一种应用于智能网联封闭道路测试的雨雾模拟系统

刘洪纬， 任勃帆， 张 鹏， 翟贵飞

（中汽研汽车检验中心 （天津）有限公司， 天津 300300）

1 需求分析

本雨雾模拟系统是为智能网联封闭测试场内模拟雨雾天气的实现而设计。车辆在封闭测试场内南北段测试时，共有4种工况有待选择，为测试车辆带来了更全面的天气因素测试。4种雨雾工况分别为：小雨、中雨、大雨和大雾，控制员可以通过对雨雾系统的控制，来实现封闭测试场内南北路段降雨或大雾的控制。南北路段可模拟不同的雨雾工况，如南段小雨、北段大雾、南段中雨、北段中雨等，共有16种雨雾工况可供选择。丰富了模拟雨雾工况的选择，使其具有可操作性和多样性，为智能网联封闭道路测试场景搭建保驾护航。

2 系统设计

2.1 系统总体设计思路

根据项目实际需求，在封闭测试场内设计了长100m的雨雾工况模拟，随着智能网联的不断发展，模拟雨雾系统也不断被应用于智能网联汽车测试场。本次设计是把100m的测试路段分为南北2个路段，南北2个路段各50m分别控制雨雾工况。如图1所示。

图1 雨雾工况模拟

雨雾模拟系统总体设计思路如下。

1）通过在测试路段的道路两侧安置间隔4m的龙门架，树立起雨雾模拟系统的基本框架。

2）在测试路段的中段，通过靠近路边的位置处配备一个蓄水池及沉淀池，实现给设备供水及水质的过滤。在测试路段附近靠近水池边上安置南北路段雨雾机组及PLC总控柜。

3）现场管线布置沿马路及依附龙门架设计。在测试路段的两端安装地面感应系统。

2.2 系统组成

雨雾模拟系统主要可以分为以下几个模块：雨机组系统、雾机组系统、PLC控制系统、水池系统、龙门架模块。

1）雨机组系统主要由变频器、卧式离心泵组成。变频器是雨机组的核心组成部分，变频器的作用是通过改变供电频率，从而调节负载，起到降低功耗、减小损耗、延长设备使用寿命等作用。卧式离心泵是输送液体或使液体增压的机械，它将原动机的机械能或其他外部能量传送给液体，使液体能量增加，实现雨系统正常运作。

2）雾机组系统主要部件为柱塞泵，其工作原理是：装配在一个长型的缸体中，可作前后 （推拉）运动，有2个分别装有阀门的进出管道与缸体相通，柱塞与缸体之间的间隙配有合适的密封，当柱塞后拉运动时，出口管道阀门关闭而进口管道阀门打开，流体便从进口管道被吸进缸体中；当柱塞前推运动时，进口管道阀门关闭而出口管道阀门打开，缸体中的流体被压便从出口管道送出，柱塞在缸体中不停地往复运动，流体就不断地输送到目标机构中，这就是柱塞的作用。我们可以通过改变柱塞泵压力的大小来改变雾浓度的大小。

3）PLC控制系统主要部件为PLC远程通信模块，通过编程可以实现在人机界面上控制雨雾机组的自动控制，用于整套设备的运行。PLC的工作原理为：当PLC控制器投入运行后，其工作过程一般分为3个阶段，即输入采样、用户程序执行和输出刷新3个阶段。完成上述3个阶段称作一个扫描周期。

4）水池系统主要部件为排污泵、过滤网。排污泵的作用是实时清理水池，过滤网的作用是过滤水中含有的杂质。

5）龙门架模块主要起支撑的作用，雨雾管道沿着龙门架布置在其上方。

3 设备选型

3.1 变频器

设备主要规格参数如下：正泰NVF2G-22/TS4，长300mm，高527mm，侧高230mm，26.5kg，功率：3.7kW，额定输入：3P AC 380V 50Hz/60Hz，额定输出：3P（0-380）V 9A（0-400）Hz。

正泰NVF2G-22/TS4变频器内含FA组-多段速控制组。在FA组内我们可以设定降雨模式来实现不同雨量对应的频率，进行小雨、中雨、大雨的设定。

3.2 卧式离心泵

设备主要规格参数：宁速KSW系列，卧式离心泵额定功率22kW，扬程50m，流量100T。

卧式离心泵的运作能给水、雾带来极大的压力，将水、雾快速地“输送”到测试路段的两端，给模拟雨雾天气带来一定的保障。

3.3 柱塞泵

设备主要规格参数：博拓里尼CM19-C28.BOTUO，柱塞泵的额定功率为3kW。

柱塞泵是液压系统的一个重要装置，它依靠柱塞在缸体中往复运动，使密封工作容腔的容积发生变化来实现吸油、压油。柱塞泵具有额定压力高、结构紧凑、效率高和流量调节方便等优点。我们选用的柱塞泵主要是起造雾的作用。

3.4 排污泵

设备主要规格参数：凯仕QW系列，污水泵额定功率11kW，扬程40m，流量50T。

污水泵特点：①采用先进技术，排污能力强，无堵塞，能有效地通过直径φ30～φ80mm的固体颗粒；②设计合理，配套电机功率小，节能效果显著；③能够在全扬程范围内使用一段时间，而保证电机不会过载；④设备对漏电、漏水以及过载等进行了有效保护，提高了产品的安全性与可靠性。

3.5 PLC

设备主要规格参数：三菱FX5U-32MR-001；额定电压：AC电源类型：AC100-240V 50/60Hz，DC电源类型：DC24V；冲击电流：AC电源类型：32M，最大25A 5ms以下/AC100V，最大50A 5ms以下/AC200V，DC电源类型：最大50A 0.5ms以下/DC24V；输入规格：5.3mA/DC24 （X020以后：4.0mA/DC24V）；输出规格：继电器输出类型：2A/1点、8A/4点共极、8A以下/8点共极；输入输出扩展：可连接FX5用的扩展设备。

FX5U内置了模拟量、通信、高速输入输出，通过扩展板和扩展适配器可轻松扩展系统。另外通过采用高速系统总线，在使用智能功能模块时也可最大限度发挥扩展设备的能力。

MELSEC-IQ-F系列搭载了指令运算速度 （LD指令）高达34ns的高速处理CPU。此外，还可支持结构化程度及多程序的执行、ST语言、FB等。

CPU模块中标准搭载了Ethernet端口、RS-485端口、SD存储卡槽。Ethernet端口可支持CCLink E现场网络Basic，因此能连接多种多样的设备。

FX5U中内置了12BIT的2CH的模拟量输入和1CH的模拟量输出。远程通信协议将采用MODBUS。

3.6 触摸屏

威纶通mt8071ie的特点：①具有3组独立串口，支持与3种不同协议的控制器同时通信，一屏多机；②搭载Cortex A8 600MHz CPU和128MB内存，运行快速；③内置电源隔离，有效抑制电源浪涌和异常搭铁电流，增强HMI现场运行稳定性；④工程文件、安装开孔、通信连接可完好兼容旧有机型，升级无忧；⑤适用EasyBuilder Pro组态软件，拥有流动块、分期付款、操作记录、配方数据库等新功能，简单易用等特点。

4 结语

智能网联汽车的发展完善离不开各种道路场景的测试，其中雨雾天气是交通模拟场景中的一项重要环境场景，雨雾天气能大大降低道路的能见度，每年都存在因大雾、团雾等天气而发生的交通事故，给汽车、行人的出行带来较大的安全隐患。本雨雾模拟系统由高压管道、高压喷头、高压泵和电源开关组成，通过高压喷头进行喷水或喷雾，以实现模拟雨雾环境的目的。通过在南北两端分别设置小雨、中雨、大雨、大雾等不同工况，可以实现16种雨雾场景的模拟，从而充分测试智能网联汽车的智能性、稳定性和安全性，为智能网联汽车产业的蓬勃发展保驾护航。