一種新型的外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓性能檢測(cè)裝置研制

劉會(huì)華

（中國(guó)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(lái)越重要的地位。但近年來(lái)，外墻外保溫系統(tǒng)大面積開(kāi)裂、脫落導(dǎo)致車(chē)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(mén)和行業(yè)人士的高度重視。經(jīng)過(guò)對(duì)事故原因進(jìn)行分析，風(fēng)壓對(duì)外墻外保溫的影響特別是負(fù)風(fēng)壓的作用是一個(gè)重要因素。基于以上因素并結(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(cè)設(shè)備主要用于檢測(cè)外墻外保溫系統(tǒng)在脈動(dòng)負(fù)風(fēng)壓作用下是否發(fā)生開(kāi)裂、松動(dòng)、脫落等現(xiàn)象。

目前使用的設(shè)備是基于供壓風(fēng)機(jī)滿(mǎn)功率運(yùn)行，壓力的調(diào)節(jié)通過(guò)改變閥門(mén)的開(kāi)度實(shí)現(xiàn)，壓力脈沖由波動(dòng)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(duì)以上設(shè)備存在問(wèn)題，設(shè)計(jì)了以嵌入測(cè)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(dòng)閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)壓力脈沖波形，測(cè)控軟件基于 Visual Basic 6.0 語(yǔ)言［4］編寫(xiě)，主要實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的自動(dòng)控制、檢測(cè)數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理等功能。本測(cè)控系統(tǒng)運(yùn)行功耗低，壓力控制快速穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，軟件界面美觀(guān)友好，功能齊全。

1 測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)工作原理

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

圖1 檢測(cè)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(shí)時(shí)靜壓箱體壓力信號(hào)。由壓力設(shè)定值、壓力實(shí)測(cè)值、變頻調(diào)速器、被控對(duì)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(duì)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(cè)控系統(tǒng)由上位機(jī)和下位機(jī)組成，上位機(jī)選用一臺(tái)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(chǎng)信號(hào)的傳感器、對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行采集與處理的 PCI 總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集卡（裝于工業(yè)控制電腦中）、執(zhí)行電路、動(dòng)力系統(tǒng)和控制閥門(mén)等組成。測(cè)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(kāi)發(fā)，主要包括界面設(shè)計(jì)、通信設(shè)計(jì)、算法設(shè)計(jì)和功能設(shè)計(jì)等。主要界面有檢測(cè)條件設(shè)定、抗風(fēng)壓檢測(cè)、報(bào)告生成、傳感器標(biāo)定、用戶(hù)管理等界面。將 PID 控制算法寫(xiě)成專(zhuān)用函數(shù)，存于公用模塊中，在軟件中壓力控制時(shí)方便調(diào)用。下位機(jī)以 PCI 總線(xiàn)數(shù)據(jù)采集控制卡為核心控制器，采集控制帶有動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件和進(jìn)行模擬量讀寫(xiě)，數(shù)字量讀寫(xiě)的函數(shù)，測(cè)控軟件可通過(guò)調(diào)用相應(yīng)的函數(shù)實(shí)現(xiàn)讀取傳感器信號(hào)，控制執(zhí)行結(jié)構(gòu)動(dòng)作等。上位機(jī)與下位機(jī)之間通過(guò) PCI 總線(xiàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)信息交流。

1.3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(duì)壓力傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理；并把計(jì)算機(jī)發(fā)出的控制信號(hào)鎖存后供執(zhí)行電路使用。

AMPCI-9115D 板是 PCI 總線(xiàn)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(gè)人微機(jī)，構(gòu)成模擬量電壓信號(hào)、數(shù)字量電壓信號(hào)采集、監(jiān)視輸入和模擬量電壓信號(hào)輸出、數(shù)字量電壓信號(hào)輸出及計(jì)數(shù)定時(shí)系統(tǒng)（見(jiàn)圖 3）。

圖3 采集卡接線(xiàn)示意圖

AMPCI-9115D 板為用戶(hù)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(hào)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(hào)輸出，輸出電壓范圍±10 V，可通過(guò)板卡上的跳線(xiàn)開(kāi)關(guān)實(shí)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(jì)數(shù)定時(shí)通道（一片 82C54），基準(zhǔn)時(shí)鐘4 MHz，其通道 0 可構(gòu)成脈沖計(jì)數(shù)、頻率測(cè)量、脈沖信號(hào)發(fā)生器等電路。

對(duì) AMPCI-9115 板的所有讀寫(xiě)操作均為 16Bit 即D15～D00，當(dāng)對(duì) 82C54 進(jìn)行讀寫(xiě)時(shí)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(cè)定負(fù)壓箱內(nèi)的實(shí)際壓力，其將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成 0～5 V 的模擬信號(hào)，經(jīng)采集卡進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換結(jié)果送入計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理。KYB14 型差壓變送器選用美國(guó)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(hào)轉(zhuǎn)成 0～5 VDC標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)。該傳感器具有測(cè)量范圍廣、抗干擾能力強(qiáng)、輸出信號(hào)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(xiàn)圖如圖 5 所示。

圖4 壓力傳感器

1.3.3 動(dòng)力系統(tǒng)

動(dòng)力由 2 臺(tái) GDC-1 系列離心式風(fēng)機(jī)和 2 臺(tái)惠豐F1500P 型風(fēng)機(jī)專(zhuān)用變頻器構(gòu)成。

1）風(fēng)機(jī)選型。由風(fēng)機(jī)手冊(cè)［5］可知，同型號(hào)的風(fēng)機(jī)并聯(lián)后的全壓不是不變，是略增。同型號(hào)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(tái)的兩倍，在阻力較大的管路上風(fēng)量增加很少。不同型號(hào)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(hào)的風(fēng)機(jī)串聯(lián)后的風(fēng)量不是不變，是略增。同型號(hào)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_(tái)的兩倍，在風(fēng)量較大的管路上壓力增加很少。不同型號(hào)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(tái)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(tái)同型號(hào)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(lèi)負(fù)載多是根據(jù)滿(mǎn)負(fù)荷工作需用量來(lái)選型，實(shí)際應(yīng)用中大部分時(shí)間并非工作于滿(mǎn)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(kāi)/停機(jī)時(shí)間，來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，同時(shí)大電機(jī)在工頻狀態(tài)下頻繁開(kāi)/停比較困難，電力沖擊較大，勢(shì)必造成電能損耗和開(kāi)/停機(jī)時(shí)的電流沖擊。采用變頻器直接控制風(fēng)機(jī)類(lèi)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(shí)，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(shí)也可以實(shí)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(shí)現(xiàn)大型電動(dòng)機(jī)的軟停、軟起，避免了啟動(dòng)時(shí)的電壓沖擊，減少電動(dòng)機(jī)故障率，延長(zhǎng)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(duì)環(huán)境的影響，具有過(guò)載、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓、電源缺相等自動(dòng)保護(hù)功能及聲光報(bào)警功能，同時(shí)也降低了對(duì)電網(wǎng)的容量要求和無(wú)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(mén)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(tái)惠豐 F1500-P 型風(fēng)機(jī)水泵專(zhuān)用變頻器來(lái)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(xiàn)如圖 7 所示。

圖7 變頻器接線(xiàn)示意圖

1.3.4 數(shù)據(jù)采集與控制設(shè)計(jì)

1） 對(duì)檢測(cè)信號(hào)的采樣。外墻外保溫抗風(fēng)壓檢測(cè)設(shè)備測(cè)控系統(tǒng)主要對(duì)壓力箱氣壓信號(hào)進(jìn)行采集處理。壓力箱壓力信號(hào)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(jì)算機(jī)將此信號(hào)轉(zhuǎn)換為實(shí)際的壓力值，數(shù)據(jù)采集板直接插入計(jì)算機(jī)的 PCI 插槽，具有較高的采集速度和精度。信號(hào)采集基本框圖如圖 8 所示。

圖8 信號(hào)采集基本框圖

2）對(duì)給定氣壓的自動(dòng)控制。按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，檢測(cè)中有多個(gè)壓力級(jí)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(jí)壓力，通過(guò)切換氣動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)中要求的加壓速度，調(diào)節(jié)電動(dòng)閥門(mén)的開(kāi)啟角度實(shí)現(xiàn)每級(jí)壓力回零的時(shí)間。整個(gè)檢測(cè)過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制 AMPCI-9115D 數(shù)據(jù)采集控制卡自動(dòng)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(hào)，而相應(yīng)的采集卡輸出數(shù)字控制量進(jìn)行其他閥門(mén)的開(kāi)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(duì)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(dòng)截至閥 A 控制數(shù)字量輸出 D14 氣動(dòng)截止閥 B 控制數(shù)字量輸出 D13 漏氣閥開(kāi)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(duì)應(yīng)給定氣壓的控制信號(hào)至執(zhí)行電路，打開(kāi)氣動(dòng)截止閥 A，關(guān)閉氣動(dòng)截止閥 B，關(guān)閉漏氣閥，等各閥門(mén)開(kāi)啟或關(guān)閉到位后（通過(guò)軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)），將風(fēng)機(jī) A 或風(fēng)機(jī) B 調(diào)到與之對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速（在 7 000 Pa 以下的級(jí)別，可使用一臺(tái)風(fēng)機(jī)，以達(dá)到節(jié)能的目的）；第 2 步，在升壓過(guò)程中，從壓力傳感器取出實(shí)際氣壓信號(hào)，與給定氣壓信號(hào)進(jìn)行比較；第 3 步，根據(jù)比較所得差值發(fā)送控制信號(hào)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(shí)際氣壓與給定氣壓相符。第 5 步，關(guān)閉氣動(dòng)截止閥 A，打開(kāi)氣動(dòng)截止閥 B，調(diào)節(jié)漏氣閥的開(kāi)啟角度達(dá)到壓力回零時(shí)間，至此完成一個(gè)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(cè)控軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

Visual Basic（簡(jiǎn)稱(chēng) VB）是 Microsoft 公司開(kāi)發(fā)的一種通用的基于對(duì)象的程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，為結(jié)構(gòu)化的、模塊化的、面向?qū)ο蟮摹瑓f(xié)助開(kāi)發(fā)環(huán)境的事件驅(qū)動(dòng)為機(jī)制的可視化程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言。Visual Basic 源自于BASIC 編程語(yǔ)言。VB 擁有圖形用戶(hù)界面（GUI）和快速應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)（RAD）系統(tǒng)，可以輕易地使用 DAO、RDO、ADO 連接數(shù)據(jù)庫(kù)，或者輕松地創(chuàng)建 Active X 控件，用于高效生成類(lèi)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(gè)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(tái)對(duì)上位機(jī)測(cè)控軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)，為用戶(hù)提供友好的交互界面，方便實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的自動(dòng)控制和數(shù)據(jù)分析。

測(cè)控軟件部分主要實(shí)現(xiàn)外圍設(shè)備的自動(dòng)控制、檢測(cè)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(cè)窗口、檢測(cè)設(shè)定窗口、狀態(tài)欄、結(jié)果評(píng)定窗口等組成，其操作簡(jiǎn)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(cè)過(guò)程需處理的數(shù)據(jù)量較大，并且需要進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，測(cè)試軟件系統(tǒng)應(yīng)包括檢測(cè)設(shè)定、抗風(fēng)壓檢測(cè)、報(bào)告和記錄、傳感器標(biāo)定、系統(tǒng)設(shè)置等幾部分。

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

2） 抗風(fēng)壓檢測(cè)模塊。用于外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓能檢測(cè)過(guò)程控制。

3） 報(bào)告和記錄模塊。進(jìn)行檢測(cè)結(jié)果后期處理，從檢測(cè)程序數(shù)據(jù)庫(kù)中選取所需數(shù)據(jù)、自動(dòng)進(jìn)行綜合處理，得到該組試件檢測(cè)結(jié)果并可打印出檢測(cè)報(bào)告和記錄。

4） 傳感器標(biāo)定模塊。用于傳感器標(biāo)定時(shí)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(yǔ)

本文在對(duì)外墻外保溫系統(tǒng)抗風(fēng)壓性能檢測(cè)裝置工作原理和系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單介紹的基礎(chǔ)上。重點(diǎn)介紹了檢測(cè)裝置測(cè)控系統(tǒng)和軟件測(cè)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，利用變頻調(diào)壓和氣動(dòng)開(kāi)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(dòng)化程度低等缺點(diǎn)。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，該設(shè)備能夠精確滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)檢測(cè)壓力脈沖的升壓時(shí)間、卸壓時(shí)間和壓力偏差的要求。本檢測(cè)裝置已經(jīng)在一些廠(chǎng)家投入使用，使用結(jié)果表明，本系統(tǒng)具有操作簡(jiǎn)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