VACON變頻器在門窗試驗機上的應用

1 引言
門窗試驗機應用于工廠、建筑工程質量檢驗站、建筑公司、產品質量檢驗所、科研院所等的生產檢驗、開發研究等，目前的門窗試驗機普遍存在著效率低、能耗大、噪音大、生產工藝復雜等缺點。2002年4月國家質量監督局發布了新標準，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變頻器開發出專用軟件。芬蘭瓦薩控制系統有限公司（Vacon OYJ簡稱芬蘭瓦肯）位于芬蘭的工業城市-瓦薩，是一家專注于研發、生產、銷售VACON品牌變頻器的大型生產企業。每年產量達到120,000臺，產品功率覆蓋0.55kW~2200Kw。是世界上唯一的一家變頻器專業制造商。芬蘭威肯憑借雄厚的研發實力、豐富的設計經驗、獨到的見解、世界級營銷和服務網絡、優質可靠的變頻器產品，成為世界交流變頻傳動領域尤其是低壓變頻器領域的主要領導者之一。
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、簡化生產調試過程、可靠性高、噪音低等優點。
本系統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。并打印出監測數據。
2 門窗試驗機的風壓控制技術要求及工作原理
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據處理、圖形處理、數據管理、控制試驗過程。風壓控制由VACON變頻器直接控制風機轉速達到控制風壓。
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，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設計原理
由于控制系統要求多段風壓控制，控制時必須采用閉環控制，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，它可以用來設計Vacon NX特殊的控制邏輯和參數。I/O模塊以及Vacon 的高級軟件為系統工程師提供了一個理想的平臺。VACON NC1131-3結合了框圖功能來定義功能模塊圖(FBD)梯形圖(LD)和結構文本(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可以創建參數，故障信息和其他與應用相關的特性。開發其專用程序，用變頻器直接控制風機，達到控制風壓要求。系統控制模式通過編程實現，變頻器具有兩個標準模擬電流輸入端，六個開關量輸入端，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。水密性穩定檢測和水密性波動檢測采用0~1500Pa壓力傳感器。抗風壓正負壓檢測采用±6000Pa 壓力傳感器。風壓設定通過變頻器的DIN2,DIN4,DIN5,DIN6開關量輸入端設定，四個開關量可確定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定和工作時間由變頻器編程實現。
3.1 變頻器輸入信號設置
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，傳感器輸入電流構成回路。DIN1端子接變頻器啟動/停止開關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K8 K4 K2 K1，控制模式見表1。DIN3端子接開關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 變頻器控制模式設計
把風壓控制設置成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，設置控制模式12，開環固定頻率輸出。為對壓力表校正設置控制模式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，實現各種風壓控制模式，變頻器風壓控制控制系統軟件框圖如圖3

3.3 實驗調試結果分析
水密性穩定檢測實際壓力曲線如圖4, 壓力穩定誤差小于2%，

預備加正壓檢測實際壓力曲線如圖5,

門窗試驗機系統運行實際數據如表2：

表2
工 況 變 頻 控 制 風 壓 工 頻 控 制 風 壓
日 均 耗 電 48MJ 96.8MJ
節 電 率 50%
平 均 噪 聲 50分貝 78分貝

4 結論
本系統充分利用了VACON變頻器具有可編程功能。實現了其它普通變頻器無法實現的功能。本系統如下優點：
1 人機界面友好，生產安裝方便，操作簡單
試驗機系統由微機控制，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，簡化了生產過程，提高了生產效率，系統成本低具有優良的性價比。同時具有良好的人機界面。
2 運行安全，性能可靠
試驗機系統具有自動和手動兩種控制方式，控制系統具有自檢功能和傳感器校正功能。增加了系統可靠性，控制精度高。
3 高效節能，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，控制系統節電效果明顯，大大降低了風機的噪音。改善了工作環境。