VACON變頻器在門窗試驗機上的應用

摘要: 本文分析了門窗試驗機的工作原理，提出了風壓的要求，針對過去用電磁閥控制風壓的缺點，提出了直接采用變頻器控制風機方案，VACON變頻器具有可編程功能，編程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一個符合IEC1131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計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用相關(guān)的特性。風壓控制控制中采用了PID控制算法，對傳感器信號進行了非線性補償，完成對風壓的控制。用此方案研制的門窗試驗機具有噪音小、高效、節(jié)能、生產(chǎn)工藝簡單、實驗操作方便等優(yōu)點，具有很好的市場推廣價值。
關(guān)鍵詞: VACON變頻器 ; 門窗試驗機 ; PID 控制;
中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1 引言
門窗試驗機應用于工廠、建筑工程質(zhì)量檢驗站、建筑公司、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗所、科研院所等的生產(chǎn)檢驗、開發(fā)研究等，目前的門窗試驗機普遍存在著效率低、能耗大、噪音大、生產(chǎn)工藝復雜等缺點。2002年4月國家質(zhì)量監(jiān)督局發(fā)布了新標準，GB/T 7106---2002 《建筑外窗抗風壓性能分級及檢測方法》、GB/T 7107---2002 《建筑外窗氣密性能分級及檢測方法》、GB/T 7108---2002 《建筑外窗水密性能分級及檢測方法》并于2002年12月1日開始實施。
針對門窗試驗機要求, 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)量達到120,000臺，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)實力、豐富的設(shè)計經(jīng)驗、獨到的見解、世界級營銷和服務(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領(lǐng)域尤其是低壓變頻器領(lǐng)域的主要領(lǐng)導者之一。
我們研制的微機控制門窗試驗機滿足最新國家標準要求，具有動態(tài)風壓控制功能，完成門窗的三性檢驗。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。
本系統(tǒng)能自動完成門窗檢測儀的風壓控制：預備加正負壓檢測、氣密性檢測正負壓檢測、水密性穩(wěn)定檢測、水密性波動檢測、抗風壓正負壓檢測、重復檢測正負壓檢測、定級檢測正負壓檢測、位移檢測、氣密性檢測及進行等級計算。并打印出監(jiān)測數(shù)據(jù)。
2 門窗試驗機的風壓控制技術(shù)要求及工作原理
微機控制門窗試驗機由微機、具有可編程功能的VACON變頻器，交流電動機，鼓風機，靜壓箱，傳感器等組成，配有風機壓力控制專用軟件。上位微機主要完成數(shù)據(jù)處理、圖形處理、數(shù)據(jù)管理、控制試驗過程。風壓控制由VACON變頻器直接控制風機轉(zhuǎn)速達到控制風壓。
國家標準要求：
預備加正負壓檢測 .要求每段保持±500Pa壓力時間為3秒。上升斜率為100Pa/S。下降時間不小于1秒。
氣密性檢測正負壓檢測，壓力分別為±10Pa、±50Pa、±100Pa、±150Pa、±100Pa、±50Pa、±10Pa，每個臺階保持時間為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每個臺階保持時間為5分鐘。
水密性波動檢測 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每個可變臺階保持時間為5分鐘。在每個可變臺階保持時間5分鐘內(nèi)，壓力在本臺階的上下限間波動周期為3~5s/每次。
抗風壓正負壓檢測 壓力分別為±250Pa、±500Pa、±750Pa、±1000Pa、±1250Pa、±1500Pa、±1750Pa、±2000Pa每個臺階保持時間為10秒。
3 變頻器控制風壓系統(tǒng)設(shè)計原理
由于控制系統(tǒng)要求多段風壓控制，控制時必須采用閉環(huán)控制，普通變頻器只有八段速控制，達不到要求，只能采用傳統(tǒng)的風閥控制方法，缺點是噪音大、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是一個符合IEC1131-3標準的圖形化的編程工具，它可以用來設(shè)計Vacon NX特殊的控制邏輯和參數(shù)。I/O模塊以及Vacon 的高級軟件為系統(tǒng)工程師提供了一個理想的平臺。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用相關(guān)的特性。開發(fā)其專用程序，用變頻器直接控制風機，達到控制風壓要求。系統(tǒng)控制模式通過編程實現(xiàn)，變頻器具有兩個標準模擬電流輸入端，六個開關(guān)量輸入端，一個模擬量輸出端，兩個繼電器輸出端，一個集電極開路輸出端。變頻器控制風壓系統(tǒng)框圖如圖1


風壓檢測采用輸出為4mA~20mA電流信號的壓力傳感器，為提高精度，選用±6000Pa, 0~1500Pa, ±600Pa三塊壓力傳感器。預備加壓正負壓檢測, 氣密性檢測正負壓檢測采用±600Pa 壓力傳感器。水密性穩(wěn)定檢測和水密性波動檢測采用0~1500Pa壓力傳感器?？癸L壓正負壓檢測采用±6000Pa 壓力傳感器。風壓設(shè)定通過變頻器的DIN2,DIN4,DIN5,DIN6開關(guān)量輸入端設(shè)定，四個開關(guān)量可確定16個工作模式，每種工作模式對應一種壓力檢測。每種壓力檢測的壓力設(shè)定和工作時間由變頻器編程實現(xiàn)。
3.1 變頻器輸入信號設(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/停止開關(guān)Start，控制變頻器啟動停止。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前檢測段。L1 L2 L3 為交流三相380V電源輸入端。R+ ，R- 連接制動電阻。U V W 連接三相交流電動機。
3.2 變頻器控制模式設(shè)計
把風壓控制設(shè)置成12個控制模式，對應于風壓控制要求。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：預備加正壓檢測 . 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式1：預備加負壓檢測 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式2：氣密性檢測正壓檢測 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式3：氣密性檢測負壓檢測 采用±600Pa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式4：水密性穩(wěn)定檢測 采用1500Pa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式5：水密性波動檢測 采用1500Pa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式6：抗風壓正壓檢測 　采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式7：抗風壓負壓檢測 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式8：重復檢測正壓檢測 　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式9：重復檢測負壓檢測　　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式10：定級檢測正壓檢測 　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式11：定級檢測負壓檢測　　 采用±6kPa表（4~20mA）壓力信號。
控制模式12：固定頻率輸出。
控制模式15：壓力表校正。


應用軟件采用功能模塊圖(FBD)編程，實現(xiàn)各種風壓控制模式，變頻器風壓控制控制系統(tǒng)軟件框圖如圖3


3.3 實驗調(diào)試結(jié)果分析
水密性穩(wěn)定檢測實際壓力曲線如圖4, 壓力穩(wěn)定誤差小于2%，


預備加正壓檢測實際壓力曲線如圖5,


門窗試驗機系統(tǒng)運行實際數(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。實現(xiàn)了其它普通變頻器無法實現(xiàn)的功能。本系統(tǒng)如下優(yōu)點：
1 人機界面友好，生產(chǎn)安裝方便，操作簡單
試驗機系統(tǒng)由微機控制，在控制界面上有各種控制運行按鈕和顯示指示燈，操作簡單。風壓控制采用變頻器，大量減少了過去試驗機上使用的繼電器、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)良的性價比。同時具有良好的人機界面。
2 運行安全，性能可靠
試驗機系統(tǒng)具有自動和手動兩種控制方式，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
采用變頻器控制風壓，縮短了工作周期，同時在需要小風壓時，變頻器輸出頻率低，控制系統(tǒng)節(jié)電效果明顯，大大降低了風機的噪音。改善了工作環(huán)境。

參考文獻：滿永奎、吳成東.《通用變頻器及其應用》 北京: 機械工業(yè)出版社 1996.
李永東.《交流電機數(shù)字控制系統(tǒng)》 北京: 機械工業(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)于北京理工大學自動控制系，在沈陽工業(yè)學院從事教學工作，研究方向交流調(diào)速系統(tǒng)、單片機應用。