VACON变频器在门窗试验机上的应用

　本文分析了门窗试验机的工作原理，提出了风压的要求，针对过去用电磁阀控制风压的缺点，提出了直接采用变频器控制风机方案，VACON变频器具有可编程功能，编程工具Vacon NC1131-3 Engineering是一个符合IEC1131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计Vacon NX特殊的控制逻辑和参数。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，PI控制器和积分器。NC1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。风压控制控制中采用了PID控制算法，对传感器信号进行了非线性补偿，完成对风压的控制。用此方案研制的门窗试验机具有噪音小、高效、节能、生产工艺简单、实验操作方便等优点，具有很好的市场推广价值。
1 引言
门窗试验机应用于工厂、建筑工程质量检验站、建筑公司、产品质量检验所、科研院所等的生产检验、开发研究等，目前的门窗试验机普遍存在着效率低、能耗大、噪音大、生产工艺复杂等缺点。2002年4月国家质量监督局发布了新标准，GB/T 7106---2002 《建筑外窗抗风压性能分级及检测方法》、GB/T 7107---2002 《建筑外窗气密性能分级及检测方法》、GB/T 7108---2002 《建筑外窗水密性能分级及检测方法》并于2002年12月1日开始实施。
针对门窗试验机要求, 采用高性能VACON变频器开发出专用软件。芬兰瓦萨控制系统有限公司（Vacon OYJ简称芬兰瓦肯）位于芬兰的工业城市-瓦萨，是一家专注于研发、生产、销售VACON品牌变频器的大型生产企业。每年产量达到120,000台，产品功率覆盖0.55kW~2200Kw。是世界上唯一的一家变频器专业制造商。芬兰威肯凭借雄厚的研发实力、丰富的设计经验、独到的见解、世界级营销和服务网络、优质可靠的变频器产品，成为世界交流变频传动领域尤其是低压变频器领域的主要领导者之一。
我们研制的微机控制门窗试验机满足最新国家标准要求，具有动态风压控制功能，完成门窗的三性检验。成本低、控制精度高、简化生产调试过程、可靠性高、噪音低等优点。
本系统能自动完成门窗检测仪的风压控制：预备加正负压检测、气密性检测正负压检测、水密性稳定检测、水密性波动检测、抗风压正负压检测、重复检测正负压检测、定级检测正负压检测、位移检测、气密性检测及进行等级计算。并打印出监测数据。
2 门窗试验机的风压控制技术要求及工作原理
微机控制门窗试验机由微机、具有可编程功能的VACON变频器，交流电动机，鼓风机，静压箱，传感器等组成，配有风机压力控制专用软件。上位微机主要完成数据处理、图形处理、数据管理、控制试验过程。风压控制由VACON变频器直接控制风机转速达到控制风压。
国家标准要求：
预备加正负压检测 .要求每段保持±500Pa压力时间为3秒。上升斜率为100Pa/S。下降时间不小于1秒。
气密性检测正负压检测，压力分别为±10Pa、±50Pa、±100Pa、±150Pa、±100Pa、±50Pa、±10Pa，每个台阶保持时间为10秒。
水密性稳定检测 　压力分别为100Pa、150Pa、200Pa、250Pa、300Pa、350Pa、400Pa、500Pa、600Pa、700Pa、800Pa、900Pa每个台阶保持时间为5分钟。
水密性波动检测 压力分别为50Pa--150Pa、70Pa--230Pa、100Pa--300Pa、120Pa--380Pa、150Pa--450Pa、170Pa--530Pa、200Pa--600Pa、250Pa--750Pa、300Pa--900Pa、350Pa--1050Pa、400Pa--1200Pa、450Pa--1350Pa每个可变台阶保持时间为5分钟。在每个可变台阶保持时间5分钟内，压力在本台阶的上下限间波动周期为3~5s/每次。
抗风压正负压检测 压力分别为±250Pa、±500Pa、±750Pa、±1000Pa、±1250Pa、±1500Pa、±1750Pa、±2000Pa每个台阶保持时间为10秒。
3 变频器控制风压系统设计原理
由于控制系统要求多段风压控制，控制时必须采用闭环控制，普通变频器只有八段速控制，达不到要求，只能采用传统的风阀控制方法，缺点是噪音大、耗能。而VACON变频器具有可编程功能，可用模块化编程工具Vacon NC1131-3 Engineering, NC1131-3是一个符合IEC1131-3标准的图形化的编程工具，它可以用来设计Vacon NX特殊的控制逻辑和参数。I/O模块以及Vacon 的高级软件为系统工程师提供了一个理想的平台。VACON NC1131-3结合了框图功能来定义功能模块图(FBD)梯形图(LD)和结构文本(ST)。它包含了基本功能模块和高级功能模块，如各种滤波器，PI控制器和积分器。NC1131-3可以创建参数，故障信息和其他与应用相关的特性。开发其专用程序，用变频器直接控制风机，达到控制风压要求。系统控制模式通过编程实现，变频器具有两个标准模拟电流输入端，六个开关量输入端，一个模拟量输出端，两个继电器输出端，一个集电极开路输出端。变频器控制风压系统框图如图1
风压检测采用输出为4mA~20mA电流信号的压力传感器，为提高精度，选用±6000Pa, 0~1500Pa, ±600Pa三块压力传感器。预备加压正负压检测, 气密性检测正负压检测采用±600Pa 压力传感器。水密性稳定检测和水密性波动检测采用0~1500Pa压力传感器。抗风压正负压检测采用±6000Pa 压力传感器。风压设定通过变频器的DIN2,DIN4,DIN5,DIN6开关量输入端设定，四个开关量可确定16个工作模式，每种工作模式对应一种压力检测。每种压力检测的压力设定和工作时间由变频器编程实现。
3.1 变频器输入信号设置
如图2，变频器输入端子接线图，由变频器+24V电源给压力传感器供电，传感器输出电流4mA-20mA送给变频器的AI2+端子，AI2-端子接+24V的地，传感器输入电流构成回路。DIN1端子接变频器启动/停止开关Start，控制变频器启动停止。DIN2 DIN6 DIN5 DIN4 端子分别接控制模式开关K8 K4 K2 K1，控制模式见表1。DIN3端子接开关K，用于在检测中跨过当前检测段。L1 L2 L3 为交流三相380V电源输入端。R+ ，R- 连接制动电阻。U V W 连接三相交流电动机。
3.2 变频器控制模式设计
把风压控制设置成12个控制模式，对应于风压控制要求。为检测变频器是否正常工作，设置控制模式12，开环固定频率输出。为对压力表校正设置控制模式15。各模式功能和采用压力表如下：
控制模式0：预备加正压检测 . 采用±600Pa表（4~20mA）压力信号。
控制模式1：预备加负压检测 采用±600Pa表（4~20mA）压力信号。
控制模式2：气密性检测正压检测 采用±600Pa表（4~20mA）压力信号。
控制模式3：气密性检测负压检测 采用±600Pa表（4~20mA）压力信号。
控制模式4：水密性稳定检测 采用1500Pa表（4~20mA）压力信号。
控制模式5：水密性波动检测 采用1500Pa表（4~20mA）压力信号。
控制模式6：抗风压正压检测 　采用±6kPa表（4~20mA）压力信号。
控制模式7：抗风压负压检测 采用±6kPa表（4~20mA）压力信号。
控制模式8：重复检测正压检测 　 采用±6kPa表（4~20mA）压力信号。
控制模式9：重复检测负压检测　　 采用±6kPa表（4~20mA）压力信号。
控制模式10：定级检测正压检测 　 采用±6kPa表（4~20mA）压力信号。
控制模式11：定级检测负压检测　　 采用±6kPa表（4~20mA）压力信号。
控制模式12：固定频率输出。
控制模式15：压力表校正。
应用软件采用功能模块图(FBD)编程，实现各种风压控制模式，变频器风压控制控制系统软件框图如图3
3.3 实验调试结果分析
水密性稳定检测实际压力曲线如图4, 压力稳定误差小于2%，
预备加正压检测实际压力曲线如图5,
门窗试验机系统运行实际数据如表2：
表2
工 况 变 频 控 制 风 压 工 频 控 制 风 压
日 均 耗 电 48MJ 96.8MJ
节 电 率 50%
平 均 噪 声 50分贝 78分贝
4 结论
本系统充分利用了VACON变频器具有可编程功能。实现了其它普通变频器无法实现的功能。本系统如下优点：
1 人机界面友好，生产安装方便，操作简单
试验机系统由微机控制，在控制界面上有各种控制运行按钮和显示指示灯，操作简单。风压控制采用变频器，大量减少了过去试验机上使用的继电器、接触器，简化了生产过程，提高了生产效率，系统成本低具有优良的性价比。同时具有良好的人机界面。
2 运行安全，性能可靠
试验机系统具有自动和手动两种控制方式，控制系统具有自检功能和传感器校正功能。增加了系统可靠性，控制精度高。
3 高效节能，减小噪音
采用变频器控制风压，缩短了工作周期，同时在需要小风压时，变频器输出频率低，控制系统节电效果明显，大大降低了风机的噪音。改善了工作环境。