对于空调通风测试台测控系统的研究应用

 

　　我国的铁路客车空调自1958年投入使用，经过40多年的发展，技术不断进步，设备日益完善，取得了很大的进展。但随着经济的发展，旅游业的繁荣，列车空调作为一种舒适性空调的要求越来越高。其空调送风系统在送风量、送风均匀性、气流组织、管道的静压等技术方面，均需要通过测试台测控系统进行实验测试，以便进行设计前期验证、实验调试、改进，使设计制造的空调通风系统达到设计要求。

　　对于投产前的新车型，通过本测试台自带的空调、风机机组来对新型车厢内各项设计要求进行前期的设计、调试来确定新车型的空调通风系统的设计。对于在用的车型，本测试台通过连接车厢内已有的空调通风系统来检测车厢内的各项指标是否达标，通过对检测结果的分析对在用车型中的系统进行改进提高。

　　1 系统主要功能及技术参数

　　1.1 系统的主要功能

　　该系统的功能主要是对列车空调通风系统进行试验研究及设计前期验证。对于新车型，系统可利用自带的空调通风系统完成对其各参数的检测，通过测量参数对新车型进行设计、验证、改进，使其空调通风系统达到设计要求。对于自带空调通风系统的在用车型，系统可直接连接到车厢已有系统，实现对在用车型空调通风系统的指标检测。系统主要实现以下功能：（1）车内基本空气参数测定；（2）空调系统集成和优化研究；（3）风道系统均匀性测试和研究；（4）空调通风系统降噪研究；（5）车内气流组织和舒适性研究；（6）高速列车空调送风系统研究；（7）新型通风系统研究（如诱导通风，变流量分区控制系统等）。

　　1.2 系统的主要技术参数

　　（1）实验台总制冷量：25~90 kW（可调）；

　　（2）模拟空调系统的总风量：2 000 m3/h~10 000 m3/h（可调）；

　　（3）供电容量：100 kVA；

　　（4）温度测量：±0.5℃；

　　（5）送风温度控制：±1℃；

　　（6）相对湿度测量：±3%；

　　（7）风速测量：量程的±3%；

　　（8）风量的测量：±2%；

　　（9）风量的控制：±3%；

　　（10）压差的测量：±2 Pa，量程（-1 000 Pa~1 000 Pa）；

　　（11）具有可视化功能：集中发烟装置；

　　（12）具有视频录制、截图功能；

　　（13）数据分析综合软件：具有自动的数据分析功能和反演云图功能。

　　2 系统的组成和硬件结构

　　2.1 系统的组成

　　列车空调系统一般由空调机组、通风系统和控制系统三部分组成。目前，我国的列车空调机组大部分采用的是单元式空调机组。单元式空调机组是指将压缩机、冷凝器、节流装置、蒸发器、通风机、冷凝风机以及空气预热器等安装在一个箱内，组成一个完整的单元后安装在车顶。每辆车根据车型不同可安装一台或两台。机组中的蒸发器（夏天制冷）与电加热器（冬天采暖）组成空气处理室，它所处理的空气由回风与新风组成，经处理后的空气由通风机组经风道送入车厢，从而构成了通风系统。列车空调的控制系统比较简单，在每辆车上安装有一个控制柜，实现的功能包括两个方面，即通过控制机组的开停对机组进行安全保护和对客车车厢内的温度进行控制

　　2.2 系统的硬件结构

　　根据系统的参数要求，对系统的硬件进行配置。为达到可测定车厢内任意点的温度、风速、压差及流型的相应参数，其测定均采用可移动式测量方式，即所有测量仪器均可在车内移动，每个传感器测试线的长度在车厢内需达到20 m，以便于对温度场、速度场及流型的测定。风量的测试拟采用喷嘴流量计和微风速仪相结合的方式。在总风道中使用较高的喷嘴流量计，并作为风量调节控制的基准传感器，在风道内及末端风口处采用微风速仪。相对湿度与噪音的测试仅作为一般性测定，考虑对降噪技术的研究所用，采用分频声级计。测试台视频部分承担实验过程的声像记录功能，其是可视化的终图像手段之一。对于控制用风压的测定，不论是车内正压还是风道资用压力的测定，其传感器和变送器均可与实验台、压差传感器公用。

　　系统的硬件设置具有结构合理，运行可靠的特点。系统的运行过程采用多种方式实现，既可采用手动方式实现，又可使用自动方式完成。在手动方式下，测试员通过手动设置参数、控制按键、旋钮等控制各种设备、执行机构、检测单元等对象完成实验过程。在自动方式下，操作员可通过预先设置存储的实验流程通过启动键由测试系统自动完成测试过程。系统的硬件结构图如图1所示。

 

 

　　系统控制部分以可靠性高、处理速度快、数据分析能力强、稳定性好的高性能工业控制计算机为，配以A/D、D/A采集板、通讯模块及开关量输出模块等组成。通过车厢内可移动的60点温度传感器和60点风速传感器对车厢内的每一部分进行的温度和风速的测量。20点的压力传感器和4点湿度传感器的数据直接由工控机上的A/D采集板进行数据采集，由于要求数据的比较高，所以工控机的A/D、D/A采集板都选用12位隔离型采集板。系统通过对采集的温度、风速、压力、湿度数据进行分析，通过与设定值的比较，根据指定的运行策略控制风机风速和风量的大小、空调机组温度、风量的调节和风口的开关，使车厢内的各项指标达到设定值。同时采集的数据存入数据分析系统，经过数据分析得出车厢内温度场、速度场的云图，根据数据结果调整送风温度、速度及车厢内各风口的开口位置及大小。

　　3 系统的软件结构设计

　　3.1 系统的软件结构

　　利用Web Access组态软件设计开发的软件程序能很好地完成对车厢的各项指标的检测以及对各控制量的自动控制。系统在工作时其工况调节与数据采集、显示及输出均可并行进行。

　　测试系统包括测量控制系统、视频监控系统和数据分析系统三个子系统（以下简称：测控系统、视频系统、数据系统）。三个子系统既可独立实现各自的功能，又可相互实现数据共享完成实验系统的全部功能。

　　对应测控系统的运行配备以下主要功能：

　　（1）测控系统设置：设置测控系统的预置运行参数。

　　（2）测控系统信息汇总：显示测控系统在运行过程中的各种检测参数、分析结果、各个测点的变化曲线等信息。

　　对应视频系统的运行配备以下主要功能：

　　（1）视频系统设置：设置视频系统的工作方式、调整视频摄像参数、选择视频录像操作等。

　　（2）视频系统信息处理：对视频系统的存储信息进行处理，如：录制信息的选择，裁图操作等。

　　主画面中还配备了系统参数设置的操作按键。用以设置系统的修正参数、系统工作参数等。

　　（1）修正参数为测控系统的各个测点设置修正参数、比例参数、量程参数等，以保证参数测量的准确性。

　　（2）系统参数为各个系统协调工作设置参数，包括数据库参数、系统自动运行参数、操作员信息参数、历史数据参数等。

　　（3）手动操作为系统的运行配备了手动操作方式，可由实验员手动操作测试实验的各个步骤，包括测控系统的检测过程，视频监控的数据选取，数据分析系统的数据选择、运算处理、结果分析等。

　　（4）自动操作为系统的运行配备了自动操作方式。在该方式下，由实验员启动测控系统、视频系统、数据系统按照预置的参数要求自动地完成整个测试过程。

　　3.2 系统控制过程

　　系统的控制流程图如图2所示。焓差法测试空调器性能测试的基本方法之一。现在利用焓差法测试装置，空调器的测试容量可以扩展置500kW，并可以结合水侧的测量与控制单元，可以测试风冷（热泵）空调、水冷（热泵）空调、风机盘管、水源热泵机组、冷水机组、空调箱等产品。

 

　　系统首先根据参数要求调节空调机组控制空调的送风温度达到系统要求，通过调节进风口和出风口的风量调节车内的压力，使之满足车厢内保持微正压的要求。控制变频器、调节风机来调节送风量和送风速度，调整车厢内各风口的位置和大小，根据以上综合控制来使车厢内各点的温度符合要求，并调节送风速度使之在要求的范围内。

　　4 系统工况详解

　　4.1 测控系统

　　（1）开启时，实验员需进行参数的设置，包括温度测点的选定（首次启动需进行标定）、风速测点的选定和压差测点的选定，确定所选测点无误后，完成参数设置。

　　（2）进入参数设定界面，控制参数显示风量、风压、出口温度三项；测试参数显示温度、风速、压差、湿度四项。

　　实现的功能：温度、风速、压差均可指定测点；测试的参数均显示数值和实时变化曲线；所有测试实时数据均进入数据库，以备随时调用从而进行数据分析处理。

　　（3）设备运行参数的显示。实验进行过程中，可切换系统的运行数据，该数据在系统结构原理图中表明各关键点的对应数值。

　　4.2 数据分析处理

　　（1）测试类型的设定。包括风口、断面、风道内三个部分，输入各部位的测点编号，完成定位功能（断面处可输入断面上的各点坐标）。

　　（2）风口处：风口风速、温度数据的曲线绘制，不均匀系数的计算。

　　（3）断面处：温度场、速度场的插值计算，生成云图；空间任意点的测量值查询；求解温度场、速度场的不均匀系数，ADPI评价指标；截面（温度场、速度场已知）的PMV分布云图。

　　（4）风道内：压力测点（每个压差变送器对应两个）、温度、风速测点的定位，绘制风道内的阻力变化曲线。

　　4.3 视频监控系统

　　包括实时监控、调整视角（缩放）和录像功能。

　　（1）实验台开启时即启动实时监控功能；

　　（2）摄像头的视角范围可手动调整；

　　（3）录像功能：根据需要手动设定，录像的视频文件自动进入数据库储存；发烟实验时，录像存储功能和发烟器同时启动，自动存储相关视频信息。

　　本系统记过研究，成功解决了高速列车空调通风系统人工检测费时费力且无法充分保证的实际问题，对高速列车新车型的开发设计和旧车型有较大的推广价值，对于保证和提高高速列车车厢内的环境质量具有现实意义和实用价值，使人们群众更好、舒适的乘坐高速列车。