耐火試驗爐計算機控制系統的設計

摘 要 本文介紹了自行設計的建筑構件耐火試驗爐計算機控制系統。該軟件可模擬實際火災，對構件進行受火試驗。系統設計主要通過組態王軟件完成，并具有主界面顯示功能、溫度壓力控制功能、報警功能、存儲功能、打印功能、生成報表功能、觀察歷史數據等功能。

關鍵詞 耐火試驗爐，計算機控制系統，組態王

1引言

隨著經濟的迅速發展，城市的建設規模越來越大，高層建筑也越來越普及。然而我們在享受高科技成果的同時，卻面臨著各種火災的威脅。為了進一步了解火災對建筑構件的危害程度，本人設計了耐火試驗爐，并對火災過程進行模擬實驗。通過實驗分析構件溫度與變形數據的關系，對爐溫的實際時間溫度曲線進行實時監測，以確定構件耐火強度極限。試驗爐的自動控制系統是根據國家標準GB9978對試件受火面的升溫要求而設計的。

2自動控制系統的耐火控制原理及開發軟件

2.1 試驗爐自動控制系統原理

耐火試驗爐的燃料為液化氣，由電磁調節閥控制液化氣的流量以及空氣流量來改變爐內溫度與壓力。該系統主要由工業控制計算機、6支熱電偶傳感器、1支壓力傳感器、空/燃比例閥、手動閥門、集中安裝在儀表柜上的6臺數字顯示儀(帶1～5Ｖ的標準輸出)、模擬量輸入輸出通道、爐壁上的六個點火燒嘴等設備組成。與被控對象電磁調節閥共同構成一個閉環調節系統。如圖1所示。

圖1 試驗爐控制結構框圖

2.2 開發軟件組態王

該實驗爐控制系統開發所使用的組態王為version6.5版本，是某自動化軟件科技有限公司開發的、基于windows98/NT系統下運行、在流行PC機上建立工業控制對象人機接口的一種智能軟件包。它充分利用了windows圖形功能完備、界面一致性好、易學易用的特點。控制系統更具有通用性，并且可應用PC機豐富的軟件資源進行二次開發。

圖２ 試驗爐計算機控制系統主程序框圖

組態王軟件包由工程瀏覽器和畫面運行系統兩部分組成，工程瀏覽器內嵌畫面開發系統使用非常方便。首先，它包含的圖庫較豐富，有各類儀器、儀表、管道等圖形，可以直接調出來使用，大大提高了使用效率；其次，由于其內嵌于工程瀏覽器中，可以很方便地調用瀏覽器中數據庫中的變量，并且各個畫面都可以編寫自己的程序，以達到不同的應用目的。

3試驗爐控制系統

3.1 控制系統的主要功能模塊

本系統軟件具有設置溫度壓力控制、報警窗口、觀察歷史數據、實時數據、生成歷史報表、實時報表以及主監控畫面等功能?？刂葡到y主程序框圖如圖2所示。

3.2 登陸界面

進入組態王，在工程瀏覽器里點擊View圖標，可進入運行系統界面。在該界面上有6個按鈕，分別為主界面、報警窗口、溫度壓力控制、報表、暫時離開和打開。在６個按鈕中，除了“打開”按鈕不是灰色，其余五個按鈕均為灰色，表示此時只有“打開”按鈕可用。用鼠標點擊“打開”按鈕，進入用戶登陸界面，操作如下：

（1） 選擇用戶。該系統開設了系統管理員和一般用戶，根據用戶級別的不同，具有的權限也不同；

（2） 口令。 針對不同的用戶，輸入不同的密碼。

在完成以上兩項操作，且獲得系統認可后，單擊確定鍵進入主界面，此時6個按鈕全部可選，即進入試驗爐控制系統。

圖3 系統主界面

3.3 主界面

主畫面顯示功能模塊將所有燒成中的監控數據（溫度、壓力、流量等參數）形象直觀地顯示在屏幕上，并且實時跟蹤監控數據的變化，方便用戶根據監控數據的變化來進行燃燒爐的燒成操作（如圖3所示）。

3.4 報警窗口

報警窗口將提供超溫、超壓、熄火、故障等異常情況時的報警。

當報警和事件發生時，組態王把這些信息存于內存中的緩沖區中，報警和事件在緩沖區中是以先進先出的隊列形式存儲，所以只有最近的報警和事件在內存中。當緩沖區達到指定數目或記錄定時時間到時，系統將自動報警和記錄事件信息。報警的記錄可以是文本文件、開放式數據庫或打印機。另外，用戶可以從人機界面提供的報警窗中查看報警和事件信息。

3.5 升溫曲線

溫度控制功能模塊顯示燒成溫度曲線，并且可以任意移動、放大、縮小來觀察，操作十分簡便。

在溫控曲線中，縱軸代表溫度值，橫軸對應時間的變化，同時將每一個溫度采樣點顯示在曲線中，運行環境中還提供左右兩個游標，當工程人員把游標放在某一個溫度的采樣點上時，該采樣點的注釋值就可以顯示出來。此圖顯示的就是試驗爐標準升溫曲線。

3.6 壓力曲線

壓力控制功能模塊顯示燒成壓力曲線，可以任意移動、放大、縮小來觀察。

3.7 報 表

報表包括實時數據報表和歷史數據報表，通過畫面中左上角的報表菜單選擇功能，分別實現報表的打印、存儲等功能。

圖4 組態王報表界面

實時數據模塊可以調出正在變化的溫度值與壓力值，非常直觀方便。生成報表模塊可以任選以往的歷史數據生成歷史報表或者實時數據生成實時報表，同時可以根據自己的喜好改變報表生成的格式；生成的報表文件為文本文件，可以用word、記事本、寫字板等文本編輯工具軟件打開、編輯、打印(如圖4所示)。

3.8 工程運行系統保密功能

為了保證系統的數據安全性和保密性，進入控制系統，需要驗證用戶密碼，因而設計了暫時離開按鈕。點擊此按鈕，屏幕畫面就屏蔽掉，6個按鈕中除了重新進入以外，其它按鈕都是灰色的，都不可選。點擊重新進入按鈕就彈出登錄框，選擇用戶、輸入密碼后重新進入控制系統。

3.9 退出控制系統

點擊退出按鈕，進入退出界面，并提示是否真的要退出。如果要退出，單擊“確定”即可退出試驗爐控制系統；單擊“取消”返回到主界面。

4系統的試用

本課題研究開發的耐火試驗爐計算機仿真系統模擬各類建筑構件，包括承重墻和非承重墻、樓板和水平屋頂(有或無吊頂)、梁、柱進行受火試驗，對實際火災進行了模擬。結果表明，模擬過程與實際條件吻合度高，并且爐溫和爐壓的控制也取得了滿意的效果。圖5為模擬實時升溫曲線圖。

圖5 試驗爐計算機仿真系統實時溫度曲線

在整個模擬升溫過程中(0～1 300℃左右)，對混凝土建筑構件的各項性能進行實時檢測，包括混凝土建筑構件的各種物理特性、耐火程度以及損害程度等。模擬火災的同時對構件還進行荷載試驗(加載量的多少以及荷載的計算方法)、記錄試驗情況并分析構件溫度與變形數據的關系、對爐溫的實時溫度曲線進行實時監測，確定了構件耐火強度極限。

4結論

本試驗爐控制系統具有以下特點：

（1） 運行于windows95/98/NT下，整個圖形界面風格也是windows風格，界面一致性好、數據顯示形象直觀、易學易用；

（2） 功能完備，各個功能模塊窗口之間切換方便；

（3） 控制方式為PID位置式控制方式，控制精度較高；

（4） 進入控制系統，需要驗證用戶密碼。數據安全性、保密性強；

（5） 在需要切換到手動操作時，可以實現無擾切換。

正常情況下，按設置好的溫度曲線用自動控制軟件可以很好地控制整個燒成過程，但是如果出現計算機操作系統故障、計算機病毒、操作人員嚴重操作失誤等原因，而引起自動控制系統無法控制時，系統發出警報，此時可以通過外部開關強行退出計算機自動控制系統，而進入手動控制燒成方式。

參考文獻

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2 北京亞控自動化軟件有限公司.Kingview Version5.1使用手冊[Z]

3 馬偉光.建筑構件耐火極限試驗爐自動控制系統的設計[J].機械制造與自動化，2003，2