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)?？蓪Χ嗦肺锢砹?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(biāo)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(yán)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(biāo)是否達標(biāo),，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(biāo)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(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。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(biāo)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(biāo)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(zhǔn)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(biāo)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,?？刂谱冾l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(biāo)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(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(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(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(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)實意義和實用價值,。
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