摘要: 本文分析了門窗試驗(yàn)機(jī)的工作原理，提出了風(fēng)壓的要求，針對(duì)過去用電磁閥控制風(fēng)壓的缺點(diǎn)，提出了直接采用變頻器控制風(fēng)機(jī)方案，VACON變頻器具有可編程功能，編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個(gè)符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計(jì)Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。它包含了基本功能模塊和高級(jí)功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。風(fēng)壓控制控制中采用了PID控制算法，對(duì)傳感器信號(hào)進(jìn)行了非線性補(bǔ)償，完成對(duì)風(fēng)壓的控制。用此方案研制的門窗試驗(yàn)機(jī)具有噪音小、高效、節(jié)能、生產(chǎn)工藝簡單、實(shí)驗(yàn)操作方便等優(yōu)點(diǎn)，具有很好的市場推廣價(jià)值。
關(guān)鍵詞: VACON變頻器 ; 門窗試驗(yàn)機(jī) ; PID 控制;
中圖分類號(hào)：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言
門窗試驗(yàn)機(jī)應(yīng)用于工廠、建筑工程質(zhì)量檢驗(yàn)站、建筑公司、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)所、科研院所等的生產(chǎn)檢驗(yàn)、開發(fā)研究等，目前的門窗試驗(yàn)機(jī)普遍存在著效率低、能耗大、噪音大、生產(chǎn)工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)。2002年4月國家質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)布了新標(biāo)準(zhǔn)，GB/T 7106---2002 《建筑外窗抗風(fēng)壓性能分級(jí)及檢測方法》、GB/T 7107---2002 《建筑外窗氣密性能分級(jí)及檢測方法》、GB/T 7108---2002 《建筑外窗水密性能分級(jí)及檢測方法》并于2002年12月1日開始實(shí)施。
針對(duì)門窗試驗(yàn)機(jī)要求, 采用高性能VACON變頻器開發(fā)出專用軟件。芬蘭瓦薩控制系統(tǒng)有限公司（Vacon OYJ簡稱芬蘭瓦肯）位于芬蘭的工業(yè)城市-瓦薩，是一家專注于研發(fā)、生產(chǎn)、銷售VACON品牌變頻器的大型生產(chǎn)企業(yè)。每年產(chǎn)量達(dá)到120,000臺(tái)，產(chǎn)品功率覆蓋0.55kW~2200Kw。是世界上唯一的一家變頻器專業(yè)制造商。芬蘭威肯憑借雄厚的研發(fā)實(shí)力、豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)、獨(dú)到的見解、世界級(jí)營銷和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、優(yōu)質(zhì)可靠的變頻器產(chǎn)品，成為世界交流變頻傳動(dòng)領(lǐng)域尤其是低壓變頻器領(lǐng)域的主要領(lǐng)導(dǎo)者之一。
我們研制的微機(jī)控制門窗試驗(yàn)機(jī)滿足最新國家標(biāo)準(zhǔn)要求，具有動(dòng)態(tài)風(fēng)壓控制功能，完成門窗的三性檢驗(yàn)。成本低、控制精度高、簡化生產(chǎn)調(diào)試過程、可靠性高、噪音低等優(yōu)點(diǎn)。
本系統(tǒng)能自動(dòng)完成門窗檢測儀的風(fēng)壓控制：預(yù)備加正負(fù)壓檢測、氣密性檢測正負(fù)壓檢測、水密性穩(wěn)定檢測、水密性波動(dòng)檢測、抗風(fēng)壓正負(fù)壓檢測、重復(fù)檢測正負(fù)壓檢測、定級(jí)檢測正負(fù)壓檢測、位移檢測、氣密性檢測及進(jìn)行等級(jí)計(jì)算。并打印出監(jiān)測數(shù)據(jù)。
2 門窗試驗(yàn)機(jī)的風(fēng)壓控制技術(shù)要求及工作原理
微機(jī)控制門窗試驗(yàn)機(jī)由微機(jī)、具有可編程功能的VACON變頻器，交流電動(dòng)機(jī)，鼓風(fēng)機(jī)，靜壓箱，傳感器等組成，配有風(fēng)機(jī)壓力控制專用軟件。上位微機(jī)主要完成數(shù)據(jù)處理、圖形處理、數(shù)據(jù)管理、控制試驗(yàn)過程。風(fēng)壓控制由VACON變頻器直接控制風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到控制風(fēng)壓。
國家標(biāo)準(zhǔn)要求：
預(yù)備加正負(fù)壓檢測 .要求每段保持±500Pa壓力時(shí)間為3秒。上升斜率為100Pa/S。下降時(shí)間不小于1秒。
氣密性檢測正負(fù)壓檢測，壓力分別為±10Pa、±50Pa、±100Pa、±150Pa、±100Pa、±50Pa、±10Pa，每個(gè)臺(tái)階保持時(shí)間為10秒。
水密性穩(wěn)定檢測 　壓力分別為100Pa、150Pa、200Pa、250Pa、300Pa、350Pa、400Pa、500Pa、600Pa、700Pa、800Pa、900Pa每個(gè)臺(tái)階保持時(shí)間為5分鐘。
水密性波動(dòng)檢測 壓力分別為50Pa--150Pa、70Pa--230Pa、100Pa--300Pa、120Pa--380Pa、150Pa--450Pa、170Pa--530Pa、200Pa--600Pa、250Pa--750Pa、300Pa--900Pa、350Pa--1050Pa、400Pa--1200Pa、450Pa--1350Pa每個(gè)可變臺(tái)階保持時(shí)間為5分鐘。在每個(gè)可變臺(tái)階保持時(shí)間5分鐘內(nèi)，壓力在本臺(tái)階的上下限間波動(dòng)周期為3~5s/每次。
抗風(fēng)壓正負(fù)壓檢測 壓力分別為±250Pa、±500Pa、±750Pa、±1000Pa、±1250Pa、±1500Pa、±1750Pa、±2000Pa每個(gè)臺(tái)階保持時(shí)間為10秒。
3 變頻器控制風(fēng)壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理
由于控制系統(tǒng)要求多段風(fēng)壓控制，控制時(shí)必須采用閉環(huán)控制，普通變頻器只有八段速控制，達(dá)不到要求，只能采用傳統(tǒng)的風(fēng)閥控制方法，缺點(diǎn)是噪音大、耗能。而VACON變頻器具有可編程功能，可用模塊化編程工具Vacon NC1131-3 Engineering, NC1131-3是一個(gè)符合IEC1131-3標(biāo)準(zhǔn)的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計(jì)Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。I/O模塊以及Vacon 的高級(jí)軟件為系統(tǒng)工程師提供了一個(gè)理想的平臺(tái)。VACON NC1131-3結(jié)合了框圖功能來定義功能模塊圖(FBD)梯形圖(LD)和結(jié)構(gòu)文本(ST)。它包含了基本功能模塊和高級(jí)功能模塊，如各種濾波器，PI控制器和積分器。NC1131-3可以創(chuàng)建參數(shù)，故障信息和其他與應(yīng)用相關(guān)的特性。開發(fā)其專用程序，用變頻器直接控制風(fēng)機(jī)，達(dá)到控制風(fēng)壓要求。系統(tǒng)控制模式通過編程實(shí)現(xiàn)，變頻器具有兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模擬電流輸入端，六個(gè)開關(guān)量輸入端，一個(gè)模擬量輸出端，兩個(gè)繼電器輸出端，一個(gè)集電極開路輸出端。變頻器控制風(fēng)壓系統(tǒng)框圖如圖1


風(fēng)壓檢測采用輸出為4mA~20mA電流信號(hào)的壓力傳感器，為提高精度，選用±6000Pa, 0~1500Pa, ±600Pa三塊壓力傳感器。預(yù)備加壓正負(fù)壓檢測, 氣密性檢測正負(fù)壓檢測采用±600Pa 壓力傳感器。水密性穩(wěn)定檢測和水密性波動(dòng)檢測采用0~1500Pa壓力傳感器?？癸L(fēng)壓正負(fù)壓檢測采用±6000Pa 壓力傳感器。風(fēng)壓設(shè)定通過變頻器的DIN2,DIN4,DIN5,DIN6開關(guān)量輸入端設(shè)定，四個(gè)開關(guān)量可確定16個(gè)工作模式，每種工作模式對(duì)應(yīng)一種壓力檢測。每種壓力檢測的壓力設(shè)定和工作時(shí)間由變頻器編程實(shí)現(xiàn)。
3.1 變頻器輸入信號(hào)設(shè)置
如圖2，變頻器輸入端子接線圖，由變頻器+24V電源給壓力傳感器供電，傳感器輸出電流4mA-20mA送給變頻器的AI2+端子，AI2-端子接+24V的地，傳感器輸入電流構(gòu)成回路。DIN1端子接變頻器啟動(dòng)/停止開關(guān)Start，控制變頻器啟動(dòng)停止。DIN2 DIN6 DIN5 DIN4 端子分別接控制模式開關(guān)K8 K4 K2 K1，控制模式見表1。DIN3端子接開關(guān)K，用于在檢測中跨過當(dāng)前檢測段。L1 L2 L3 為交流三相380V電源輸入端。R+ ，R- 連接制動(dòng)電阻。U V W 連接三相交流電動(dòng)機(jī)。
3.2 變頻器控制模式設(shè)計(jì)
把風(fēng)壓控制設(shè)置成12個(gè)控制模式，對(duì)應(yīng)于風(fēng)壓控制要求。為檢測變頻器是否正常工作，設(shè)置控制模式12，開環(huán)固定頻率輸出。為對(duì)壓力表校正設(shè)置控制模式15。各模式功能和采用壓力表如下：
控制模式0：預(yù)備加正壓檢測 . 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式1：預(yù)備加負(fù)壓檢測 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式2：氣密性檢測正壓檢測 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式3：氣密性檢測負(fù)壓檢測 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式4：水密性穩(wěn)定檢測 采用1500Pa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式5：水密性波動(dòng)檢測 采用1500Pa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式6：抗風(fēng)壓正壓檢測 　采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式7：抗風(fēng)壓負(fù)壓檢測 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式8：重復(fù)檢測正壓檢測 　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式9：重復(fù)檢測負(fù)壓檢測　　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式10：定級(jí)檢測正壓檢測 　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式11：定級(jí)檢測負(fù)壓檢測　　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號(hào)。
控制模式12：固定頻率輸出。
控制模式15：壓力表校正。


應(yīng)用軟件采用功能模塊圖(FBD)編程，實(shí)現(xiàn)各種風(fēng)壓控制模式，變頻器風(fēng)壓控制控制系統(tǒng)軟件框圖如圖3


3.3 實(shí)驗(yàn)調(diào)試結(jié)果分析
水密性穩(wěn)定檢測實(shí)際壓力曲線如圖4, 壓力穩(wěn)定誤差小于2%，


預(yù)備加正壓檢測實(shí)際壓力曲線如圖5,


門窗試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)際數(shù)據(jù)如表2：


4 結(jié)論
本系統(tǒng)充分利用了VACON變頻器具有可編程功能。實(shí)現(xiàn)了其它普通變頻器無法實(shí)現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)如下優(yōu)點(diǎn)：
1 人機(jī)界面友好，生產(chǎn)安裝方便，操作簡單
試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)由微機(jī)控制，在控制界面上有各種控制運(yùn)行按鈕和顯示指示燈，操作簡單。風(fēng)壓控制采用變頻器，大量減少了過去試驗(yàn)機(jī)上使用的繼電器、接觸器，簡化了生產(chǎn)過程，提高了生產(chǎn)效率，系統(tǒng)成本低具有優(yōu)良的性價(jià)比。同時(shí)具有良好的人機(jī)界面。
2 運(yùn)行安全，性能可靠
試驗(yàn)機(jī)系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，控制系統(tǒng)具有自檢功能和傳感器校正功能。增加了系統(tǒng)可靠性，控制精度高。
3 高效節(jié)能，減小噪音
采用變頻器控制風(fēng)壓，縮短了工作周期，同時(shí)在需要小風(fēng)壓時(shí)，變頻器輸出頻率低，控制系統(tǒng)節(jié)電效果明顯，大大降低了風(fēng)機(jī)的噪音。改善了工作環(huán)境。

參考文獻(xiàn)：滿永奎、吳成東.《通用變頻器及其應(yīng)用》 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 1996.
李永東.《交流電機(jī)數(shù)字控制系統(tǒng)》 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 2001.
作者簡介：李巖(1966.7-)：男，遼寧省沈陽市, 講師, 碩士, 漢族，1999年畢業(yè)于北京理工大學(xué)自動(dòng)控制系，在沈陽工業(yè)學(xué)院從事教學(xué)工作，研究方向交流調(diào)速系統(tǒng)、單片機(jī)應(yīng)用。