垂直構(gòu)件耐火試驗爐的改造與系統(tǒng)研發(fā)

李曉增+何國山+潘永紅+劉東發(fā)+肖智仁

摘要：對垂直構(gòu)件耐火檢測爐進(jìn)行了硬件改造和控制系統(tǒng)研發(fā)，使其實現(xiàn)自動化控制，提高試驗精確度。

關(guān)鍵詞：垂直構(gòu)件；耐火試驗爐；改造；控制系統(tǒng)研發(fā)

垂直構(gòu)件耐火檢測主要用于評估產(chǎn)品如墻面、門、窗、防火分隔、連接件和滲透密封劑等的耐火性能。由于在火災(zāi)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其配件起著阻止火勢擴(kuò)大和蔓延的作用，因此它們的耐火性能直接決定建筑物在火災(zāi)中的失穩(wěn)或倒塌的極限。

目前我們進(jìn)行垂直構(gòu)件耐火檢測使用的是國內(nèi)生產(chǎn)較早的一套設(shè)備，主要存在以下問題：

（1）燃料流量、助燃風(fēng)機(jī)頻率（燃料-空氣混合比）、排煙風(fēng)機(jī)頻率（爐內(nèi)壓力）等參數(shù)通過手動控制，嚴(yán)重依賴于操作人員的經(jīng)驗及對試件的熟悉程度，試驗結(jié)果的不確定度較大。

（2）試驗過程中由于各參數(shù)調(diào)節(jié)的相互配合及控制滯后等的問題，易使?fàn)t內(nèi)燃料不完全燃燒，導(dǎo)致爐內(nèi)壓力過大，溫度控制偏差大，同時產(chǎn)生安全隱患。為解決上述問題，我們開展了對原設(shè)備的硬件改造，并自主研發(fā)一套測試系統(tǒng)，以更有效、準(zhǔn)確的方式開展各類垂直構(gòu)件耐火測試。

1硬件改造

參考設(shè)備原制造商提供的相關(guān)資料，同時憑借參與人員多年的試驗操作經(jīng)驗， 針對相關(guān)問題，我們提出了系統(tǒng)的改造需求及處理方案，見表1所示：

表1硬件改造方案匯總表

序號 改造需求 處理方案

1 燃?xì)饬髁慨?dāng)前值能在系統(tǒng)軟件中實時讀取，試驗時應(yīng)能通過軟件直接控制燃?xì)饬髁俊?更換PLC模塊、增加流量傳感器，通過比例閥調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁?，增加流量?dāng)前值讀取模塊。

2 變頻器接入控制柜，能夠使用系統(tǒng)軟件控制各變頻器的頻率，實現(xiàn)對排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)，凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)氣流量的控制。 增加控制電箱及變頻控制模塊，上位機(jī)處增加RS232串口。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)直接控制點火，熄火及點火失敗保護(hù)功能。 增加點火控制模塊及通信處理模塊，每個燃燒噴嘴增加一個對應(yīng)電磁閥，更換點火器，實現(xiàn)點火異常時自動關(guān)斷燃?xì)狻?/p>

4 試驗過程中助燃風(fēng)機(jī)及燃?xì)饬髁繉崿F(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)整。 增加PID控制模塊，根據(jù)溫度當(dāng)前設(shè)定值（標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線）自動調(diào)整燃?xì)饬髁炕蛘咧硷L(fēng)機(jī)頻率。

5 爐內(nèi)溫度、背火面溫度改為單通道采集，減少干擾，提高穩(wěn)定性。 更換溫度模塊，采用差分輸入模塊，提高系統(tǒng)抗干擾性、穩(wěn)定性以及顯示精度。

參照處理方案，通過硬件調(diào)研，同時充分考慮產(chǎn)品的價格及功能，我們提出了下述的硬件需求，具體見表2所示：

表2硬件需求匯總表

序號 硬件名稱 型號/規(guī)格 數(shù)量

1 氣體流量控制模塊 PLC模塊及流量傳感器 1套

2 電箱 通用 1個

3 變頻器控制模塊 ADAM4024 1套

4 擴(kuò)展串口 RS232 1個

5 點火控制模塊 ADAM4055 1套

6 通信模塊 ADAM4520 1套

7 控制模塊 ADAM4022T 1套

8 點火控制器 IFT244 6個

9 電磁閥 2W-20 6個

10 溫度模塊 ADAM4018+ 5套

11 溫度模塊 ADAM4017+ 1套

12 屏蔽雙絞線 通用 若干

13 集成數(shù)據(jù)控制器 通用 1個

14 基礎(chǔ)通信控件 通用 1套

15 I/O數(shù)模模塊 M8260 1套

通過適配相應(yīng)硬件，我們提出了系統(tǒng)相關(guān)電路控制方案。

1.1點火控制

六個點火控制器分別負(fù)責(zé)六個燃?xì)鈬姌尩狞c火工作，各點火器與燃?xì)庠粗g設(shè)有燃?xì)怆姶砰y及空燃比例閥。點火器接到點火命令后，開始通過噴槍中的電極進(jìn)行點火，燃?xì)怆姶砰y及空燃比例閥開始工作，使得燃?xì)馀c助燃空氣以適當(dāng)比例混合。如點火成功，點火控制器的火焰探測裝置檢測到火焰，顯示“點火成功”的指示燈變綠，同時停止點火，反饋點火成功信號，同時保持燃?xì)怆姶砰y開啟；如在設(shè)定時間內(nèi)點火失敗或試驗過程火焰中斷，點火控制器“點火失敗”指示燈變紅，反饋點火失敗信號，同時關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，防止燃?xì)獠粩噙M(jìn)入爐體內(nèi)部影響試驗過程。

1.2爐內(nèi)溫度控制

爐內(nèi)溫度傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊，將信號傳送至系統(tǒng)主控制柜的西門子S7-200可編程控制器（PLC）的模擬量采集模塊，經(jīng)PLC的內(nèi)部CPU運算，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出并實時顯示于上位機(jī)的測控軟件中。PLC將采集到的爐溫值與設(shè)定值（按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線計算得到）進(jìn)行比較，然后通過PID運算控制輸出信號：當(dāng)爐內(nèi)溫度低于設(shè)定值時，自動提高助燃風(fēng)機(jī)的頻率，使得助燃空氣流量及壓力升高，空燃比例閥開度增大，燃?xì)夤?yīng)量增多，這時燃燒產(chǎn)生的熱值增大，溫度上升；當(dāng)爐溫高于設(shè)定值時，降低助燃風(fēng)機(jī)頻率，使得助燃空氣流量及壓力降低，空燃比例閥開度減少，燃?xì)夤?yīng)量下降，這時燃燒產(chǎn)生的熱值減小，溫度下降。

1.3爐內(nèi)壓力控制

與爐溫控制一致，爐內(nèi)壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊，將信號傳送至系統(tǒng)主控制柜PLC的模擬量采集模塊，經(jīng)PLC的內(nèi)部CPU運算，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出并實時顯示于上位機(jī)的測控軟件中。S7-200 PLC將采集到的爐壓值與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后通過PID運算控制輸出信號：當(dāng)爐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，通過排煙風(fēng)機(jī)變頻器減小排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時通過助燃風(fēng)機(jī)變頻器增大助燃風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這時爐內(nèi)壓力上升；當(dāng)爐內(nèi)壓力高于設(shè)定值時，通過排煙風(fēng)機(jī)變頻器增大排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時通過助燃風(fēng)機(jī)變頻器減小助燃風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這時爐內(nèi)壓力則下降。

2測控軟件研發(fā)

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)與PLC的通信設(shè)計、PLC程序設(shè)計和數(shù)據(jù)處理三部分。在工業(yè)生產(chǎn)自動化控制場合，由于PLC性能安全可靠，因而廣泛用于數(shù)據(jù)采集與測控。要監(jiān)視PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)與運行狀況，若選用市場上的人機(jī)界面或組態(tài)軟件，雖然功能豐富，可以提高軟件的開發(fā)速度，但大多價格昂貴，不適合于實驗室規(guī)模的控制場合。項目組設(shè)計的系統(tǒng)軟件，采用了VB編程語言開發(fā)出上位機(jī)與各設(shè)備同的串行通訊控制程序，處理、記錄和顯示下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)并對下位機(jī)各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和修改，同時利用Excel軟件將相關(guān)參數(shù)整理成所需的報表。

軟件主要功能模塊有：通信及數(shù)據(jù)初始化模塊、主監(jiān)控窗口模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實時曲線模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊及試驗結(jié)果打印模塊等。各模塊主要功能如下：

（1）通信及數(shù)據(jù)初始化模塊主要是系統(tǒng)軟硬件之間進(jìn)行通信及初始化監(jiān)控數(shù)據(jù)的報警上下限等。

（2）主監(jiān)控窗口模塊實時跟蹤顯示所有監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化，方便操作人員根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化來進(jìn)行判斷、操作及調(diào)整。

（3）參數(shù)設(shè)置模塊為操作人員輸入相關(guān)樣品信息及針對試樣設(shè)置溫度采集點。

（4）實時曲線模塊顯示實時的爐內(nèi)溫度曲線、爐內(nèi)壓力曲線及背火面溫升曲線，直觀體現(xiàn)試驗的趨勢。

（5）報警模塊在爐體燃燒或數(shù)據(jù)采集等方面出現(xiàn)故障或意外情況（如溫升過快、壓力過高、控制及采集信號斷路、點火異常等）時，發(fā)出聲光報警信號并提供對應(yīng)的處理提示。

（6）數(shù)據(jù)庫管理模塊儲存了全部的試驗原始數(shù)據(jù)及記錄，方便查詢歷史記錄及檢查設(shè)備異常情況。

（7）試驗結(jié)果打印模塊直接將標(biāo)準(zhǔn)要求所需的試驗監(jiān)控數(shù)據(jù)輸出至Excel表格，生成可儲存文件，也可以直接發(fā)送至打印機(jī)打印輸出。

3結(jié)語

針對我們當(dāng)前垂直構(gòu)件耐火性能檢測系統(tǒng)存在的問題與不足，依據(jù)GB/T 9978.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，在原有檢測系統(tǒng)爐體及相關(guān)硬件的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)控制、采集等硬件進(jìn)行更新改造，結(jié)合計算機(jī)自動控制技術(shù)，研發(fā)了一套全新的檢測系統(tǒng)，提高了檢測效率及燃?xì)饫寐?，降低檢驗本，減少人為因素對試驗過程的影響。最終實現(xiàn)垂直構(gòu)件耐火檢測控制系統(tǒng)自動化程度高、控制精度高、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、檢驗效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性好的目的。

我們利用本項目研發(fā)的垂直構(gòu)件耐火檢測系統(tǒng)，為相關(guān)防火門、防火玻璃、防火卷簾、隔墻等的生產(chǎn)單位、施工使用單位以及政府監(jiān)管單位出具了多批次的正式檢驗報告；系統(tǒng)應(yīng)用情況良好，獲得用戶的廣泛好評。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 9978.1-2008,建筑構(gòu)件耐火試驗方法第1部分:通用要求[S].

作者簡介：李曉增，男，碩士，質(zhì)量工程師，廣州市質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院建材消防檢驗部，主要從事建筑防火材料及消防產(chǎn)品檢測、審核及科研工作。

摘要：對垂直構(gòu)件耐火檢測爐進(jìn)行了硬件改造和控制系統(tǒng)研發(fā)，使其實現(xiàn)自動化控制，提高試驗精確度。

關(guān)鍵詞：垂直構(gòu)件；耐火試驗爐；改造；控制系統(tǒng)研發(fā)

垂直構(gòu)件耐火檢測主要用于評估產(chǎn)品如墻面、門、窗、防火分隔、連接件和滲透密封劑等的耐火性能。由于在火災(zāi)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其配件起著阻止火勢擴(kuò)大和蔓延的作用，因此它們的耐火性能直接決定建筑物在火災(zāi)中的失穩(wěn)或倒塌的極限。

目前我們進(jìn)行垂直構(gòu)件耐火檢測使用的是國內(nèi)生產(chǎn)較早的一套設(shè)備，主要存在以下問題：

（1）燃料流量、助燃風(fēng)機(jī)頻率（燃料-空氣混合比）、排煙風(fēng)機(jī)頻率（爐內(nèi)壓力）等參數(shù)通過手動控制，嚴(yán)重依賴于操作人員的經(jīng)驗及對試件的熟悉程度，試驗結(jié)果的不確定度較大。

（2）試驗過程中由于各參數(shù)調(diào)節(jié)的相互配合及控制滯后等的問題，易使?fàn)t內(nèi)燃料不完全燃燒，導(dǎo)致爐內(nèi)壓力過大，溫度控制偏差大，同時產(chǎn)生安全隱患。為解決上述問題，我們開展了對原設(shè)備的硬件改造，并自主研發(fā)一套測試系統(tǒng)，以更有效、準(zhǔn)確的方式開展各類垂直構(gòu)件耐火測試。

1硬件改造

參考設(shè)備原制造商提供的相關(guān)資料，同時憑借參與人員多年的試驗操作經(jīng)驗， 針對相關(guān)問題，我們提出了系統(tǒng)的改造需求及處理方案，見表1所示：

表1硬件改造方案匯總表

序號 改造需求 處理方案

1 燃?xì)饬髁慨?dāng)前值能在系統(tǒng)軟件中實時讀取，試驗時應(yīng)能通過軟件直接控制燃?xì)饬髁俊?更換PLC模塊、增加流量傳感器，通過比例閥調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚黾恿髁慨?dāng)前值讀取模塊。

2 變頻器接入控制柜，能夠使用系統(tǒng)軟件控制各變頻器的頻率，實現(xiàn)對排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)，凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)氣流量的控制。 增加控制電箱及變頻控制模塊，上位機(jī)處增加RS232串口。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)直接控制點火，熄火及點火失敗保護(hù)功能。 增加點火控制模塊及通信處理模塊，每個燃燒噴嘴增加一個對應(yīng)電磁閥，更換點火器，實現(xiàn)點火異常時自動關(guān)斷燃?xì)狻?/p>

4 試驗過程中助燃風(fēng)機(jī)及燃?xì)饬髁繉崿F(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)整。 增加PID控制模塊，根據(jù)溫度當(dāng)前設(shè)定值（標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線）自動調(diào)整燃?xì)饬髁炕蛘咧硷L(fēng)機(jī)頻率。

5 爐內(nèi)溫度、背火面溫度改為單通道采集，減少干擾，提高穩(wěn)定性。 更換溫度模塊，采用差分輸入模塊，提高系統(tǒng)抗干擾性、穩(wěn)定性以及顯示精度。

參照處理方案，通過硬件調(diào)研，同時充分考慮產(chǎn)品的價格及功能，我們提出了下述的硬件需求，具體見表2所示：

表2硬件需求匯總表

序號 硬件名稱 型號/規(guī)格 數(shù)量

1 氣體流量控制模塊 PLC模塊及流量傳感器 1套

2 電箱 通用 1個

3 變頻器控制模塊 ADAM4024 1套

4 擴(kuò)展串口 RS232 1個

5 點火控制模塊 ADAM4055 1套

6 通信模塊 ADAM4520 1套

7 控制模塊 ADAM4022T 1套

8 點火控制器 IFT244 6個

9 電磁閥 2W-20 6個

10 溫度模塊 ADAM4018+ 5套

11 溫度模塊 ADAM4017+ 1套

12 屏蔽雙絞線 通用 若干

13 集成數(shù)據(jù)控制器 通用 1個

14 基礎(chǔ)通信控件 通用 1套

15 I/O數(shù)模模塊 M8260 1套

通過適配相應(yīng)硬件，我們提出了系統(tǒng)相關(guān)電路控制方案。

1.1點火控制

六個點火控制器分別負(fù)責(zé)六個燃?xì)鈬姌尩狞c火工作，各點火器與燃?xì)庠粗g設(shè)有燃?xì)怆姶砰y及空燃比例閥。點火器接到點火命令后，開始通過噴槍中的電極進(jìn)行點火，燃?xì)怆姶砰y及空燃比例閥開始工作，使得燃?xì)馀c助燃空氣以適當(dāng)比例混合。如點火成功，點火控制器的火焰探測裝置檢測到火焰，顯示“點火成功”的指示燈變綠，同時停止點火，反饋點火成功信號，同時保持燃?xì)怆姶砰y開啟；如在設(shè)定時間內(nèi)點火失敗或試驗過程火焰中斷，點火控制器“點火失敗”指示燈變紅，反饋點火失敗信號，同時關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，防止燃?xì)獠粩噙M(jìn)入爐體內(nèi)部影響試驗過程。

1.2爐內(nèi)溫度控制

爐內(nèi)溫度傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊，將信號傳送至系統(tǒng)主控制柜的西門子S7-200可編程控制器（PLC）的模擬量采集模塊，經(jīng)PLC的內(nèi)部CPU運算，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出并實時顯示于上位機(jī)的測控軟件中。PLC將采集到的爐溫值與設(shè)定值（按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線計算得到）進(jìn)行比較，然后通過PID運算控制輸出信號：當(dāng)爐內(nèi)溫度低于設(shè)定值時，自動提高助燃風(fēng)機(jī)的頻率，使得助燃空氣流量及壓力升高，空燃比例閥開度增大，燃?xì)夤?yīng)量增多，這時燃燒產(chǎn)生的熱值增大，溫度上升；當(dāng)爐溫高于設(shè)定值時，降低助燃風(fēng)機(jī)頻率，使得助燃空氣流量及壓力降低，空燃比例閥開度減少，燃?xì)夤?yīng)量下降，這時燃燒產(chǎn)生的熱值減小，溫度下降。

1.3爐內(nèi)壓力控制

與爐溫控制一致，爐內(nèi)壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊，將信號傳送至系統(tǒng)主控制柜PLC的模擬量采集模塊，經(jīng)PLC的內(nèi)部CPU運算，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出并實時顯示于上位機(jī)的測控軟件中。S7-200 PLC將采集到的爐壓值與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后通過PID運算控制輸出信號：當(dāng)爐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，通過排煙風(fēng)機(jī)變頻器減小排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時通過助燃風(fēng)機(jī)變頻器增大助燃風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這時爐內(nèi)壓力上升；當(dāng)爐內(nèi)壓力高于設(shè)定值時，通過排煙風(fēng)機(jī)變頻器增大排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時通過助燃風(fēng)機(jī)變頻器減小助燃風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這時爐內(nèi)壓力則下降。

2測控軟件研發(fā)

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)與PLC的通信設(shè)計、PLC程序設(shè)計和數(shù)據(jù)處理三部分。在工業(yè)生產(chǎn)自動化控制場合，由于PLC性能安全可靠，因而廣泛用于數(shù)據(jù)采集與測控。要監(jiān)視PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)與運行狀況，若選用市場上的人機(jī)界面或組態(tài)軟件，雖然功能豐富，可以提高軟件的開發(fā)速度，但大多價格昂貴，不適合于實驗室規(guī)模的控制場合。項目組設(shè)計的系統(tǒng)軟件，采用了VB編程語言開發(fā)出上位機(jī)與各設(shè)備同的串行通訊控制程序，處理、記錄和顯示下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)并對下位機(jī)各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和修改，同時利用Excel軟件將相關(guān)參數(shù)整理成所需的報表。

軟件主要功能模塊有：通信及數(shù)據(jù)初始化模塊、主監(jiān)控窗口模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實時曲線模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊及試驗結(jié)果打印模塊等。各模塊主要功能如下：

（1）通信及數(shù)據(jù)初始化模塊主要是系統(tǒng)軟硬件之間進(jìn)行通信及初始化監(jiān)控數(shù)據(jù)的報警上下限等。

（2）主監(jiān)控窗口模塊實時跟蹤顯示所有監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化，方便操作人員根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化來進(jìn)行判斷、操作及調(diào)整。

（3）參數(shù)設(shè)置模塊為操作人員輸入相關(guān)樣品信息及針對試樣設(shè)置溫度采集點。

（4）實時曲線模塊顯示實時的爐內(nèi)溫度曲線、爐內(nèi)壓力曲線及背火面溫升曲線，直觀體現(xiàn)試驗的趨勢。

（5）報警模塊在爐體燃燒或數(shù)據(jù)采集等方面出現(xiàn)故障或意外情況（如溫升過快、壓力過高、控制及采集信號斷路、點火異常等）時，發(fā)出聲光報警信號并提供對應(yīng)的處理提示。

（6）數(shù)據(jù)庫管理模塊儲存了全部的試驗原始數(shù)據(jù)及記錄，方便查詢歷史記錄及檢查設(shè)備異常情況。

（7）試驗結(jié)果打印模塊直接將標(biāo)準(zhǔn)要求所需的試驗監(jiān)控數(shù)據(jù)輸出至Excel表格，生成可儲存文件，也可以直接發(fā)送至打印機(jī)打印輸出。

3結(jié)語

針對我們當(dāng)前垂直構(gòu)件耐火性能檢測系統(tǒng)存在的問題與不足，依據(jù)GB/T 9978.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，在原有檢測系統(tǒng)爐體及相關(guān)硬件的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)控制、采集等硬件進(jìn)行更新改造，結(jié)合計算機(jī)自動控制技術(shù)，研發(fā)了一套全新的檢測系統(tǒng)，提高了檢測效率及燃?xì)饫寐?，降低檢驗本，減少人為因素對試驗過程的影響。最終實現(xiàn)垂直構(gòu)件耐火檢測控制系統(tǒng)自動化程度高、控制精度高、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、檢驗效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性好的目的。

我們利用本項目研發(fā)的垂直構(gòu)件耐火檢測系統(tǒng)，為相關(guān)防火門、防火玻璃、防火卷簾、隔墻等的生產(chǎn)單位、施工使用單位以及政府監(jiān)管單位出具了多批次的正式檢驗報告；系統(tǒng)應(yīng)用情況良好，獲得用戶的廣泛好評。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 9978.1-2008,建筑構(gòu)件耐火試驗方法第1部分:通用要求[S].

作者簡介：李曉增，男，碩士，質(zhì)量工程師，廣州市質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院建材消防檢驗部，主要從事建筑防火材料及消防產(chǎn)品檢測、審核及科研工作。

摘要：對垂直構(gòu)件耐火檢測爐進(jìn)行了硬件改造和控制系統(tǒng)研發(fā)，使其實現(xiàn)自動化控制，提高試驗精確度。

關(guān)鍵詞：垂直構(gòu)件；耐火試驗爐；改造；控制系統(tǒng)研發(fā)

垂直構(gòu)件耐火檢測主要用于評估產(chǎn)品如墻面、門、窗、防火分隔、連接件和滲透密封劑等的耐火性能。由于在火災(zāi)中結(jié)構(gòu)構(gòu)件及其配件起著阻止火勢擴(kuò)大和蔓延的作用，因此它們的耐火性能直接決定建筑物在火災(zāi)中的失穩(wěn)或倒塌的極限。

目前我們進(jìn)行垂直構(gòu)件耐火檢測使用的是國內(nèi)生產(chǎn)較早的一套設(shè)備，主要存在以下問題：

（1）燃料流量、助燃風(fēng)機(jī)頻率（燃料-空氣混合比）、排煙風(fēng)機(jī)頻率（爐內(nèi)壓力）等參數(shù)通過手動控制，嚴(yán)重依賴于操作人員的經(jīng)驗及對試件的熟悉程度，試驗結(jié)果的不確定度較大。

（2）試驗過程中由于各參數(shù)調(diào)節(jié)的相互配合及控制滯后等的問題，易使?fàn)t內(nèi)燃料不完全燃燒，導(dǎo)致爐內(nèi)壓力過大，溫度控制偏差大，同時產(chǎn)生安全隱患。為解決上述問題，我們開展了對原設(shè)備的硬件改造，并自主研發(fā)一套測試系統(tǒng)，以更有效、準(zhǔn)確的方式開展各類垂直構(gòu)件耐火測試。

1硬件改造

參考設(shè)備原制造商提供的相關(guān)資料，同時憑借參與人員多年的試驗操作經(jīng)驗， 針對相關(guān)問題，我們提出了系統(tǒng)的改造需求及處理方案，見表1所示：

表1硬件改造方案匯總表

序號 改造需求 處理方案

1 燃?xì)饬髁慨?dāng)前值能在系統(tǒng)軟件中實時讀取，試驗時應(yīng)能通過軟件直接控制燃?xì)饬髁俊?更換PLC模塊、增加流量傳感器，通過比例閥調(diào)節(jié)燃?xì)饬髁浚黾恿髁慨?dāng)前值讀取模塊。

2 變頻器接入控制柜，能夠使用系統(tǒng)軟件控制各變頻器的頻率，實現(xiàn)對排煙風(fēng)機(jī)、助燃風(fēng)機(jī)，凈化系統(tǒng)風(fēng)機(jī)氣流量的控制。 增加控制電箱及變頻控制模塊，上位機(jī)處增加RS232串口。

3 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)直接控制點火，熄火及點火失敗保護(hù)功能。 增加點火控制模塊及通信處理模塊，每個燃燒噴嘴增加一個對應(yīng)電磁閥，更換點火器，實現(xiàn)點火異常時自動關(guān)斷燃?xì)狻?/p>

4 試驗過程中助燃風(fēng)機(jī)及燃?xì)饬髁繉崿F(xiàn)系統(tǒng)自動調(diào)整。 增加PID控制模塊，根據(jù)溫度當(dāng)前設(shè)定值（標(biāo)準(zhǔn)溫升曲線）自動調(diào)整燃?xì)饬髁炕蛘咧硷L(fēng)機(jī)頻率。

5 爐內(nèi)溫度、背火面溫度改為單通道采集，減少干擾，提高穩(wěn)定性。 更換溫度模塊，采用差分輸入模塊，提高系統(tǒng)抗干擾性、穩(wěn)定性以及顯示精度。

參照處理方案，通過硬件調(diào)研，同時充分考慮產(chǎn)品的價格及功能，我們提出了下述的硬件需求，具體見表2所示：

表2硬件需求匯總表

序號 硬件名稱 型號/規(guī)格 數(shù)量

1 氣體流量控制模塊 PLC模塊及流量傳感器 1套

2 電箱 通用 1個

3 變頻器控制模塊 ADAM4024 1套

4 擴(kuò)展串口 RS232 1個

5 點火控制模塊 ADAM4055 1套

6 通信模塊 ADAM4520 1套

7 控制模塊 ADAM4022T 1套

8 點火控制器 IFT244 6個

9 電磁閥 2W-20 6個

10 溫度模塊 ADAM4018+ 5套

11 溫度模塊 ADAM4017+ 1套

12 屏蔽雙絞線 通用 若干

13 集成數(shù)據(jù)控制器 通用 1個

14 基礎(chǔ)通信控件 通用 1套

15 I/O數(shù)模模塊 M8260 1套

通過適配相應(yīng)硬件，我們提出了系統(tǒng)相關(guān)電路控制方案。

1.1點火控制

六個點火控制器分別負(fù)責(zé)六個燃?xì)鈬姌尩狞c火工作，各點火器與燃?xì)庠粗g設(shè)有燃?xì)怆姶砰y及空燃比例閥。點火器接到點火命令后，開始通過噴槍中的電極進(jìn)行點火，燃?xì)怆姶砰y及空燃比例閥開始工作，使得燃?xì)馀c助燃空氣以適當(dāng)比例混合。如點火成功，點火控制器的火焰探測裝置檢測到火焰，顯示“點火成功”的指示燈變綠，同時停止點火，反饋點火成功信號，同時保持燃?xì)怆姶砰y開啟；如在設(shè)定時間內(nèi)點火失敗或試驗過程火焰中斷，點火控制器“點火失敗”指示燈變紅，反饋點火失敗信號，同時關(guān)閉燃?xì)怆姶砰y，防止燃?xì)獠粩噙M(jìn)入爐體內(nèi)部影響試驗過程。

1.2爐內(nèi)溫度控制

爐內(nèi)溫度傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊，將信號傳送至系統(tǒng)主控制柜的西門子S7-200可編程控制器（PLC）的模擬量采集模塊，經(jīng)PLC的內(nèi)部CPU運算，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出并實時顯示于上位機(jī)的測控軟件中。PLC將采集到的爐溫值與設(shè)定值（按標(biāo)準(zhǔn)升溫曲線計算得到）進(jìn)行比較，然后通過PID運算控制輸出信號：當(dāng)爐內(nèi)溫度低于設(shè)定值時，自動提高助燃風(fēng)機(jī)的頻率，使得助燃空氣流量及壓力升高，空燃比例閥開度增大，燃?xì)夤?yīng)量增多，這時燃燒產(chǎn)生的熱值增大，溫度上升；當(dāng)爐溫高于設(shè)定值時，降低助燃風(fēng)機(jī)頻率，使得助燃空氣流量及壓力降低，空燃比例閥開度減少，燃?xì)夤?yīng)量下降，這時燃燒產(chǎn)生的熱值減小，溫度下降。

1.3爐內(nèi)壓力控制

與爐溫控制一致，爐內(nèi)壓力傳感器通過數(shù)據(jù)采集模塊，將信號傳送至系統(tǒng)主控制柜PLC的模擬量采集模塊，經(jīng)PLC的內(nèi)部CPU運算，實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號輸出并實時顯示于上位機(jī)的測控軟件中。S7-200 PLC將采集到的爐壓值與設(shè)定值進(jìn)行比較，然后通過PID運算控制輸出信號：當(dāng)爐內(nèi)壓力低于設(shè)定值時，通過排煙風(fēng)機(jī)變頻器減小排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時通過助燃風(fēng)機(jī)變頻器增大助燃風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這時爐內(nèi)壓力上升；當(dāng)爐內(nèi)壓力高于設(shè)定值時，通過排煙風(fēng)機(jī)變頻器增大排煙風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，同時通過助燃風(fēng)機(jī)變頻器減小助燃風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這時爐內(nèi)壓力則下降。

2測控軟件研發(fā)

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括上位機(jī)與PLC的通信設(shè)計、PLC程序設(shè)計和數(shù)據(jù)處理三部分。在工業(yè)生產(chǎn)自動化控制場合，由于PLC性能安全可靠，因而廣泛用于數(shù)據(jù)采集與測控。要監(jiān)視PLC內(nèi)部的數(shù)據(jù)與運行狀況，若選用市場上的人機(jī)界面或組態(tài)軟件，雖然功能豐富，可以提高軟件的開發(fā)速度，但大多價格昂貴，不適合于實驗室規(guī)模的控制場合。項目組設(shè)計的系統(tǒng)軟件，采用了VB編程語言開發(fā)出上位機(jī)與各設(shè)備同的串行通訊控制程序，處理、記錄和顯示下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)并對下位機(jī)各參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視和修改，同時利用Excel軟件將相關(guān)參數(shù)整理成所需的報表。

軟件主要功能模塊有：通信及數(shù)據(jù)初始化模塊、主監(jiān)控窗口模塊、參數(shù)設(shè)置模塊、實時曲線模塊、報警模塊、數(shù)據(jù)庫管理模塊及試驗結(jié)果打印模塊等。各模塊主要功能如下：

（1）通信及數(shù)據(jù)初始化模塊主要是系統(tǒng)軟硬件之間進(jìn)行通信及初始化監(jiān)控數(shù)據(jù)的報警上下限等。

（2）主監(jiān)控窗口模塊實時跟蹤顯示所有監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化，方便操作人員根據(jù)監(jiān)控數(shù)據(jù)的變化來進(jìn)行判斷、操作及調(diào)整。

（3）參數(shù)設(shè)置模塊為操作人員輸入相關(guān)樣品信息及針對試樣設(shè)置溫度采集點。

（4）實時曲線模塊顯示實時的爐內(nèi)溫度曲線、爐內(nèi)壓力曲線及背火面溫升曲線，直觀體現(xiàn)試驗的趨勢。

（5）報警模塊在爐體燃燒或數(shù)據(jù)采集等方面出現(xiàn)故障或意外情況（如溫升過快、壓力過高、控制及采集信號斷路、點火異常等）時，發(fā)出聲光報警信號并提供對應(yīng)的處理提示。

（6）數(shù)據(jù)庫管理模塊儲存了全部的試驗原始數(shù)據(jù)及記錄，方便查詢歷史記錄及檢查設(shè)備異常情況。

（7）試驗結(jié)果打印模塊直接將標(biāo)準(zhǔn)要求所需的試驗監(jiān)控數(shù)據(jù)輸出至Excel表格，生成可儲存文件，也可以直接發(fā)送至打印機(jī)打印輸出。

3結(jié)語

針對我們當(dāng)前垂直構(gòu)件耐火性能檢測系統(tǒng)存在的問題與不足，依據(jù)GB/T 9978.1-2008標(biāo)準(zhǔn)，在原有檢測系統(tǒng)爐體及相關(guān)硬件的基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)控制、采集等硬件進(jìn)行更新改造，結(jié)合計算機(jī)自動控制技術(shù)，研發(fā)了一套全新的檢測系統(tǒng)，提高了檢測效率及燃?xì)饫寐?，降低檢驗本，減少人為因素對試驗過程的影響。最終實現(xiàn)垂直構(gòu)件耐火檢測控制系統(tǒng)自動化程度高、控制精度高、數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確、檢驗效率高、穩(wěn)定性強(qiáng)、安全性好的目的。

我們利用本項目研發(fā)的垂直構(gòu)件耐火檢測系統(tǒng)，為相關(guān)防火門、防火玻璃、防火卷簾、隔墻等的生產(chǎn)單位、施工使用單位以及政府監(jiān)管單位出具了多批次的正式檢驗報告；系統(tǒng)應(yīng)用情況良好，獲得用戶的廣泛好評。

參考文獻(xiàn)

[1] GB/T 9978.1-2008,建筑構(gòu)件耐火試驗方法第1部分:通用要求[S].

作者簡介：李曉增，男，碩士，質(zhì)量工程師，廣州市質(zhì)量監(jiān)督檢測研究院建材消防檢驗部，主要從事建筑防火材料及消防產(chǎn)品檢測、審核及科研工作。