排煙防火閥門耐火試驗系統的設計與試驗

林晉立

（廣東產品質量監督檢驗研究院，廣州 510330）

0 引言

建筑通風和排煙系統用防火閥門安裝在通風、空氣調節系統和機械排煙系統中，一般用于機房、廚房、空調送風管、通風風機排風口、風井入口、豎直風管與水平風管交接處、排煙支管端部等眾多場所，起到排煙與阻火的作用。

排煙防火閥門根據功能及安裝位置的不同細分為3類：防火閥、排煙防火閥和排煙閥。排煙閥平常處于關閉狀態，火災時開啟排煙；防火閥和排煙防火閥平常處于開啟狀態，發生火災且溫度達到一定數值時關閉隔煙。國家標準GB15930-2007《建筑通風和排煙系統用防火閥門》為排煙防火閥門的檢驗指明了方向并提出了具體的要求[1]。在標準規定的12 個檢驗項目中，環境溫度下的漏風量和耐火性能這兩個項目的檢驗尤為重要，也是在檢驗環節評判排煙防火閥門能否于突發火災中起到排煙阻火作用，保護人民生命財產安全的重要檢驗指標。因此，在檢驗中必須嚴格按照標準所規定的條件開展試驗。爐內的溫度與壓力變化情況可以模擬出實際環境中發生火災時火場內的溫度與壓力，缺少反饋與控制的系統難以滿足檢驗要求。目前對溫度和壓力的測量反饋常采用PID控制，對PID參數進行優化的算法有很多，如改進型算法、模糊算法和蟻群算法等，本文以閥門檢驗中的溫度和壓力為控制因素，采用遺傳算法的優化方式，對排煙防火閥門耐火試驗系統進行設計并試驗。

1 耐火試驗系統原理

排煙防火閥門耐火試驗系統由耐火試驗爐、控制系統、測量反饋系統和上位機操作界面組成。耐火試驗爐是系統的主體部分，排煙防火閥門穩固的安裝在試驗爐上，爐內產生的高溫氣體通過閥門以達到試驗目的；控制系統和測量反饋系統是硬件部分，用于測量試驗過程中的溫度、壓力和氣體流量等數據并進行相應的控制；上位機操作界面屬于系統的軟件部分，檢驗人員可在控制室內通過其對試驗數據進行監控。主體、硬件和軟件3 個部分缺一不可。系統可對排煙防火閥門環境溫度下的漏風量及耐火性能進行檢驗，以判斷其設計制造是否符合標準要求。

2 系統組成與設計

2.1 耐火試驗爐

耐火試驗爐由爐體和降溫引風管道組成。爐體是磚墻建筑結構，長和高分別為3 m。前側為一中空開口，用于堆砌防火磚以連接排煙防火閥門；后側為墻體，底部有開口連入排風通道；左右兩側墻體各開有5個圓孔，豎直均勻分布，用于安裝點火噴嘴。引風管道中部設置水箱用于降溫，末端連接風機引出爐內高溫氣體。

2.2 控制系統

控制系統由控制器、變頻器、風機、點火裝置組成。控制器選用SIEMENS S7-200 系列CPU 224CN 型PLC，此款PLC 體積小、易操作，包含14 個數字量輸入點與10 個數字量輸出點，具有較強的控制能力。控制器另外擴展一臺EM 223CN 模塊，包含8 個繼電器輸出點，以滿足系統控制要求，并為后期接入新設備預留一定的輸入輸出空間。

控制系統包含3 臺風機，分別為鼓風風機、排風風機和引風風機，均使用功率為15 kW 的三相異步電機帶動。其中，鼓風風機作為正壓使用，為點火裝置提供充足的空氣；排風風機安裝在試驗爐爐體尾端，引風風機安裝于連接裝置尾端，兩者均通過葉輪轉動產生負壓，從爐內排出煙氣，作為負壓使用。風機一般按照廠家設定的出廠功率滿載荷運轉，此時無法滿足試驗系統的控制要求，因此增加變頻器調節風機的運轉速度，使其滿足控制條件。變頻器選擇DELXI CDI 系列E180型，具有交流380 V 輸入輸出的特點，輸出頻率為0～3 200 Hz。變頻器可通過自帶鍵盤、輸入端子或RS485通訊3種方式運行，交互性優良，且內置PID可實現系統的閉環控制。

點火裝置由燒嘴控制器、電磁閥、空燃比例閥和天然氣燒嘴組成，為試驗爐提供高溫。燒嘴控制器型號為KROM IFS258，采用紫外線UV對火焰實時監測，可控制功率在350 kW 以下燃氣燒嘴的點火。電磁閥通電時，空燃比例閥開啟到合適位置，天然氣燒嘴在低負荷下點燃。控制空燃比例閥的開度，調節燒嘴功率得到合適的火焰大小。當火焰故障熄滅后，由UV 監測重新點火或報警。點火裝置控制圖如圖1所示。

圖1 點火裝置控制圖Fig.1 Control diagram of ignition device

控制系統的工作原理：控制系統接線圖如圖2所示，接通總電源使系統通電，按下SB1 按鈕，繼電器KA1 通電。常開觸點KA1 閉合，控制鼓風風機運轉的變頻器1開啟。變頻器的P24 端子和OP 端子短接選擇采用內部24 V電源，DI1端子為變頻器的數字量輸入端子，與com端子短接時可啟動風機運轉。同理，SB3、SB5按鈕分別控制排風風機變頻器2和引風風機變頻器3。由于變頻器的啟動方式為端子啟動和RS485 通訊控制相結合，在上位機軟件的操作界面上設置好變頻器頻率可使風機啟動運轉。待風機運行后按下啟動按鈕SB0，等待片刻，繼電器KA4 通電，常開觸點KA4 閉合，燃氣總電磁閥開啟。同時分支管道點火裝置啟動，可燃氣體從各分支管道進入燒嘴完成點火。此外，在按下SB0 按鈕時若未提前開啟排風風機，PLC 中程序設定在3 s后自動接通繼電器KA2，其作用是在點火前提早開啟排風風機，使爐內積存的可燃混合物充分排空，防止發生爆燃。

圖2 控制系統接線Fig.2 Control system wiring diagram

2.3 測量反饋系統的設計

測量反饋系統由巡檢儀、熱電偶、壓差變送器、孔板流量計組成，主要對試驗過程中的溫度、壓力、氣體流量等數據進行實時測量與調節，系統結構如圖3所示。

圖3 測量反饋系統結構Fig.3 Structure diagram of measurement feedback system

采用XJY-160 型巡檢儀，具有24 位A/D 轉換器，每路巡檢通道采樣時間50 ms，與上位機PC 通過RS485 通訊。支持MODBUS_RTU 協議，溫度、壓力等數據傳入上位機后可在軟件中讀取顯示。

點火裝置給試驗爐提供高溫，為使爐內溫度便于觀測和控制，采用溫度傳感器對試驗爐內的溫度進行測量。根據電子元件特性不同，溫度傳感器可分為熱電阻和熱電偶兩種類型。熱電偶與熱電阻相比具有耐熱、耐腐蝕、耐氧化等優點，結合實際情況選擇S 型鉑銠熱電偶，其測溫范圍在0～1 600 ℃，滿足系統要求。熱電偶與巡檢儀相連，可以將溫度轉化為電動勢并通過其傳送到上位機PC。

壓差變送器可以對試驗爐內、閥門前后等位置的壓力進行測量，壓差變送器與巡檢儀相連可將壓差轉化為電信號并通過巡檢儀傳送到上位機PC。孔板流量計用于測量連接通道內的氣體流量，其本質是測量孔板前后的壓差并進行計算。因此，孔板流量計需與壓差變送器配合使用。氣體流量計算公式為：

式（1）～（3）中：Qm為質量流量，kg/s；QV為體積流量，m3/s；C為流出系數；ε為膨脹系數；S為節流孔截面積，m2；Δp為壓差變送器輸出孔板前后壓差，Pa；ρ為被測流體密度，kg/m3；D為工況下上游管道內徑，mm；d為工況下節流孔直徑，mm；β為直徑之比。

2.3.1 溫度的測量

標準GB/T 9978.1-2008 對排煙防火閥門試驗過程中的溫度控制有明確要求[2]，升溫條件需要滿足標準升溫曲線方程：

式中：T0為升溫前爐內溫度，℃；T為t時刻爐內溫度，℃；t為試驗時間，min。

測量與反饋系統以試驗爐內部空間作為被控對象，爐內的溫度為系統的被控量。要使爐內溫度時刻穩定至給定量以符合標準升溫曲線，必須將熱電偶檢測到的爐內溫度數據轉化為電信號作為反饋，通過巡檢儀的RS485 串口轉RS232 串口傳入上位機，上位機軟件獲取數據后與目標溫度電信號（即給定量）做比較并得出誤差，通過控制器的PID 調節輸出，控制變頻器的輸出頻率（即調整風機轉速），以達到控制爐內溫度的目的[3]。若溫度高于目標溫度，則變頻器輸出頻率降低，鼓風量減少；反之輸出頻率升高，鼓風量增加[4]。

2.3.2 遺傳算法GA-PID對溫度的調節

在實際溫度控制中，系統的參數往往無法精準設計與計算，很多場合下PID 參數由經驗代入、對比、尋優的方式得出。增大比例系數Kp可提高系統的響應速度但使系統產生超調；增大積分時間Ti可減小超調但減慢系統消除靜差的速度；增大微分時間Td可提高系統響應速度并減小超調但難以抑制干擾。控制器若使用傳統PID調節控制爐內溫度，則系統超調量大、響應速度慢且動態性能差，控制效果不佳[5-6]。

遺傳算法是優化設計中仿照生物進化遺傳規律而形成的搜索方法，其通過編碼組成初始群體，按照群體中個體對環境的適應度進行選擇、交叉和變異，從而實現優勝劣汰。遺傳算法可使群體不斷優化并逼近最優解[7]。

基于遺傳算法對PID 參數進行調節（即GA-PID 控制），是對控制器P、I、D 參數使用二進制編碼構成染色體基因型，產生初始種群，計算種群中個體的適應度值。若適應度為最優值，則輸出最優PID 參數，此時系統性能指標最優；若適應度非最優值，則進行選擇、交叉、變異3 種遺傳操作產生新一代群體，通過不斷搜索得到最優適應度值。GA-PID溫度控制原理圖如圖4所示。

圖4 GA-PID溫度控制原理Fig.4 GA-PID temperature control schematic diagram

對溫度的控制受溫度場影響具有滯后性，系統傳遞函數如下：

式中：K為增益系數；T為采樣時間。

溫度優化模型的目標函數如下：

式中：Z為系統性能；e（t）為系統偏差；u（t）為控制量；os為超調量；tu為滯后時間；α1、α2、α3、α4為權重系數。

設定初始種群規模為50，即群體由50 個個體組成，每個個體隨機產生。進化繁殖50 代，變異概率為0.3。權重系數α1、α2、α3、α4分別為0.9、0.1、0.7、0.3。代入相關系數，在單位階躍信號下進行GA-PID 控制仿真并與傳統PID控制相比較，結果如圖5所示。

圖5 MATLAB仿真對比Fig.5 MATLAB simulation comparison diagram

從仿真結果可知：傳統PID 控制下，系統到達穩定狀態時穩態誤差較大、系統超調量為8%、調節時間為0.243 s；在GA-PID 控制下，穩態誤差較小、系統超調量為1%、調整時間為0.163 s，振幅曲線平滑上升并趨于平緩。GA-PID 控制與傳統PID 調節相比，調節精度更高、魯棒性更優。

2.3.3 壓力的測量與調節

根據標準要求，試驗開始10 min 后壓力值應穩定在（17±3）Pa。上位機接收到壓差信號后進行計算，輸出并控制排煙風機變頻器的頻率，改變排風量從而使爐內壓力保持穩定。壓力控制原理如圖6所示。

圖6 壓力控制原理Fig.6 Pressure control schematic diagram

2.4 操作界面設計

上位機耐火試驗軟件基于Windows 環境下的VB6.0程序設計語言開發，軟件的主要功能是實現數據的采集與監視。

軟件操作界面實時顯示溫度和壓力數據，檢驗人員可隨時查看試驗過程中的數據并進行相應調控。軟件可將接收到的溫度數據和閥門環境溫度下的漏風量數據繪制成動態曲線圖，使檢驗人員能夠直觀查看，交互性能優良。圖7 所示為進行耐火試驗過程中的操作界面。由圖可知，操作界面可實時顯示溫度、壓力、流量等數據，點擊按鈕可以執行相應的操作。如點擊“開始試驗”按鈕，時鐘計時并開始采集數據，試驗結束后，點擊“導出數據”按鈕，可將所有試驗數據導出至Excel報表，方便檢驗人員對數據的記錄與集中管理[8]。

圖7 上位機操作界面Fig.7 Upper computer operation interface

由于數據傳輸方式為半雙工通信，巡檢儀無法主動向上位機發送數據，必須遵循“主機發送、從機應答”的原則，即上位機向巡檢儀發送讀指令，巡檢儀接收并返回數據。在MODBUS_RTU 通訊協議下，上位機發送數據的幀結構由從機地址、功能碼、寄存器地址、寄存器數量、CRC 校驗碼五部分組成。巡檢儀應答的幀結構由從機地址、功能碼、字節數、返回數據、CRC 校驗碼五部分組成。

以采集1 號巡檢儀通道1～3 中熱電偶測量的溫度信號為例。1 號巡檢儀地址為0x01，讀取多個寄存器中溫度數據的功能碼為0x03，通道1 寄存器地址為0x0800，需要讀出3 個通道的數據，因此寄存器數量為0x0003。采用16位MODBUS 算法進行校驗可得CRC 高位為0xAB，低位為0x07。幀與幀之間以4 個字符時間為間隔，從而辨識一幀連續數據是否完成傳送，上位機發送幀如下：

注：上述數據均為16進制數，省略前面0x

應答幀結構中的字節數是發送幀結構中寄存器數量的兩倍，返回數據則是熱電偶采集的溫度信號，巡檢儀應答幀如下：

在VB 軟件中數據的通訊使用MSComm 串口通訊控件完成，上位機軟件獲取數據并將其轉化為十進制格式便于檢驗人員查看。

3 系統的試驗與分析

3.1 環境溫度下的漏風量試驗

利用此耐火試驗系統進行排煙防火閥門的漏風量試驗。選擇型號為WSDc-K-1000×800 的防火閥，將處于關閉狀態的防火閥安裝在連接管道上，閥門入口使用不滲漏材料密封[9]。啟動引風機并調節風機轉速，使閥門前后靜壓穩定保持在300±15 Pa。測量孔板前后壓差、孔板前壓差及連接管道內氣體溫度，每隔1 min記錄1 次數據并連續記錄3 次。通過相關公式計算并取平均值后即可得到系統的漏風量。防火閥漏風量試驗如圖8 所示。

圖8 防火閥試驗Fig.8 Fire damper test drawing

環境溫度下的漏風量試驗與系統漏風量相似，拆卸閥門入口的不滲漏密封材料，使閥門前后靜壓穩定保持在300±15 Pa，記錄上述數據，通過公式計算可得到環境溫度下的漏風量，試驗結果如圖9 所示。由圖可知系統漏風量為13.12 m3/h，環境溫度下的漏風量為401.06 m3/(m2·h)。

圖9 漏風量試驗結果Fig.9 Air leakage test diagram

3.2 耐火性能試驗

將上述尺寸為1 000 mm×800 mm 的閥門安裝在管道上并開啟，調節引風風機使管道內氣體流量穩定保持為540 m3/(m2·h)。耐火試驗系統點火，控制爐內溫度變化與升溫曲線保持相符，記錄閥門關閉的時間（即溫感器動作的時間）。閥門關閉后，調節引風風機使其前后壓差穩定保持在300±15 Pa 直至試驗結束。閥門耐火試驗時長為90 min，間隔3 s記錄一次試驗數據可將其繪制成漏煙量曲線[10-13]。

在標準所列出的常用閥門規格中，閥門的高度范圍為120～2 000 mm，寬度范圍為120～1 250 mm。為驗證在實際試驗中此耐火試驗系統的溫度與壓力是否滿足標準要求，根據防火閥門形狀、尺寸的不同設計8組試驗，8組閥門的尺寸分別為300 mm×200 mm、630 mm×630 mm、800 mm×300 mm、1 000 mm×800 mm、1 250 mm×320 mm、2 000 mm×1 000 mm、2 500 mm×1 250 mm、?1 300 mm。8組閥門耐火試驗溫度曲線如圖10所示。

圖10 8組爐內溫升曲線Fig.10 Temperature rise curve in 8 groups of furnaces

耐火試驗數據量大，僅列舉每組閥門在90 min 耐火試驗中達到最大漏煙量時刻的數據。Δp表示閥門前后壓差、p爐表示爐內平均壓力、Qmax表示耐火試驗氣體流量、Dmax表示閥門單位面積漏煙量，記錄試驗數據如表1 所示。

表1 8組閥門耐火試驗數據Tab.1 Fire resistance test data of 8 groups of valves

3.3 系統性能分析

（1）通過環境溫度下的漏風量試驗可知，系統漏風量13.12 m3/h ＜25 m3/h；環境溫度下的漏風量401.06 m3/(m2·h)＜500 m3/(m2·h)，符合標準要求，耐火試驗系統可對閥門進行漏風量試驗且測量結果準確。

（2）由圖10 反映的8 組不同規格尺寸的閥門試驗溫度曲線圖可知，實際升溫曲線與標準升溫曲線的擬 合 度 分 別 為0.975、0.979、0.964、0.959、0.968、0.972、0.969、0.959，擬合度高，系統可對溫度進行穩定控制。

（3）由表1 中數據可知，耐火試驗時閥門前后壓差保持在294～307 Pa，爐內壓力保持在15～22 Pa，滿足標準要求，試驗系統可對壓力進行穩定的調節。

4 結束語

本文設計并搭建排煙防火閥門耐火試驗系統進行環境溫度下的漏風量和耐火性能試驗，采用遺傳算法結合PID 控制對系統的兩個關鍵因素溫度與壓力進行優化，確定系統在實際檢驗場合中對溫度與壓力的穩定控制。通過對8 組不同形狀、尺寸的閥門進行試驗，結果表明，系統實際溫度曲線與標準曲線擬合范圍在0.96～0.98 之間，擬合度高；壓力保持在15～22 Pa 之間，達到標準規定的要求。試驗結果驗證了系統的可靠性和穩定性，設計的耐火試驗系統對排煙防火閥門的檢驗具有實際的意義。