摘  要： 以工業(yè)控制計算機為核心構(gòu)建了高速列車空調(diào)通風(fēng)測試臺測控系統(tǒng)。可對多路物理量(溫度、風(fēng)速、壓力等)進行采集、分析處理和調(diào)節(jié)控制。通過實驗測試對高速列車新車型的開發(fā)設(shè)計進行驗證調(diào)試，對在用車型的各指標進行檢測改進。對于提高測試的自動化水平、保證和提高車廂內(nèi)的環(huán)境質(zhì)量具有現(xiàn)實意義和實用價值。
關(guān)鍵詞： 高速列車；空調(diào)通風(fēng)；數(shù)據(jù)采集；測量控制

    當(dāng)列車以高速運行時，如果車廂密閉不嚴或開啟車窗，則車內(nèi)會產(chǎn)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(nèi)就要裝有空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)。對于設(shè)計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)進行實驗測試，以便進行設(shè)計前期驗證、實驗調(diào)試、改進，使設(shè)計制造的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)達到設(shè)計要求[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)機機組來對新型車廂內(nèi)各項設(shè)計要求進行前期的設(shè)計、調(diào)試來確定新車型的空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的設(shè)計。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)的各項指標是否達標，通過對檢測結(jié)果的分析對在用車型中的系統(tǒng)進行改進提高。
    本系統(tǒng)以工業(yè)控制計算機為核心，采用微機測控技術(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)的問題進行分析，實現(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)進行試驗研究及設(shè)計前期驗證。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)對新車型進行設(shè)計、驗證、改進，使其空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)達到設(shè)計要求。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)，實現(xiàn)對在用車型空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的指標檢測。系統(tǒng)主要實現(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)實驗臺總制冷量：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)控制計算機、各種溫度、風(fēng)速、壓力等傳感器、變送器、采樣器、風(fēng)機、變頻器、空調(diào)機組等為平臺，通過檢測各個測點的溫度、壓力、速度等參數(shù)，對采集的數(shù)據(jù)進行處理分析，根據(jù)制訂的運行策略對車廂內(nèi)的各控制量進行自動控制。并通過數(shù)據(jù)分析對車廂內(nèi)的風(fēng)道、風(fēng)口進行調(diào)整，實現(xiàn)對車廂的設(shè)計驗證及實驗調(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算機自動完成，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)的硬件進行配置。為達到可測定車廂內(nèi)任意點的溫度、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，每個傳感器測試線的長度在車廂內(nèi)需達到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，并作為風(fēng)量調(diào)節(jié)控制的基準傳感器，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。測試臺視頻部分承擔(dān)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(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驗臺、壓差傳感器公用。
    系統(tǒng)的硬件設(shè)置具有結(jié)構(gòu)合理，運行可靠的特點。系統(tǒng)的運行過程采用多種方式實現(xiàn)，既可采用手動方式實現(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)行機構(gòu)、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(yù)先設(shè)置存儲的實驗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、穩(wěn)定性好的高性能工業(yè)控制計算機為核心，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點溫度傳感器和60點風(fēng)速傳感器對車廂內(nèi)的每一部分進行精確的溫度和風(fēng)速的測量，因為此處測量的數(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)采集儀進行采集、存儲。工控機通過通訊模塊與數(shù)據(jù)采集儀進行數(shù)據(jù)傳輸。20點的壓力傳感器和4點濕度傳感器的數(shù)據(jù)直接由工控機上的A/D采集板進行數(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)進行分析，通過與設(shè)定值的比較，根據(jù)指定的運行策略控制風(fēng)機風(fēng)速和風(fēng)量的大小、空調(diào)機組溫度、風(fēng)量的調(diào)節(jié)和風(fēng)口的開關(guān)，使車廂內(nèi)的各項指標達到設(shè)定值。同時采集的數(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
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、功能強大等優(yōu)點。
    利用Web Access組態(tài)軟件設(shè)計開發(fā)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(tǒng)在工作時其工況調(diào)節(jié)與數(shù)據(jù)采集、顯示及輸出均可并行進行。
    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))。三個子系統(tǒng)既可獨立實現(xiàn)各自的功能，又可相互實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享完成實驗系統(tǒng)的全部功能。
    測試系統(tǒng)運行時對三個子系統(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)置運行參數(shù)。
    (2)測控系統(tǒng)信息匯總：顯示測控系統(tǒng)在運行過程中的各種檢測參數(shù)、分析結(jié)果、各個測點的變化曲線等信息。
    對應(yīng)視頻系統(tǒng)的運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：對采集的信息進行分類、存儲，方便數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行調(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)的各個測點設(shè)置修正參數(shù)、比例參數(shù)、量程參數(shù)等，以保證參數(shù)測量的準確性。
    (2)系統(tǒng)參數(shù)為各個系統(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(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、運算處理、結(jié)果分析等。
    (4)自動操作為系統(tǒng)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(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)境進行分析，通過與設(shè)定要求的數(shù)據(jù)進行分析比較，然后利用PID算法對空調(diào)、風(fēng)機等對象進行控制，使車廂內(nèi)的各項指標趨于設(shè)計要求。

    系統(tǒng)首先根據(jù)參數(shù)要求調(diào)節(jié)空調(diào)機組控制空調(diào)的送風(fēng)溫度達到系統(tǒng)要求，通過調(diào)節(jié)進風(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。控制變頻器、調(diào)節(jié)風(fēng)機來調(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，實驗員需進行參數(shù)的設(shè)置，包括溫度測點的選定(首次啟動需進行標定)、風(fēng)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(shù)設(shè)置。
    (2)進入?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；測試參數(shù)顯示溫度、風(fēng)速、壓差、濕度四項。
    實現(xiàn)的功能：溫度、風(fēng)速、壓差均可指定測點；測試的參數(shù)均顯示數(shù)值和實時變化曲線；所有測試實時數(shù)據(jù)均進入數(shù)據(jù)庫，以備隨時調(diào)用從而進行數(shù)據(jù)分析處理。
    (3)設(shè)備運行參數(shù)的顯示。實驗進行過程中，可切換系統(tǒng)的運行數(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(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(shù)，ADPI評價指標；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(每個壓差變送器對應(yīng)兩個)、溫度、風(fēng)速測點的定位，繪制風(fēng)道內(nèi)的阻力變化曲線。
4.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)
    包括實時監(jiān)控、調(diào)整視角(縮放)和錄像功能。
    (1)實驗臺開啟時即啟動實時監(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入數(shù)據(jù)庫儲存；發(fā)煙實驗時，錄像存儲功能和發(fā)煙器同時啟動，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(fā)設(shè)計和舊車型的指標檢測有指導(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)實意義和實用價值。
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