢測費時費力且精度無法充分保證的實際問題，對高速列車新車型的開發設計和舊車型的指標檢測有指導意義，對于保證和提高高速列車車廂內的環境質量具有現實意義和實用價值。

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

[2]潘新民，王燕芳.微型計算機控制技術[M].北京:電子工業出版社，2006.

[3]史自強，張吉光，邢海峰，等.客車空調通風試驗臺及測試方法[J].鐵道車輛，2004，42(1):33-36.