一種新型的外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓性能檢測裝置研制

劉會華

（中國建筑科學(xué)研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

隨著節(jié)約能源與環(huán)保要求的不斷提高，產(chǎn)業(yè)用建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)用材料的保溫技術(shù)也在日益加強(qiáng)，尤其是外墻外保溫技術(shù)，在建筑節(jié)能技術(shù)中具有越來越重要的地位。但近年來，外墻外保溫系統(tǒng)大面積開裂、脫落導(dǎo)致車輛損壞人員傷亡的事故不斷發(fā)生，進(jìn)而引起質(zhì)量監(jiān)管部門和行業(yè)人士的高度重視。經(jīng)過對事故原因進(jìn)行分析，風(fēng)壓對外墻外保溫的影響特別是負(fù)風(fēng)壓的作用是一個重要因素?；谝陨弦蛩夭⒔Y(jié)合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范［1-3］，研制了一種新型的外墻外保溫抗風(fēng)壓性能檢測設(shè)備主要用于檢測外墻外保溫系統(tǒng)在脈動負(fù)風(fēng)壓作用下是否發(fā)生開裂、松動、脫落等現(xiàn)象。

目前使用的設(shè)備是基于供壓風(fēng)機(jī)滿功率運(yùn)行，壓力的調(diào)節(jié)通過改變閥門的開度實現(xiàn)，壓力脈沖由波動閥調(diào)節(jié)。這種方式設(shè)備運(yùn)行能耗大，壓力控制精度低。針對以上設(shè)備存在問題，設(shè)計了以嵌入測控軟件的工業(yè)控制電腦作為上位機(jī)，以 PCI 數(shù)據(jù)采集控制卡為下位機(jī)的核心控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與處理的新系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用變頻調(diào)壓技術(shù)調(diào)節(jié)壓力上限，切換氣動閥開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力脈沖波形，測控軟件基于 Visual Basic 6.0 語言［4］編寫，主要實現(xiàn)外圍設(shè)備的自動控制、檢測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等功能。本測控系統(tǒng)運(yùn)行功耗低，壓力控制快速穩(wěn)定，實驗數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軟件界面美觀友好，功能齊全。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)工作原理

通過調(diào)節(jié)供風(fēng)系統(tǒng)從靜壓箱吸風(fēng)，從而在被檢測外墻外保溫系統(tǒng)的兩側(cè)形成負(fù)壓差，模擬脈動負(fù)風(fēng)壓對外墻外保溫系統(tǒng)的影響，將差壓傳感器安裝在檢測裝置的適當(dāng)位置，用來測量靜壓箱內(nèi)的風(fēng)壓。檢測裝置示意圖如圖 1 所示。

圖1 檢測裝置示意圖

本系統(tǒng)主要任務(wù)是控制靜壓箱體的壓力，以及采集實時靜壓箱體壓力信號。由壓力設(shè)定值、壓力實測值、變頻調(diào)速器、被控對象（靜壓箱體壓力）等形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，采用 PID 控制算法對靜壓箱體的壓力進(jìn)行控制。

1.2 系統(tǒng)組成與功能

外墻外保溫測控系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)選用一臺裝有 Visual Basic 6.0 軟件的工業(yè)控制電腦，下位機(jī)由感知現(xiàn)場信號的傳感器、對現(xiàn)場信號進(jìn)行采集與處理的 PCI 總線數(shù)據(jù)采集卡（裝于工業(yè)控制電腦中）、執(zhí)行電路、動力系統(tǒng)和控制閥門等組成。測控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖 2 所示。

上位機(jī)軟件在 Visual Basic 6.0 環(huán)境下開發(fā)，主要包括界面設(shè)計、通信設(shè)計、算法設(shè)計和功能設(shè)計等。主要界面有檢測條件設(shè)定、抗風(fēng)壓檢測、報告生成、傳感器標(biāo)定、用戶管理等界面。將 PID 控制算法寫成專用函數(shù)，存于公用模塊中，在軟件中壓力控制時方便調(diào)用。下位機(jī)以 PCI 總線數(shù)據(jù)采集控制卡為核心控制器，采集控制帶有動態(tài)鏈接庫文件和進(jìn)行模擬量讀寫，數(shù)字量讀寫的函數(shù)，測控軟件可通過調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)實現(xiàn)讀取傳感器信號，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)動作等。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過 PCI 總線進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交流。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.3.1 PCI 數(shù)據(jù)采集控制卡

采用 AMPCI-9115D 數(shù)據(jù)采集控制卡對壓力傳感器的輸出信號進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入計算機(jī)進(jìn)行分析處理；并把計算機(jī)發(fā)出的控制信號鎖存后供執(zhí)行電路使用。

AMPCI-9115D 板是 PCI 總線通用數(shù)據(jù)采集控制板，該板可直接插入具備 PCI 插槽的工控機(jī)或個人微機(jī)，構(gòu)成模擬量電壓信號、數(shù)字量電壓信號采集、監(jiān)視輸入和模擬量電壓信號輸出、數(shù)字量電壓信號輸出及計數(shù)定時系統(tǒng)（見圖 3）。

圖3 采集卡接線示意圖

AMPCI-9115D 板為用戶提供了 16 位單端 16 路/雙端 8 路模擬量數(shù)據(jù)采集輸入通道，輸入信號電壓范圍±10 V；模擬量輸入通道具有程控放大功能，放大倍數(shù)為 1/2/4/8 倍；2 路 12 Bit 模擬量電壓信號輸出，輸出電壓范圍±10 V，可通過板卡上的跳線開關(guān)實現(xiàn)輸出電壓量程切換；16 BitTTL 數(shù)字量輸入和 16 BitTTL 數(shù)字量輸出；1 路 16 位計數(shù)定時通道（一片 82C54），基準(zhǔn)時鐘4 MHz，其通道 0 可構(gòu)成脈沖計數(shù)、頻率測量、脈沖信號發(fā)生器等電路。

對 AMPCI-9115 板的所有讀寫操作均為 16Bit 即D15～D00，當(dāng)對 82C54 進(jìn)行讀寫時只有 D07～D00 有效，同樣 A/D 轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)一次讀入的為 B15～B00。

1.3.2 差壓傳感器

本系統(tǒng)選用量程 0～-15 kPa，精度 ±0.25 % 的KYB14 型差壓變送器測定負(fù)壓箱內(nèi)的實際壓力，其將壓力信號轉(zhuǎn)換成 0～5 V 的模擬信號，經(jīng)采集卡進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入計算機(jī)進(jìn)行分析處理。KYB14 型差壓變送器選用美國進(jìn)口高精度、高穩(wěn)定性芯片，并采用特殊鋁合金表面處理技術(shù)和傳感器應(yīng)力隔離技術(shù)，經(jīng)精密溫度補(bǔ)償及放大處理，將差壓信號轉(zhuǎn)成 0～5 VDC標(biāo)準(zhǔn)信號。該傳感器具有測量范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號穩(wěn)定結(jié)構(gòu)精巧、安裝方便高精度、高可靠性精密溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)。其中差壓傳感器如圖 4 所示，接線圖如圖 5 所示。

圖4 壓力傳感器

1.3.3 動力系統(tǒng)

動力由 2 臺 GDC-1 系列離心式風(fēng)機(jī)和 2 臺惠豐F1500P 型風(fēng)機(jī)專用變頻器構(gòu)成。

1）風(fēng)機(jī)選型。由風(fēng)機(jī)手冊［5］可知，同型號的風(fēng)機(jī)并聯(lián)后的全壓不是不變，是略增。同型號的風(fēng)機(jī)并聯(lián)只有在阻力較小的管路上風(fēng)量才有較多的增加，總風(fēng)量小于一臺的兩倍，在阻力較大的管路上風(fēng)量增加很少。不同型號的風(fēng)機(jī)并聯(lián)，并聯(lián)的風(fēng)量可能增加，也可能比其中風(fēng)量較大的風(fēng)機(jī)風(fēng)量少一些。同型號的風(fēng)機(jī)串聯(lián)后的風(fēng)量不是不變，是略增。同型號的風(fēng)機(jī)串聯(lián)只有在風(fēng)量較小的管路上壓力才有較多地增加，總?cè)珘盒∮谝慌_的兩倍，在風(fēng)量較大的管路上壓力增加很少。不同型號風(fēng)機(jī)串聯(lián)壓力可能增加，可能減少。串聯(lián)風(fēng)量可能增加，也可能比其中一臺風(fēng)量較大的風(fēng)機(jī)少。

因此，根據(jù)以上定性分析的結(jié)論以及系統(tǒng)要求，采用兩臺同型號的離心式風(fēng)機(jī)串聯(lián)使用為設(shè)備提供風(fēng)壓。風(fēng)機(jī)串聯(lián)如圖 6 所示。

圖6 風(fēng)機(jī)串聯(lián)示意圖

2）變頻器選型。風(fēng)機(jī)類負(fù)載多是根據(jù)滿負(fù)荷工作需用量來選型，實際應(yīng)用中大部分時間并非工作于滿負(fù)荷狀態(tài)，由于交流電機(jī)調(diào)速很困難，常用擋風(fēng)板、回流閥或開/停機(jī)時間，來調(diào)節(jié)風(fēng)量，同時大電機(jī)在工頻狀態(tài)下頻繁開/停比較困難，電力沖擊較大，勢必造成電能損耗和開/停機(jī)時的電流沖擊。采用變頻器直接控制風(fēng)機(jī)類負(fù)載是一種最科學(xué)的控制方法，當(dāng)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速的 80 % 運(yùn)行時，理論上其消耗的功率為額定功率的（80 %），即 51.2 %，去除機(jī)械損耗電機(jī)銅、鐵損等影響，節(jié)能效率也接近 40 %，同時也可以實現(xiàn)閉環(huán)恒壓控制，節(jié)能效率將進(jìn)一步提高。由于變頻器可實現(xiàn)大型電動機(jī)的軟停、軟起，避免了啟動時的電壓沖擊，減少電動機(jī)故障率，延長使用壽命，電機(jī)將在低于額定轉(zhuǎn)速的狀態(tài)下運(yùn)行，減少了噪聲對環(huán)境的影響，具有過載、過壓、過流、欠壓、電源缺相等自動保護(hù)功能及聲光報警功能，同時也降低了對電網(wǎng)的容量要求和無功損耗。為達(dá)到節(jié)能目的推廣使用變頻器已成為各地節(jié)能工作部門以及各單位節(jié)能工作的重點(diǎn)［6］。

綜合以上因素，采用兩臺惠豐 F1500-P 型風(fēng)機(jī)水泵專用變頻器來調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而得到所需風(fēng)壓。變頻器接線如圖 7 所示。

圖7 變頻器接線示意圖

1.3.4 數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)計

1） 對檢測信號的采樣。外墻外保溫抗風(fēng)壓檢測設(shè)備測控系統(tǒng)主要對壓力箱氣壓信號進(jìn)行采集處理。壓力箱壓力信號的采集采用 KYB14A 差壓變送器，其輸出為 0～+5V，直接輸入AMPCI-9115D 數(shù)據(jù)采集控制卡進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，由計算機(jī)將此信號轉(zhuǎn)換為實際的壓力值，數(shù)據(jù)采集板直接插入計算機(jī)的 PCI 插槽，具有較高的采集速度和精度。信號采集基本框圖如圖 8 所示。

圖8 信號采集基本框圖

2）對給定氣壓的自動控制。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檢測中有多個壓力級別的給定，本系統(tǒng)采用風(fēng)機(jī)變頻調(diào)速方式調(diào)節(jié)每級壓力，通過切換氣動閥門的開關(guān)狀態(tài)實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中要求的加壓速度，調(diào)節(jié)電動閥門的開啟角度實現(xiàn)每級壓力回零的時間。整個檢測過程由計算機(jī)控制 AMPCI-9115D 數(shù)據(jù)采集控制卡自動完成。采集卡的 2 路 D/A 輸出（0～10 VDC）控制作為變頻器的控制信號，而相應(yīng)的采集卡輸出數(shù)字控制量進(jìn)行其他閥門的開關(guān)控制：模擬/數(shù)字量輸出控制表如表 1 所示。

模擬/數(shù)字量輸出 被控對象D/A1 輸出 1# 變頻器控制D/A2 輸出 2# 變頻器控制數(shù)字量輸出 D15 氣動截至閥 A 控制數(shù)字量輸出 D14 氣動截止閥 B 控制數(shù)字量輸出 D13 漏氣閥開控制數(shù)字量輸出 D12 漏氣閥關(guān)控制

本系統(tǒng)控制方式為閉環(huán)反饋控制。具體步驟為：第 1 步，先發(fā)送對應(yīng)給定氣壓的控制信號至執(zhí)行電路，打開氣動截止閥 A，關(guān)閉氣動截止閥 B，關(guān)閉漏氣閥，等各閥門開啟或關(guān)閉到位后（通過軟件延時實現(xiàn)），將風(fēng)機(jī) A 或風(fēng)機(jī) B 調(diào)到與之對應(yīng)的轉(zhuǎn)速（在 7 000 Pa 以下的級別，可使用一臺風(fēng)機(jī)，以達(dá)到節(jié)能的目的）；第 2 步，在升壓過程中，從壓力傳感器取出實際氣壓信號，與給定氣壓信號進(jìn)行比較；第 3 步，根據(jù)比較所得差值發(fā)送控制信號至執(zhí)行電路，控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行壓力調(diào)整；第 4 步，重復(fù)第 2、第 3 步直至實際氣壓與給定氣壓相符。第 5 步，關(guān)閉氣動截止閥 A，打開氣動截止閥 B，調(diào)節(jié)漏氣閥的開啟角度達(dá)到壓力回零時間，至此完成一個壓力脈沖。壓力控制框圖如圖 9 所示。

圖9 壓力控制基本框圖

2 測控軟件系統(tǒng)設(shè)計

Visual Basic（簡稱 VB）是 Microsoft 公司開發(fā)的一種通用的基于對象的程序設(shè)計語言，為結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮?、包含協(xié)助開發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動為機(jī)制的可視化程序設(shè)計語言。Visual Basic 源自于BASIC 編程語言。VB 擁有圖形用戶界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易地使用 DAO、RDO、ADO 連接數(shù)據(jù)庫，或者輕松地創(chuàng)建 Active X 控件，用于高效生成類型安全和面向?qū)ο蟮膽?yīng)用程序，程序員可以輕松地使用 VB 提供的組件快速建立一個應(yīng)用程序。所以本系統(tǒng)選用面向?qū)ο蟮?Visu al Basic 6.0 平臺對上位機(jī)測控軟件進(jìn)行設(shè)計，為用戶提供友好的交互界面，方便實現(xiàn)對設(shè)備的自動控制和數(shù)據(jù)分析。

測控軟件部分主要實現(xiàn)外圍設(shè)備的自動控制、檢測數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等功能。軟件界面由菜單欄、工具欄、控制板、檢測窗口、檢測設(shè)定窗口、狀態(tài)欄、結(jié)果評定窗口等組成，其操作簡捷、方便，符合常規(guī)。軟件界面如圖 10 所示。

圖10 軟件界面示意圖

由于檢測過程需處理的數(shù)據(jù)量較大，并且需要進(jìn)行實時控制，測試軟件系統(tǒng)應(yīng)包括檢測設(shè)定、抗風(fēng)壓檢測、報告和記錄、傳感器標(biāo)定、系統(tǒng)設(shè)置等幾部分。

1） 檢測設(shè)定模塊。用于輸入試件性狀、檢測條件等原始數(shù)據(jù)信息。

2） 抗風(fēng)壓檢測模塊。用于外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓能檢測過程控制。

3） 報告和記錄模塊。進(jìn)行檢測結(jié)果后期處理，從檢測程序數(shù)據(jù)庫中選取所需數(shù)據(jù)、自動進(jìn)行綜合處理，得到該組試件檢測結(jié)果并可打印出檢測報告和記錄。

4） 傳感器標(biāo)定模塊。用于傳感器標(biāo)定時傳感器常數(shù)的確定和存貯。軟件系統(tǒng)框圖如圖 11 所示。

圖11 軟件系統(tǒng)框圖

3 結(jié)語

本文在對外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓性能檢測裝置工作原理和系統(tǒng)總體設(shè)計簡單介紹的基礎(chǔ)上。重點(diǎn)介紹了檢測裝置測控系統(tǒng)和軟件測控系統(tǒng)的設(shè)計，利用變頻調(diào)壓和氣動開關(guān)閥組合控制方式，解決了以往設(shè)備，運(yùn)行耗電量、噪音大、控制壓力不精確，自動化程度低等缺點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場調(diào)試，該設(shè)備能夠精確滿足標(biāo)準(zhǔn)中對檢測壓力脈沖的升壓時間、卸壓時間和壓力偏差的要求。本檢測裝置已經(jīng)在一些廠家投入使用，使用結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有操作簡便、控制精度高、結(jié)構(gòu)緊湊、運(yùn)行穩(wěn)定、易維護(hù)等特點(diǎn)。Q