基于PLC和力控的建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測裝置設(shè)計

郝瑞林，蔡國慶，周利杰，劉 輝，張歡靈

(1.滄州市工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省滄州市黃河西路49號 061001；2.河北省工業(yè)機(jī)械手控制與可靠性技術(shù)創(chuàng)新中心，河北省滄州市黃河西路49號 061001；3.河北水利電力學(xué)院機(jī)械工程系，河北省滄州市黃河西路49號 061001；4.中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司天津工務(wù)段職教科，天津市河?xùn)|區(qū)沈莊子大街2號 300010)

隨著高層建筑的不斷發(fā)展，極端惡劣天氣頻發(fā)，建筑外門窗的物理性能越來越受到公眾的關(guān)注。建筑外門窗主要受力桿件由于結(jié)構(gòu)設(shè)計或選材的不合理，在暴風(fēng)雨或伴有臺風(fēng)的季節(jié)，雨水滲入室內(nèi)造成內(nèi)部裝修層損壞時有發(fā)生，嚴(yán)重的會導(dǎo)致建筑外窗墜落而威脅人身財產(chǎn)的安全，建筑業(yè)主及客戶對建筑外門窗質(zhì)量問題的投訴也越來越多[1]。建筑外門窗的物理性能主要包括氣密性、水密性和抗風(fēng)壓性能，以下簡稱“三性”。這“三性”是門窗的主要物理屬性，并構(gòu)成評估門窗性能和效果的關(guān)鍵內(nèi)容[2]。建筑外門窗的“三性”與建筑性能、質(zhì)量，特別是室內(nèi)環(huán)境的營造效果直接相關(guān)，因此在投入使用前對其展開嚴(yán)格、準(zhǔn)確的“三性”檢測極為必要[3]。針對建筑外門窗“三性”檢測需求，國家對《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測方法》標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了更新，由GB/T 7106-2019代替GB/T 7106-2008。新標(biāo)準(zhǔn)對檢測方法進(jìn)行了多處修改，已于2019年12月20日發(fā)布，并于2020年11月1日開始實施。目前，全國各地建筑項目急需外門窗“三性”檢測裝置對工程所用產(chǎn)品進(jìn)行檢測鑒定，但市面上所有2008年標(biāo)準(zhǔn)檢測裝置須全部淘汰，僅有個別檢測公司安裝了依據(jù)2019年新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的門窗“三性”檢測裝置，數(shù)量非常少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足市場對“三性”檢測裝置的需求。因此，國內(nèi)對新標(biāo)準(zhǔn)門窗“三性”檢測裝置的需求非常迫切。

本文根據(jù)《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測方法》GB/T 7106-2019和《建筑幕墻、門窗通知技術(shù)條件》GB/T 31433-2015進(jìn)行檢測裝置的設(shè)計，參考了文獻(xiàn)[4]～[9]，最終采用200SMART系列西門子PLC作為下位機(jī)，搭配變頻器和位移、氣壓等傳感器，控制風(fēng)機(jī)、氣缸等功能部件，以力控軟件作為平臺開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)，可實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、氣密性定級檢測、氣密性工程檢測、水密性定級檢測、水密性工程檢測、抗風(fēng)壓性能定級檢測、抗風(fēng)壓性能工程檢測等功能。

1 裝置結(jié)構(gòu)

檢測裝置由壓力箱、空氣收集箱、試件、安裝框架、供壓裝置、淋水裝置及測量裝置組成[10]。檢測裝置的構(gòu)成如圖1所示?？諝馐占渑c壓力箱連接時密封性能良好，其深度宜為500mm～800mm。整體框架安裝牢固，不易產(chǎn)生傾斜及變形。

1-壓力箱;2-淋水裝置;3-進(jìn)氣口擋板;4-壓力控制裝置;5-供風(fēng)設(shè)備;6-水流量計;7-差壓測量裝置;8-安裝框架;9-空氣流量測量裝置;10-門窗試件;11-空氣收集箱;12-密封條;13-位移測量裝置;14-封板圖1 檢測裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of detection device

2 控制要求

2.1 檢測順序

2.2 氣密性能檢測

2.2.1 氣密性能檢測步驟

定級檢測時，檢測加壓順序如圖2所示。

工程檢測時，檢測壓力應(yīng)根據(jù)工程設(shè)計要求的壓力進(jìn)行加壓，檢測加壓順序如圖3所示。

圖2 定級檢測氣密性能加壓順序示意圖Fig.2 Schematic diagram of pressurization sequence for grading test air tightness

圖3 工程檢測氣密性能加壓順序示意圖Fig.3 Schematic diagram of pressurization sequence for engineering test air tightness

2.2.2 預(yù)備加壓

定級檢測時壓力差絕對值為500Pa，加載速度約為100Pa/s，壓力穩(wěn)定作用時間為3s，泄壓時間不少于1s。工程檢測時壓力差絕對值取風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的10%和500Pa二者的較大值，加載速度約為100Pa/s，壓力穩(wěn)定作用時間為3s，泄壓時間不少于1s。

2.2.3 定級檢測數(shù)據(jù)處理

門窗試件采取密封措施后測出的空氣滲透量為附加空氣滲透量，去除密封措施后測出的空氣滲透量為總空氣滲透量。其計算方法一致

q=3600vs

(1)

式中，q——空氣滲透量(m3/h)；

v——管道風(fēng)速(m/s)；

s——管道截面積(m2)；

然后，計算試件本身在10Pa、30Pa、50Pa等壓力差下的空氣滲透量qt，

(2)

式中，qt——試件空氣滲透量(m3/h)；

將換算成標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下各壓力差滲透量值

(3)

式中，qΔp——標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的各壓力差滲透量(m3/h)；

P——試驗室氣壓值(kPa)；

T——試驗室空氣溫度值(K)；

根據(jù)(4)式，回歸計算出k和c，并按(5)式計算出在10Pa壓力差下的空氣滲透量q′

qΔp=k(Δp)c

(4)

q′=k·10c

(5)

式中，k——擬合系數(shù)；

c——縫隙滲透系數(shù)；

Δp——壓力差(Pa)；

計算10Pa壓力差下，單位開啟縫長空氣滲透量值q1和單位面積空氣滲透量值q2

(6)

(7)

式中，l——開啟縫長(m)；

A——試件面積(m2)；

取3樘試件±q1或±q2的最不利值，依據(jù)GB/T 31433確定各自所屬等級，取不利級別為該組試件所屬等級。正、負(fù)壓分別定級。

2.2.4 工程檢測數(shù)據(jù)處理

工程檢測的計算相對定級檢測要簡單，在設(shè)計壓力差下，空氣滲透量按(8)式計算

qt=q2-qf

(8)

式中，q2——總空氣滲透量測定值(m3/h)；

qf——附加空氣滲透量測定值(m3/h)。

按式(3)、(6)、(7)式計算試件在該設(shè)計壓力差下的單位開啟縫長空氣滲透量q1和單位面積空氣滲透量q2。3樘試件正、負(fù)壓按照單位開啟縫長和單位面積的空氣滲透量均應(yīng)滿足工程設(shè)計要求，否則判定不滿足工程設(shè)計要求。

3 控制裝置工作原理

該裝置最主要的控制對象是氣壓差。給定預(yù)期風(fēng)機(jī)供電頻率，可調(diào)整風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，將壓力箱內(nèi)氣壓差值作為反饋，經(jīng)過非線性變換與預(yù)期風(fēng)機(jī)頻率作比較，形成負(fù)反饋，最終得到目標(biāo)氣壓差。該自動控制系統(tǒng)原理圖如圖4所示。

圖4 風(fēng)機(jī)頻率控制原理圖Fig.4 Schematic diagram of fan frequency control

控制裝置由PLC下位機(jī)和基于力控平臺的上位機(jī)軟件組成。下位機(jī)中，PLC與變頻器、位移傳感器、氣壓傳感器等設(shè)備相連接，通過程序控制風(fēng)機(jī)、氣缸等設(shè)備；上位機(jī)中，以力控軟件作為平臺開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲、繪制曲線等功能。

4 下位機(jī)設(shè)計

4.1 硬件

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，檢測裝置需要的模擬輸入量(6個)分別是大量程風(fēng)壓值、小量程風(fēng)壓值、管道風(fēng)速值和3個位移量，模擬輸出量(1個)是控制變頻器輸出頻率變化的0～10V電壓，數(shù)字輸入量(2個)包括啟動、停止，數(shù)字輸出量(3個)包括報警燈、風(fēng)向換向閥和噴淋閥。

經(jīng)過計算，選用西門子200SMART系列ST20型號的PLC作控制系統(tǒng)的控制器，含12個數(shù)字輸入和8個數(shù)字輸出接口，再搭配EM擴(kuò)展模塊AE04、AM03，可實現(xiàn)6個模擬輸入量和1個模擬輸出量的控制，滿足檢測裝置的需求。

風(fēng)機(jī)選用額定功率18.5kW的三相風(fēng)機(jī)，匹配21kW的變頻器控制風(fēng)機(jī)，輸出不同風(fēng)速。風(fēng)速傳感器選擇E+E品牌EE650傳感器，可測出管道內(nèi)風(fēng)速，用來計算空氣滲透量。3個位移傳感器選擇米朗牌3～100mm量程傳感器，可測量門窗3個位置的形變位移，用來計算抗風(fēng)壓性能。風(fēng)壓值傳感器選擇華控差壓傳感器，由于測量跨度較大，需要2個量程(±200Pa和±10kPa)的傳感器，以便精確測量風(fēng)壓值。硬件原理圖如圖5所示。

圖5 硬件原理圖Fig.5 Hardware schematic diagram

根據(jù)原理圖及西門子200SMART系列接線方法，控制裝置硬件接線圖如圖6所示。

圖6 硬件接線圖Fig.6 Hardware wiring diagram

4.2 軟件

PLC軟件設(shè)計與上位機(jī)界面設(shè)計綜合考慮，下位機(jī)程序主要控制I/O信號及讀寫功能，而上位機(jī)程序主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲、人機(jī)交互、曲線繪制和表格輸出等功能。以氣密性定級檢測為例，控制流程如圖7所示。

圖7 氣密性定級檢測流程圖Fig.7 Flow chart of air tightness grading test

在正、負(fù)加壓記錄滲透量之前，需要預(yù)備加壓3次，先記錄附加空氣滲透量，再記錄總空氣滲透量，之后按照(1)～(7)式計算±q1、±q2值，取3樘試件的最不利值，依據(jù)GB/T 31433確定試件等級。

5 上位機(jī)設(shè)計

5.1 界面規(guī)劃

上位機(jī)以力控組態(tài)軟件為平臺開發(fā)，設(shè)計了通用參數(shù)設(shè)置、氣密檢測設(shè)置、氣密檢測、水密檢測設(shè)置、水密檢測等10個界面，與PLC、傳感器和變頻器配合，實現(xiàn)對風(fēng)機(jī)、氣缸、噴淋閥等設(shè)備的控制，對管道風(fēng)速、變形位移等變量進(jìn)行實時監(jiān)測并記錄。每樘門窗試件都有相應(yīng)編號，每次試驗都有相應(yīng)名稱及編號，通過對記錄數(shù)據(jù)的處理，最后得出門窗試件的檢測報告。

5.2 通用參數(shù)設(shè)置

檢驗參數(shù)設(shè)置界面中，需要用戶輸入委托單位、地址、電話、送樣日期、生產(chǎn)單位等信息，以備檢測報告使用，如圖8所示。

圖8 通用參數(shù)設(shè)置界面Fig.8 General parameter setting interface

5.3 氣密檢測

在氣密參數(shù)設(shè)置界面中，需要提前設(shè)置好當(dāng)前空氣溫度、氣壓、試件面積、開啟縫長等值，以備計算使用；如果是工程檢測，還需要設(shè)置工程檢測設(shè)計值。然后可進(jìn)行氣密性能檢測，分為定級檢測和工程檢測，附加空氣滲透量和總空氣滲透量分開檢測并記錄，按照標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后得到正壓和負(fù)壓作用下的單位開啟縫長空氣滲透量q1和單位面積空氣滲透量q2，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 31433判定門窗級別。

圖9 氣密檢測界面Fig.9 Air tightness detection interface

5.4 水密檢測

水密檢測中，工程所在地為熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)地區(qū)的工程檢測，采用波動加壓法；定級檢測和工程所在地為非熱帶風(fēng)暴和臺風(fēng)地區(qū)的工程檢測，采用穩(wěn)定加壓法。在加壓的同時會對門窗試件進(jìn)行均勻地淋水，淋水量大小依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)給定。在試驗期間如發(fā)生滲漏，記錄滲漏部位及當(dāng)時壓差。

圖10 水密檢測界面Fig.10 Water tightness detection interface

5.5 抗風(fēng)壓定級檢測

抗風(fēng)壓定級檢測也需要預(yù)備加壓、正負(fù)加壓和逐級加壓，和氣密性能檢測相似，只是逐級加壓的量不同，變成了250Pa。另外，還要進(jìn)行反復(fù)加壓檢測P2和風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值檢測±P3和風(fēng)荷載設(shè)計值±Pmax檢測，壓差較大，風(fēng)力足以損壞質(zhì)量較差的門窗。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對于單扇平開窗(門)需要測量2處變形位移，但對于其他門窗需要測量3處變形位移，而且計算面法線撓度的算法也不同。具體按鈕和記錄結(jié)果等功能實現(xiàn)界面，如圖11所示。

圖11 抗風(fēng)壓定級檢測界面Fig.11 Wind pressure resistant grading detection interface

5.6 抗風(fēng)壓工程檢測

圖12 抗風(fēng)壓工程檢測界面Fig.12 Wind pressure resistant engineering detection interface

6 試驗

將PLC、變頻器、風(fēng)機(jī)等硬件連接好，變頻器接收0～10V電壓控制0～50Hz風(fēng)機(jī)頻率，進(jìn)而控制壓差大小。將控制設(shè)備與壓力箱安裝好后，將門窗試件安裝好，進(jìn)行試運行。裝置整體概況如圖13所示。

圖13 裝置整體概況Fig.13 Overall overview of the device

將上位機(jī)設(shè)置好通用參數(shù)后，調(diào)至氣密檢測界面，按照定級檢測步驟運行，可測得數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 氣密定級檢測數(shù)據(jù)(單位：m3/h)

經(jīng)計算，正壓時，單位開啟縫長空氣滲透量為45.31m3/h，單位面積空氣滲透量為25.17m3/h，系數(shù)k為10.651，系數(shù)c為0.407；負(fù)壓時，單位開啟縫長空氣滲透量為42.33m3/h，單位面積空氣滲透量為23.52m3/h，系數(shù)k為11.138，系數(shù)c為0.358。

切換至門窗抗風(fēng)壓定級檢測界面，按照步驟進(jìn)行檢測，可得分級檢測數(shù)據(jù)如表2如示。

表2 抗風(fēng)壓定級檢測正壓數(shù)據(jù)(單位：mm)Tab.2 Positive pressure data of anti wind pressure grading detection(unit：mm)

在完成氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測后，根據(jù)同一批次3樘門窗最不利的數(shù)據(jù)對門窗進(jìn)行定級或工程合格評價，最后輸出檢測報告，作為門窗質(zhì)量依據(jù)。

7 結(jié)論

試驗結(jié)果證明，基于PLC和力控組態(tài)軟件的檢測裝置技術(shù)方案可行，能按照GB/T 7106-2019實現(xiàn)對建筑外門窗的氣密、水密、抗風(fēng)壓性能進(jìn)行檢測。檢測裝置可根據(jù)設(shè)定的壓差使PLC輸出一定的電壓V1，變頻器根據(jù)V1大小輸出相應(yīng)頻率供風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動。通過氣壓傳感器感知的壓差，來調(diào)整PLC輸出的電壓值，閉環(huán)控制壓差。檢測裝置可對門窗的氣密、水密、抗風(fēng)壓性能進(jìn)行定級檢測和工程檢測，能夠按照步驟檢測，記錄壓差、位移、損壞位置等數(shù)據(jù)，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

本文創(chuàng)新點是目前市面上建筑外門窗“三性”檢測裝置普遍基于數(shù)據(jù)采集卡及VC++語言編寫，在可靠性和實用性上略有欠缺，且大部分仍按2008年標(biāo)準(zhǔn)制作，在實際檢測中必須淘汰。本文完全遵照2019年新標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測的流程、步驟符合2019標(biāo)準(zhǔn)要求，數(shù)據(jù)可靠、準(zhǔn)確，實現(xiàn)實時顯示曲線、歷史調(diào)用數(shù)據(jù)，生成檢測報告，為“三性”檢測裝置市場增添了一種可行性方案。但在運行過程中，裝置也存在一些不足，比如標(biāo)準(zhǔn)中描述了預(yù)備加壓要在一定時間內(nèi)完成，裝置只進(jìn)行粗略控制，并未準(zhǔn)確到秒控制；還有一些控制細(xì)節(jié)不夠完善，計劃在今后的研究過程中進(jìn)行完善升級。