基于PLC和力控的建筑外门窗气密、水密、抗风压性能检测装置设计

郝瑞林，蔡国庆，周利杰，刘 辉，张欢灵

(1.沧州市工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市黄河西路49号 061001；2.河北省工业机械手控制与可靠性技术创新中心，河北省沧州市黄河西路49号 061001；3.河北水利电力学院机械工程系，河北省沧州市黄河西路49号 061001；4.中国铁路北京局集团有限公司天津工务段职教科，天津市河东区沈庄子大街2号 300010)

随着高层建筑的不断发展，极端恶劣天气频发，建筑外门窗的物理性能越来越受到公众的关注。建筑外门窗主要受力杆件由于结构设计或选材的不合理，在暴风雨或伴有台风的季节，雨水渗入室内造成内部装修层损坏时有发生，严重的会导致建筑外窗坠落而威胁人身财产的安全，建筑业主及客户对建筑外门窗质量问题的投诉也越来越多[1]。建筑外门窗的物理性能主要包括气密性、水密性和抗风压性能，以下简称“三性”。这“三性”是门窗的主要物理属性，并构成评估门窗性能和效果的关键内容[2]。建筑外门窗的“三性”与建筑性能、质量，特别是室内环境的营造效果直接相关，因此在投入使用前对其展开严格、准确的“三性”检测极为必要[3]。针对建筑外门窗“三性”检测需求，国家对《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能检测方法》标准进行了更新，由GB/T 7106-2019代替GB/T 7106-2008。新标准对检测方法进行了多处修改，已于2019年12月20日发布，并于2020年11月1日开始实施。目前，全国各地建筑项目急需外门窗“三性”检测装置对工程所用产品进行检测鉴定，但市面上所有2008年标准检测装置须全部淘汰，仅有个别检测公司安装了依据2019年新标准设计的门窗“三性”检测装置，数量非常少，远远不能满足市场对“三性”检测装置的需求。因此，国内对新标准门窗“三性”检测装置的需求非常迫切。

本文根据《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能检测方法》GB/T 7106-2019和《建筑幕墙、门窗通知技术条件》GB/T 31433-2015进行检测装置的设计，参考了文献[4]～[9]，最终采用200SMART系列西门子PLC作为下位机，搭配变频器和位移、气压等传感器，控制风机、气缸等功能部件，以力控软件作为平台开发上位机系统，可实现参数设定、气密性定级检测、气密性工程检测、水密性定级检测、水密性工程检测、抗风压性能定级检测、抗风压性能工程检测等功能。

1 装置结构

检测装置由压力箱、空气收集箱、试件、安装框架、供压装置、淋水装置及测量装置组成[10]。检测装置的构成如图1所示。空气收集箱与压力箱连接时密封性能良好，其深度宜为500mm～800mm。整体框架安装牢固，不易产生倾斜及变形。

1-压力箱;2-淋水装置;3-进气口挡板;4-压力控制装置;5-供风设备;6-水流量计;7-差压测量装置;8-安装框架;9-空气流量测量装置;10-门窗试件;11-空气收集箱;12-密封条;13-位移测量装置;14-封板图1 检测装置示意图Fig.1 Schematic diagram of detection device

2 控制要求

2.1 检测顺序

2.2 气密性能检测

2.2.1 气密性能检测步骤

定级检测时，检测加压顺序如图2所示。

工程检测时，检测压力应根据工程设计要求的压力进行加压，检测加压顺序如图3所示。

图2 定级检测气密性能加压顺序示意图Fig.2 Schematic diagram of pressurization sequence for grading test air tightness

图3 工程检测气密性能加压顺序示意图Fig.3 Schematic diagram of pressurization sequence for engineering test air tightness

2.2.2 预备加压

定级检测时压力差绝对值为500Pa，加载速度约为100Pa/s，压力稳定作用时间为3s，泄压时间不少于1s。工程检测时压力差绝对值取风荷载标准值的10%和500Pa二者的较大值，加载速度约为100Pa/s，压力稳定作用时间为3s，泄压时间不少于1s。

2.2.3 定级检测数据处理

门窗试件采取密封措施后测出的空气渗透量为附加空气渗透量，去除密封措施后测出的空气渗透量为总空气渗透量。其计算方法一致

q=3600vs

(1)

式中，q——空气渗透量(m3/h)；

v——管道风速(m/s)；

s——管道截面积(m2)；

然后，计算试件本身在10Pa、30Pa、50Pa等压力差下的空气渗透量qt，

(2)

式中，qt——试件空气渗透量(m3/h)；

将换算成标准状态下各压力差渗透量值

(3)

式中，qΔp——标准状态下的各压力差渗透量(m3/h)；

P——试验室气压值(kPa)；

T——试验室空气温度值(K)；

根据(4)式，回归计算出k和c，并按(5)式计算出在10Pa压力差下的空气渗透量q′

qΔp=k(Δp)c

(4)

q′=k·10c

(5)

式中，k——拟合系数；

c——缝隙渗透系数；

Δp——压力差(Pa)；

计算10Pa压力差下，单位开启缝长空气渗透量值q1和单位面积空气渗透量值q2

(6)

(7)

式中，l——开启缝长(m)；

A——试件面积(m2)；

取3樘试件±q1或±q2的最不利值，依据GB/T 31433确定各自所属等级，取不利级别为该组试件所属等级。正、负压分别定级。

2.2.4 工程检测数据处理

工程检测的计算相对定级检测要简单，在设计压力差下，空气渗透量按(8)式计算

qt=q2-qf

(8)

式中，q2——总空气渗透量测定值(m3/h)；

qf——附加空气渗透量测定值(m3/h)。

按式(3)、(6)、(7)式计算试件在该设计压力差下的单位开启缝长空气渗透量q1和单位面积空气渗透量q2。3樘试件正、负压按照单位开启缝长和单位面积的空气渗透量均应满足工程设计要求，否则判定不满足工程设计要求。

3 控制装置工作原理

该装置最主要的控制对象是气压差。给定预期风机供电频率，可调整风机转速，将压力箱内气压差值作为反馈，经过非线性变换与预期风机频率作比较，形成负反馈，最终得到目标气压差。该自动控制系统原理图如图4所示。

图4 风机频率控制原理图Fig.4 Schematic diagram of fan frequency control

控制装置由PLC下位机和基于力控平台的上位机软件组成。下位机中，PLC与变频器、位移传感器、气压传感器等设备相连接，通过程序控制风机、气缸等设备；上位机中，以力控软件作为平台开发上位机系统，进行数据采集、存储、绘制曲线等功能。

4 下位机设计

4.1 硬件

根据标准要求，检测装置需要的模拟输入量(6个)分别是大量程风压值、小量程风压值、管道风速值和3个位移量，模拟输出量(1个)是控制变频器输出频率变化的0～10V电压，数字输入量(2个)包括启动、停止，数字输出量(3个)包括报警灯、风向换向阀和喷淋阀。

经过计算，选用西门子200SMART系列ST20型号的PLC作控制系统的控制器，含12个数字输入和8个数字输出接口，再搭配EM扩展模块AE04、AM03，可实现6个模拟输入量和1个模拟输出量的控制，满足检测装置的需求。

风机选用额定功率18.5kW的三相风机，匹配21kW的变频器控制风机，输出不同风速。风速传感器选择E+E品牌EE650传感器，可测出管道内风速，用来计算空气渗透量。3个位移传感器选择米朗牌3～100mm量程传感器，可测量门窗3个位置的形变位移，用来计算抗风压性能。风压值传感器选择华控差压传感器，由于测量跨度较大，需要2个量程(±200Pa和±10kPa)的传感器，以便精确测量风压值。硬件原理图如图5所示。

图5 硬件原理图Fig.5 Hardware schematic diagram

根据原理图及西门子200SMART系列接线方法，控制装置硬件接线图如图6所示。

图6 硬件接线图Fig.6 Hardware wiring diagram

4.2 软件

PLC软件设计与上位机界面设计综合考虑，下位机程序主要控制I/O信号及读写功能，而上位机程序主要负责数据存储、人机交互、曲线绘制和表格输出等功能。以气密性定级检测为例，控制流程如图7所示。

图7 气密性定级检测流程图Fig.7 Flow chart of air tightness grading test

在正、负加压记录渗透量之前，需要预备加压3次，先记录附加空气渗透量，再记录总空气渗透量，之后按照(1)～(7)式计算±q1、±q2值，取3樘试件的最不利值，依据GB/T 31433确定试件等级。

5 上位机设计

5.1 界面规划

上位机以力控组态软件为平台开发，设计了通用参数设置、气密检测设置、气密检测、水密检测设置、水密检测等10个界面，与PLC、传感器和变频器配合，实现对风机、气缸、喷淋阀等设备的控制，对管道风速、变形位移等变量进行实时监测并记录。每樘门窗试件都有相应编号，每次试验都有相应名称及编号，通过对记录数据的处理，最后得出门窗试件的检测报告。

5.2 通用参数设置

检验参数设置界面中，需要用户输入委托单位、地址、电话、送样日期、生产单位等信息，以备检测报告使用，如图8所示。

图8 通用参数设置界面Fig.8 General parameter setting interface

5.3 气密检测

在气密参数设置界面中，需要提前设置好当前空气温度、气压、试件面积、开启缝长等值，以备计算使用；如果是工程检测，还需要设置工程检测设计值。然后可进行气密性能检测，分为定级检测和工程检测，附加空气渗透量和总空气渗透量分开检测并记录，按照标准进行数据处理，最后得到正压和负压作用下的单位开启缝长空气渗透量q1和单位面积空气渗透量q2，依据标准GB/T 31433判定门窗级别。

图9 气密检测界面Fig.9 Air tightness detection interface

5.4 水密检测

水密检测中，工程所在地为热带风暴和台风地区的工程检测，采用波动加压法；定级检测和工程所在地为非热带风暴和台风地区的工程检测，采用稳定加压法。在加压的同时会对门窗试件进行均匀地淋水，淋水量大小依据标准给定。在试验期间如发生渗漏，记录渗漏部位及当时压差。

图10 水密检测界面Fig.10 Water tightness detection interface

5.5 抗风压定级检测

抗风压定级检测也需要预备加压、正负加压和逐级加压，和气密性能检测相似，只是逐级加压的量不同，变成了250Pa。另外，还要进行反复加压检测P2和风荷载标准值检测±P3和风荷载设计值±Pmax检测，压差较大，风力足以损坏质量较差的门窗。依据标准，对于单扇平开窗(门)需要测量2处变形位移，但对于其他门窗需要测量3处变形位移，而且计算面法线挠度的算法也不同。具体按钮和记录结果等功能实现界面，如图11所示。

图11 抗风压定级检测界面Fig.11 Wind pressure resistant grading detection interface

5.6 抗风压工程检测

图12 抗风压工程检测界面Fig.12 Wind pressure resistant engineering detection interface

6 试验

将PLC、变频器、风机等硬件连接好，变频器接收0～10V电压控制0～50Hz风机频率，进而控制压差大小。将控制设备与压力箱安装好后，将门窗试件安装好，进行试运行。装置整体概况如图13所示。

图13 装置整体概况Fig.13 Overall overview of the device

将上位机设置好通用参数后，调至气密检测界面，按照定级检测步骤运行，可测得数据如表1所示。

表1 气密定级检测数据(单位：m3/h)

经计算，正压时，单位开启缝长空气渗透量为45.31m3/h，单位面积空气渗透量为25.17m3/h，系数k为10.651，系数c为0.407；负压时，单位开启缝长空气渗透量为42.33m3/h，单位面积空气渗透量为23.52m3/h，系数k为11.138，系数c为0.358。

切换至门窗抗风压定级检测界面，按照步骤进行检测，可得分级检测数据如表2如示。

表2 抗风压定级检测正压数据(单位：mm)Tab.2 Positive pressure data of anti wind pressure grading detection(unit：mm)

在完成气密、水密、抗风压性能检测后，根据同一批次3樘门窗最不利的数据对门窗进行定级或工程合格评价，最后输出检测报告，作为门窗质量依据。

7 结论

试验结果证明，基于PLC和力控组态软件的检测装置技术方案可行，能按照GB/T 7106-2019实现对建筑外门窗的气密、水密、抗风压性能进行检测。检测装置可根据设定的压差使PLC输出一定的电压V1，变频器根据V1大小输出相应频率供风机转动。通过气压传感器感知的压差，来调整PLC输出的电压值，闭环控制压差。检测装置可对门窗的气密、水密、抗风压性能进行定级检测和工程检测，能够按照步骤检测，记录压差、位移、损坏位置等数据，符合标准要求。

本文创新点是目前市面上建筑外门窗“三性”检测装置普遍基于数据采集卡及VC++语言编写，在可靠性和实用性上略有欠缺，且大部分仍按2008年标准制作，在实际检测中必须淘汰。本文完全遵照2019年新标准设计，气密、水密、抗风压性能检测的流程、步骤符合2019标准要求，数据可靠、准确，实现实时显示曲线、历史调用数据，生成检测报告，为“三性”检测装置市场增添了一种可行性方案。但在运行过程中，装置也存在一些不足，比如标准中描述了预备加压要在一定时间内完成，装置只进行粗略控制，并未准确到秒控制；还有一些控制细节不够完善，计划在今后的研究过程中进行完善升级。