一種應用于智能網聯封閉道路測試的雨霧模擬系統

劉洪緯， 任勃帆， 張 鵬， 翟貴飛

（中汽研汽車檢驗中心 （天津）有限公司， 天津 300300）

1 需求分析

本雨霧模擬系統是為智能網聯封閉測試場內模擬雨霧天氣的實現而設計。車輛在封閉測試場內南北段測試時，共有4種工況有待選擇，為測試車輛帶來了更全面的天氣因素測試。4種雨霧工況分別為：小雨、中雨、大雨和大霧，控制員可以通過對雨霧系統的控制，來實現封閉測試場內南北路段降雨或大霧的控制。南北路段可模擬不同的雨霧工況，如南段小雨、北段大霧、南段中雨、北段中雨等，共有16種雨霧工況可供選擇。豐富了模擬雨霧工況的選擇，使其具有可操作性和多樣性，為智能網聯封閉道路測試場景搭建保駕護航。

2 系統設計

2.1 系統總體設計思路

根據項目實際需求，在封閉測試場內設計了長100m的雨霧工況模擬，隨著智能網聯的不斷發展，模擬雨霧系統也不斷被應用于智能網聯汽車測試場。本次設計是把100m的測試路段分為南北2個路段，南北2個路段各50m分別控制雨霧工況。如圖1所示。

圖1 雨霧工況模擬

雨霧模擬系統總體設計思路如下。

1）通過在測試路段的道路兩側安置間隔4m的龍門架，樹立起雨霧模擬系統的基本框架。

2）在測試路段的中段，通過靠近路邊的位置處配備一個蓄水池及沉淀池，實現給設備供水及水質的過濾。在測試路段附近靠近水池邊上安置南北路段雨霧機組及PLC總控柜。

3）現場管線布置沿馬路及依附龍門架設計。在測試路段的兩端安裝地面感應系統。

2.2 系統組成

雨霧模擬系統主要可以分為以下幾個模塊：雨機組系統、霧機組系統、PLC控制系統、水池系統、龍門架模塊。

1）雨機組系統主要由變頻器、臥式離心泵組成。變頻器是雨機組的核心組成部分，變頻器的作用是通過改變供電頻率，從而調節負載，起到降低功耗、減小損耗、延長設備使用壽命等作用。臥式離心泵是輸送液體或使液體增壓的機械，它將原動機的機械能或其他外部能量傳送給液體，使液體能量增加，實現雨系統正常運作。

2）霧機組系統主要部件為柱塞泵，其工作原理是：裝配在一個長型的缸體中，可作前后 （推拉）運動，有2個分別裝有閥門的進出管道與缸體相通，柱塞與缸體之間的間隙配有合適的密封，當柱塞后拉運動時，出口管道閥門關閉而進口管道閥門打開，流體便從進口管道被吸進缸體中；當柱塞前推運動時，進口管道閥門關閉而出口管道閥門打開，缸體中的流體被壓便從出口管道送出，柱塞在缸體中不停地往復運動，流體就不斷地輸送到目標機構中，這就是柱塞的作用。我們可以通過改變柱塞泵壓力的大小來改變霧濃度的大小。

3）PLC控制系統主要部件為PLC遠程通信模塊，通過編程可以實現在人機界面上控制雨霧機組的自動控制，用于整套設備的運行。PLC的工作原理為：當PLC控制器投入運行后，其工作過程一般分為3個階段，即輸入采樣、用戶程序執行和輸出刷新3個階段。完成上述3個階段稱作一個掃描周期。

4）水池系統主要部件為排污泵、過濾網。排污泵的作用是實時清理水池，過濾網的作用是過濾水中含有的雜質。

5）龍門架模塊主要起支撐的作用，雨霧管道沿著龍門架布置在其上方。

3 設備選型

3.1 變頻器

設備主要規格參數如下：正泰NVF2G-22/TS4，長300mm，高527mm，側高230mm，26.5kg，功率：3.7kW，額定輸入：3P AC 380V 50Hz/60Hz，額定輸出：3P（0-380）V 9A（0-400）Hz。

正泰NVF2G-22/TS4變頻器內含FA組-多段速控制組。在FA組內我們可以設定降雨模式來實現不同雨量對應的頻率，進行小雨、中雨、大雨的設定。

3.2 臥式離心泵

設備主要規格參數：寧速KSW系列，臥式離心泵額定功率22kW，揚程50m，流量100T。

臥式離心泵的運作能給水、霧帶來極大的壓力，將水、霧快速地“輸送”到測試路段的兩端，給模擬雨霧天氣帶來一定的保障。

3.3 柱塞泵

設備主要規格參數：博拓里尼CM19-C28.BOTUO，柱塞泵的額定功率為3kW。

柱塞泵是液壓系統的一個重要裝置，它依靠柱塞在缸體中往復運動，使密封工作容腔的容積發生變化來實現吸油、壓油。柱塞泵具有額定壓力高、結構緊湊、效率高和流量調節方便等優點。我們選用的柱塞泵主要是起造霧的作用。

3.4 排污泵

設備主要規格參數：凱仕QW系列，污水泵額定功率11kW，揚程40m，流量50T。

污水泵特點：①采用先進技術，排污能力強，無堵塞，能有效地通過直徑φ30～φ80mm的固體顆粒；②設計合理，配套電機功率小，節能效果顯著；③能夠在全揚程范圍內使用一段時間，而保證電機不會過載；④設備對漏電、漏水以及過載等進行了有效保護，提高了產品的安全性與可靠性。

3.5 PLC

設備主要規格參數：三菱FX5U-32MR-001；額定電壓：AC電源類型：AC100-240V 50/60Hz，DC電源類型：DC24V；沖擊電流：AC電源類型：32M，最大25A 5ms以下/AC100V，最大50A 5ms以下/AC200V，DC電源類型：最大50A 0.5ms以下/DC24V；輸入規格：5.3mA/DC24 （X020以后：4.0mA/DC24V）；輸出規格：繼電器輸出類型：2A/1點、8A/4點共極、8A以下/8點共極；輸入輸出擴展：可連接FX5用的擴展設備。

FX5U內置了模擬量、通信、高速輸入輸出，通過擴展板和擴展適配器可輕松擴展系統。另外通過采用高速系統總線，在使用智能功能模塊時也可最大限度發揮擴展設備的能力。

MELSEC-IQ-F系列搭載了指令運算速度 （LD指令）高達34ns的高速處理CPU。此外，還可支持結構化程度及多程序的執行、ST語言、FB等。

CPU模塊中標準搭載了Ethernet端口、RS-485端口、SD存儲卡槽。Ethernet端口可支持CCLink E現場網絡Basic，因此能連接多種多樣的設備。

FX5U中內置了12BIT的2CH的模擬量輸入和1CH的模擬量輸出。遠程通信協議將采用MODBUS。

3.6 觸摸屏

威綸通mt8071ie的特點：①具有3組獨立串口，支持與3種不同協議的控制器同時通信，一屏多機；②搭載Cortex A8 600MHz CPU和128MB內存，運行快速；③內置電源隔離，有效抑制電源浪涌和異常搭鐵電流，增強HMI現場運行穩定性；④工程文件、安裝開孔、通信連接可完好兼容舊有機型，升級無憂；⑤適用EasyBuilder Pro組態軟件，擁有流動塊、分期付款、操作記錄、配方數據庫等新功能，簡單易用等特點。

4 結語

智能網聯汽車的發展完善離不開各種道路場景的測試，其中雨霧天氣是交通模擬場景中的一項重要環境場景，雨霧天氣能大大降低道路的能見度，每年都存在因大霧、團霧等天氣而發生的交通事故，給汽車、行人的出行帶來較大的安全隱患。本雨霧模擬系統由高壓管道、高壓噴頭、高壓泵和電源開關組成，通過高壓噴頭進行噴水或噴霧，以實現模擬雨霧環境的目的。通過在南北兩端分別設置小雨、中雨、大雨、大霧等不同工況，可以實現16種雨霧場景的模擬，從而充分測試智能網聯汽車的智能性、穩定性和安全性，為智能網聯汽車產業的蓬勃發展保駕護航。