一种新型的外墙外保温系统抗风压性能检测装置研制

刘会华

（中国建筑科学研究院有限公司，北京 100013）

0 引言

随着节约能源与环保要求的不断提高，产业用建筑围护结构用材料的保温技术也在日益加强，尤其是外墙外保温技术，在建筑节能技术中具有越来越重要的地位。但近年来，外墙外保温系统大面积开裂、脱落导致车辆损坏人员伤亡的事故不断发生，进而引起质量监管部门和行业人士的高度重视。经过对事故原因进行分析，风压对外墙外保温的影响特别是负风压的作用是一个重要因素。基于以上因素并结合相应标准规范［1-3］，研制了一种新型的外墙外保温抗风压性能检测设备主要用于检测外墙外保温系统在脉动负风压作用下是否发生开裂、松动、脱落等现象。

目前使用的设备是基于供压风机满功率运行，压力的调节通过改变阀门的开度实现，压力脉冲由波动阀调节。这种方式设备运行能耗大，压力控制精度低。针对以上设备存在问题，设计了以嵌入测控软件的工业控制电脑作为上位机，以 PCI 数据采集控制卡为下位机的核心控制器进行数据采集与处理的新系统。本系统采用变频调压技术调节压力上限，切换气动阀开关状态实现标准压力脉冲波形，测控软件基于 Visual Basic 6.0 语言［4］编写，主要实现外围设备的自动控制、检测数据采集、数据处理等功能。本测控系统运行功耗低，压力控制快速稳定，实验数据准确，软件界面美观友好，功能齐全。

1 测控系统设计

1.1 系统工作原理

通过调节供风系统从静压箱吸风，从而在被检测外墙外保温系统的两侧形成负压差，模拟脉动负风压对外墙外保温系统的影响，将差压传感器安装在检测装置的适当位置，用来测量静压箱内的风压。检测装置示意图如图 1 所示。

图1 检测装置示意图

本系统主要任务是控制静压箱体的压力，以及采集实时静压箱体压力信号。由压力设定值、压力实测值、变频调速器、被控对象（静压箱体压力）等形成闭环控制系统，采用 PID 控制算法对静压箱体的压力进行控制。

1.2 系统组成与功能

外墙外保温测控系统由上位机和下位机组成，上位机选用一台装有 Visual Basic 6.0 软件的工业控制电脑，下位机由感知现场信号的传感器、对现场信号进行采集与处理的 PCI 总线数据采集卡（装于工业控制电脑中）、执行电路、动力系统和控制阀门等组成。测控系统总体结构如图 2 所示。

上位机软件在 Visual Basic 6.0 环境下开发，主要包括界面设计、通信设计、算法设计和功能设计等。主要界面有检测条件设定、抗风压检测、报告生成、传感器标定、用户管理等界面。将 PID 控制算法写成专用函数，存于公用模块中，在软件中压力控制时方便调用。下位机以 PCI 总线数据采集控制卡为核心控制器，采集控制带有动态链接库文件和进行模拟量读写，数字量读写的函数，测控软件可通过调用相应的函数实现读取传感器信号，控制执行结构动作等。上位机与下位机之间通过 PCI 总线进行数据信息交流。

1.3 系统硬件设计

1.3.1 PCI 数据采集控制卡

采用 AMPCI-9115D 数据采集控制卡对压力传感器的输出信号进行 A/D 转换，转换结果送入计算机进行分析处理；并把计算机发出的控制信号锁存后供执行电路使用。

AMPCI-9115D 板是 PCI 总线通用数据采集控制板，该板可直接插入具备 PCI 插槽的工控机或个人微机，构成模拟量电压信号、数字量电压信号采集、监视输入和模拟量电压信号输出、数字量电压信号输出及计数定时系统（见图 3）。

图3 采集卡接线示意图

AMPCI-9115D 板为用户提供了 16 位单端 16 路/双端 8 路模拟量数据采集输入通道，输入信号电压范围±10 V；模拟量输入通道具有程控放大功能，放大倍数为 1/2/4/8 倍；2 路 12 Bit 模拟量电压信号输出，输出电压范围±10 V，可通过板卡上的跳线开关实现输出电压量程切换；16 BitTTL 数字量输入和 16 BitTTL 数字量输出；1 路 16 位计数定时通道（一片 82C54），基准时钟4 MHz，其通道 0 可构成脉冲计数、频率测量、脉冲信号发生器等电路。

对 AMPCI-9115 板的所有读写操作均为 16Bit 即D15～D00，当对 82C54 进行读写时只有 D07～D00 有效，同样 A/D 转换数据一次读入的为 B15～B00。

1.3.2 差压传感器

本系统选用量程 0～-15 kPa，精度 ±0.25 % 的KYB14 型差压变送器测定负压箱内的实际压力，其将压力信号转换成 0～5 V 的模拟信号，经采集卡进行 A/D 转换，转换结果送入计算机进行分析处理。KYB14 型差压变送器选用美国进口高精度、高稳定性芯片，并采用特殊铝合金表面处理技术和传感器应力隔离技术，经精密温度补偿及放大处理，将差压信号转成 0～5 VDC标准信号。该传感器具有测量范围广、抗干扰能力强、输出信号稳定结构精巧、安装方便高精度、高可靠性精密温度补偿等优点。其中差压传感器如图 4 所示，接线图如图 5 所示。

图4 压力传感器

1.3.3 动力系统

动力由 2 台 GDC-1 系列离心式风机和 2 台惠丰F1500P 型风机专用变频器构成。

1）风机选型。由风机手册［5］可知，同型号的风机并联后的全压不是不变，是略增。同型号的风机并联只有在阻力较小的管路上风量才有较多的增加，总风量小于一台的两倍，在阻力较大的管路上风量增加很少。不同型号的风机并联，并联的风量可能增加，也可能比其中风量较大的风机风量少一些。同型号的风机串联后的风量不是不变，是略增。同型号的风机串联只有在风量较小的管路上压力才有较多地增加，总全压小于一台的两倍，在风量较大的管路上压力增加很少。不同型号风机串联压力可能增加，可能减少。串联风量可能增加，也可能比其中一台风量较大的风机少。

因此，根据以上定性分析的结论以及系统要求，采用两台同型号的离心式风机串联使用为设备提供风压。风机串联如图 6 所示。

图6 风机串联示意图

2）变频器选型。风机类负载多是根据满负荷工作需用量来选型，实际应用中大部分时间并非工作于满负荷状态，由于交流电机调速很困难，常用挡风板、回流阀或开/停机时间，来调节风量，同时大电机在工频状态下频繁开/停比较困难，电力冲击较大，势必造成电能损耗和开/停机时的电流冲击。采用变频器直接控制风机类负载是一种最科学的控制方法，当电机在额定转速的 80 % 运行时，理论上其消耗的功率为额定功率的（80 %），即 51.2 %，去除机械损耗电机铜、铁损等影响，节能效率也接近 40 %，同时也可以实现闭环恒压控制，节能效率将进一步提高。由于变频器可实现大型电动机的软停、软起，避免了启动时的电压冲击，减少电动机故障率，延长使用寿命，电机将在低于额定转速的状态下运行，减少了噪声对环境的影响，具有过载、过压、过流、欠压、电源缺相等自动保护功能及声光报警功能，同时也降低了对电网的容量要求和无功损耗。为达到节能目的推广使用变频器已成为各地节能工作部门以及各单位节能工作的重点［6］。

综合以上因素，采用两台惠丰 F1500-P 型风机水泵专用变频器来调节风机转速，从而得到所需风压。变频器接线如图 7 所示。

图7 变频器接线示意图

1.3.4 数据采集与控制设计

1） 对检测信号的采样。外墙外保温抗风压检测设备测控系统主要对压力箱气压信号进行采集处理。压力箱压力信号的采集采用 KYB14A 差压变送器，其输出为 0～+5V，直接输入AMPCI-9115D 数据采集控制卡进行 A/D 转换，由计算机将此信号转换为实际的压力值，数据采集板直接插入计算机的 PCI 插槽，具有较高的采集速度和精度。信号采集基本框图如图 8 所示。

图8 信号采集基本框图

2）对给定气压的自动控制。按照标准规定，检测中有多个压力级别的给定，本系统采用风机变频调速方式调节每级压力，通过切换气动阀门的开关状态实现标准中要求的加压速度，调节电动阀门的开启角度实现每级压力回零的时间。整个检测过程由计算机控制 AMPCI-9115D 数据采集控制卡自动完成。采集卡的 2 路 D/A 输出（0～10 VDC）控制作为变频器的控制信号，而相应的采集卡输出数字控制量进行其他阀门的开关控制：模拟/数字量输出控制表如表 1 所示。

模拟/数字量输出 被控对象D/A1 输出 1# 变频器控制D/A2 输出 2# 变频器控制数字量输出 D15 气动截至阀 A 控制数字量输出 D14 气动截止阀 B 控制数字量输出 D13 漏气阀开控制数字量输出 D12 漏气阀关控制

本系统控制方式为闭环反馈控制。具体步骤为：第 1 步，先发送对应给定气压的控制信号至执行电路，打开气动截止阀 A，关闭气动截止阀 B，关闭漏气阀，等各阀门开启或关闭到位后（通过软件延时实现），将风机 A 或风机 B 调到与之对应的转速（在 7 000 Pa 以下的级别，可使用一台风机，以达到节能的目的）；第 2 步，在升压过程中，从压力传感器取出实际气压信号，与给定气压信号进行比较；第 3 步，根据比较所得差值发送控制信号至执行电路，控制风机转速进行压力调整；第 4 步，重复第 2、第 3 步直至实际气压与给定气压相符。第 5 步，关闭气动截止阀 A，打开气动截止阀 B，调节漏气阀的开启角度达到压力回零时间，至此完成一个压力脉冲。压力控制框图如图 9 所示。

图9 压力控制基本框图

2 测控软件系统设计

Visual Basic（简称 VB）是 Microsoft 公司开发的一种通用的基于对象的程序设计语言，为结构化的、模块化的、面向对象的、包含协助开发环境的事件驱动为机制的可视化程序设计语言。Visual Basic 源自于BASIC 编程语言。VB 拥有图形用户界面（GUI）和快速应用程序开发（RAD）系统，可以轻易地使用 DAO、RDO、ADO 连接数据库，或者轻松地创建 Active X 控件，用于高效生成类型安全和面向对象的应用程序，程序员可以轻松地使用 VB 提供的组件快速建立一个应用程序。所以本系统选用面向对象的 Visu al Basic 6.0 平台对上位机测控软件进行设计，为用户提供友好的交互界面，方便实现对设备的自动控制和数据分析。

测控软件部分主要实现外围设备的自动控制、检测数据采集、数据处理等功能。软件界面由菜单栏、工具栏、控制板、检测窗口、检测设定窗口、状态栏、结果评定窗口等组成，其操作简捷、方便，符合常规。软件界面如图 10 所示。

图10 软件界面示意图

由于检测过程需处理的数据量较大，并且需要进行实时控制，测试软件系统应包括检测设定、抗风压检测、报告和记录、传感器标定、系统设置等几部分。

1） 检测设定模块。用于输入试件性状、检测条件等原始数据信息。

2） 抗风压检测模块。用于外墙外保温系统抗风压能检测过程控制。

3） 报告和记录模块。进行检测结果后期处理，从检测程序数据库中选取所需数据、自动进行综合处理，得到该组试件检测结果并可打印出检测报告和记录。

4） 传感器标定模块。用于传感器标定时传感器常数的确定和存贮。软件系统框图如图 11 所示。

图11 软件系统框图

3 结语

本文在对外墙外保温系统抗风压性能检测装置工作原理和系统总体设计简单介绍的基础上。重点介绍了检测装置测控系统和软件测控系统的设计，利用变频调压和气动开关阀组合控制方式，解决了以往设备，运行耗电量、噪音大、控制压力不精确，自动化程度低等缺点。经现场调试，该设备能够精确满足标准中对检测压力脉冲的升压时间、卸压时间和压力偏差的要求。本检测装置已经在一些厂家投入使用，使用结果表明，本系统具有操作简便、控制精度高、结构紧凑、运行稳定、易维护等特点。Q