关键词：欧洲标准EN779:2002；过滤器；计数效率；容尘量；计重效率；Modbus协议；组态软件
0·引言
随着科技的发展，越来越多的行业（包括医药、食品、电子等）都需用到空气洁净系统，而过滤器是空气洁净系统中的关键元件。过滤器在出厂前都要按照规定的标准进行严格的性能检测，而各个国家的检测标准各不相同。对于一般通风用空气过滤器，我国有国家标准GB 12218-1989[1]，以及较新的行业标准JG/T22-1999，欧洲有EN 779:2002标准[2]，美国有ANSI/ASHRAE 52.2-1999[3]。由于现行国家标准对过滤器分类比较粗糙，目前国内倾向于采用EN 779:2002的分类和检测标准。
按EN 779:2002的检测标准研制了一套一般通风用空气过滤器检测系统。系统包括检测台设计、传感器和控制部件选型与部署、控制软件设计等几个部分。
1·检测台设计
图1为按照欧洲标准EN 779:2002构建的一般通风用过滤器检测台示意图。检测台运行在负压状态下，变频器控制风机吸入室外空气，室外空气经预过滤器和高效过滤器后进入混合室，容尘试验所发的负荷尘或计数效率试验所发的气溶胶粒子在这里混合，形成均匀的浓度场进入过滤器测试管道。过滤器上下游均装有气溶胶粒子采样头，用于计数效率试验中气溶胶粒子的计数。同时过滤器两端装有压差计，用来测量过滤器阻力。不同风量下以及不同容尘阶段中的过滤器阻力是衡量过滤器性能的一个重要指标。末级过滤器捕获容尘过程中穿过被测过滤器的所有负荷尘。喷嘴管段装置用来测量管道中的风量（首先通过装在喷嘴处的压差计测量喷嘴两端的压差，然后再根据喷嘴制造商提供的压差流量关系算得当前管道中的风量值），这个物理量是控制变频器的重要依据，是为控制而引入的测量量。
检测风道系统由一些内径为610 mm×610mm方形截面风管连接在一起，为保证在正常工作条件下风道不变形，管道材料采用厚铁皮，并采用内衬加强筋加固。风道中的个别部位设置了观察窗，以便观察过滤器和监视检测过程。风道的内外面底漆均为红丹防锈漆，外表面喷涂乳白色汽车漆，保证其管道内外表面的光滑性和清洁度。温湿度计1测量入风口处的测试空气的温湿度，温湿度计2测量风道中空气的温湿度。这些均为环境状态物理量，为测试结果统一换算到标况下提供数据。电磁阀1和电磁阀2用于粒径谱分析仪上下游采样的切换。
2·检测台的硬件部署
2.1硬件选型
为保证设备连接和控制方便，选型时优先考虑数字接口的传感器和控制部件。温湿度计和压差计均为法国KIMO公司300系列产品，该系列产品除了带液晶显示之外，还内置了Modbus组网通讯模块，各个传感器可以方便地连成Modbus网络。风机是整个风道系统的动力核心，关系到整个检测台的功能范围。充分考虑到检测台同时可检测大风量V型过滤器，以及容尘试验中被测过滤器接近终阻力时，仍可达到额定风量，选用了德国施乐百轴流无蜗壳可变频调速风机，全压风量范围0 m3/h~650m3/h，电机功率为5.5 kW。变频器为ABB公司的ACS510系列产品，该款产品内置了使用Modbus协议的RS485接口，方便组网控制。PLC主要用来控制上下游采样电磁阀的切换，选用的是Siemens的S7-200系列，Siemens公司提供了Modbus协议库模块，能够方便地实现与上位机的RS485通讯。粒径谱分析仪是美国PMS公司的LAS-X II，它内部采用He-Ne激光器，采样流量为50~100sccm，粒径范围为0.09μm~7.5μm，通道可以由用户自己定制，最多可同时监测100个粒径通道，测量数据可通过RS232接口输出。工业控制计算机是整个系统的控制中心，各种测量和控制设备直接或间接地与之连接，本检测台选用台湾研华的IPC-610工控机。
2.2逻辑组织
考虑到各设备与主机通信不相互干扰以及功能模块的独立性，我们对各传感器和控制部件进行了合理的逻辑组织。图2是检测台的各传感器和控制部件的逻辑组织结构框图。所有设备通过数字通讯链路（RS232或RS485）连接到工业控制计算机上。采用数字化网络，增强了系统的抗干扰能力，保证了系统的可靠性和稳定性。
3·控制软件系统
3.1开发语言的选择
由于过滤器性能检测系统中涉及到数据采集与过程控制，首先考虑的开发平台是组态软件，它是自动控制系统监控层一级的软件平台和开发环境，使用灵活的组态方式，为用户提供快速构建具有监控功能的、通用层次的工业自动控制系统的能力。组态软件的优点是功能强大，易于开发，性能稳定。上海某大学的EN 779:2002检测台即是用北京三维力控科技有限公司的力控组态软件开发的。在开发过程中，我们发现组态软件在以下几方面存在不足：
（1）复杂报表的处理；
（2）专业图表的绘制；
（3）接口非标准协议的设备；
（4）复杂的数据结构及数据处理能力；
（5）复杂的逻辑控制。
而这些正是过滤器性能测试系统所需要的。欧洲标准EN 779:2002中涉及到大量繁杂的计算、复杂的报表以及专业的图表。为解决这些问题，在本过滤器性能测试系统中我们选用.Net平台上的面向对象的程序设计语言C#[5]，它相比组态软件，有以下优点：
（1）能够方便地自动化操作办公软件Word、Excel等，为输出高质量的报表提供保证；
（2）能够方便地调用第三方绘图引擎绘制复杂的专业图表；
（3）可以自定义复杂的数据结构；
（4）开发环境内置了大量实用程序库（比如串口读写库），方便开发。
3.2设备管理
在图2中，已经将各设备指定给相应的串行口，现在为了在软件中方便地操纵设备以及程序的功能模块化，我们为每组设备建立一个设备类。各设备类的操作和数据见图3。因为硬件设备均是唯一的，我们将各设备类定义为静态类，无需创建类的实例，直接通过类名来访问其数据和方法。
为防止程序不同部分的代码同时访问同一硬件设备而引起竞争，代码中采用了数据缓冲技术。拿KIMO-Sensors为例来说，两段代码同时访问入风口处空气的温度，如果此时同时去读写入风口处的温湿度计，则会遭遇设备竞争。为解决这个问题，我们引入缓冲变量OutT，仅仅在设备类KIMO-Sensors的方法UpdateSensors()中定时读写温湿度计更新它的值，外部代码访问的均是此缓冲变量的值。只要在类KIMO-Sensors中定时更新OutT的时间足够短，就可认为缓冲变量的值为实时的。
3.3检测过程及程序架构
硬件设备受控制之后，程序的架构主要由检测过程来决定。在检测过程中，一个主要的操作是通过变频器调节风机自动调整风量到一定值（额定风量或用户给定的一个风量）。因为是自动调节，所以要采用一种自适应算法。若当前风量与定值风量相差很大时，调节幅度大一些。渐渐地随着当前风量接近定值风量，调节幅度慢慢变的精细。调节幅度的大小要根据多次试验得出经验数据，然后加入到算法中。
过滤器性能检测主要由3个试验来完成：风量阻力试验、计数效率试验和容尘试验。
风量阻力试验
把风量依次调节到额定风量的50%、75%、100%和125%，并记录下相应风量下的过滤器的阻力值。试验完成后给出过滤器的风量阻力曲线图。
计数效率试验
在额定风量下，往混合室中发气溶胶粒子，在被测过滤器的上下游分别测试粒子数，每次测量上游7次，下游6次，然后按照欧洲标准里的算法来计算计数效率。未进行过容尘试验的过滤器的计数效率称为初始计数效率。在计数效率试验中要确保粒子计数稳定后，才可进行上游或下游粒子计数。
容尘试验
多次发负荷尘，直到过滤器阻力达到标准所要求的终阻力450Pa。容尘过程中要始终保持风管中的风量为额定风量，因为随着容尘的进行，过滤器阻力会不断增大，风量会慢慢变小，所以必须实时调节风机风量，使风管中保持额定风量不变。容尘过程中通过末端过滤器的增重量和每次所发的负荷尘的重量以及风管中被测过滤器和末级过滤器之间的残余尘可计算出过滤器的计重效率。过滤器阻力达到终阻力值后，发尘总量乘以平均计重效率即是过滤器的容尘量。过滤器的平均效率是考虑整个逐步容尘过程的效率平均值，它由每个容尘阶段的计数效率、发尘量和最后总的容尘量算得。
3.4数据组织及报表输出
数据是检测结果的表现形式，在欧洲标准EN779:2002检测结果中涉及到大量的数据，包括风量阻力试验中的风量阻力及一些环境状态量、上下游的粒子计数、各粒径段的初始计数效率和各容尘阶段的计数效率、容尘过程的数据等等，这些数据最后以表格和图表的方式出现在报表中，而且好多数据中间还要参与大量运算处理。有效地组织这些数据变的非常重要，一种方案是将这些数据存入数据库中，但这样存取起来比较繁琐。另一种方案是按照试验内容建立相应的数据结构及存储这些数据结构的链表来管理这些数据，这样无论是存取还是参与运算都非常方便。现在以风量阻力试验为例来说明此种方法。图4是我们为风量阻力试验建立的数据结构（仅供示意），再定义一个链表：public List<FPDataStruct>FPData；这样每得到一组风量阻力数据，即可添加到链表中保存。
由于最终报表的格式是固定的，所以，可以把各个报表都做成Excel模板。等检测结束后，将保存在链表中检测结果对应导入相应的模板报表中。除了数据，报表中还包含很多图表。为了绘制这些专业的图表，我们借用第三方绘图引擎gnuplot（gnuplot是一个轻量级的命令驱动的交互数据与函数绘图应用程序）[6]，绘图工作被分解为：生成绘图数据、编写绘图脚本文件、获取绘制好的图形插入报表中，这些工作都可以借助程序自动化来完成。图5和图6即是采用此种方式绘制曲线图。因为报表输出是一个慢动作，如果我们在检测的过程想查看报表，可能会影响正在进行的检测，为了防止这一点，我们利用多线程技术，将报表输出都放在新开线程中，这样检测和报表输出互不干扰。
5·性能评价与结语
本文介绍了一套基于欧洲标准EN 779:2002而构建的一般通风用空气过滤器性能自动化检测系统，包括软件与硬件。经靖江市申达净化设备有限公司进行的性能测试表明，该系统运行稳定，能够给出符合EN 779:2002标准的空气过滤器整套测试报告，满足一般通风用空气过滤器的性能检测需求。图5和图6是过滤器性能两个主要指标的曲线图。
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