ISO 15025—2016《防护服 防火防热 限制火焰蔓延的测试方法》对阻燃防护服火焰蔓延性测试仪器提出了较高的技术要求。因此，开发一套全自动阻燃防护服火焰蔓延性测试仪就显得十分必要。人眼观察确定火焰长度，会受到观察角度、标尺放置位置、眼睛误差等多方面因素影响，导致火焰长度不符合标准要求，或者每次试验的火焰长度一致性不好；人工调节燃烧器与试样的距离会存在一些问题，如定位不准确达不到标准要求误差、移动速度不均匀或者过快使火焰不稳定或熄灭等；人为反应时间会导致火焰施加时间、试样续燃时间和阴燃时间的计时误差；试样过程中可能会产生的大量热量和废烟不仅需要及时排出，而且还要保证试验环境风速满足标准要求。这些因素都会影响试验结果的准确性和一致性。本项目通过集成创新应用机电一体化技术，采用HMI工业人机界面、PLC逻辑控制器、步进电机控制单元、数字编码器、UV火焰长度探测装置和质量流量控制器，实现了表面燃烧和底部边缘燃烧两种测试方法的全自动控制、火焰长度的自动探测调节、燃烧器位置和角度的全自动控制、自动计时控制系统，极大提高了仪器的技术指标精度，保证了试验结果的可靠稳定，为提高阻燃面料火焰蔓延性能提供了可靠的检测手段，能够替代进口，为广大外贸出口企业提供性价比高的检测仪器[1]。1测试原理在没有外加辐射热的条件下，用小火焰从试样表面或底部边缘燃烧以测试试样面料的火焰蔓延性，采用特定燃烧器的规定火焰对垂直放置的织物试样表面或底部边缘施以燃烧10 s，记录试样形成的火焰续燃、阴燃、滴落碎片及破洞等形态的信息，并记录续燃时间和阴燃时间，以此来评价阻燃面料的阻燃性能[2]。2设计思路根据项目提出的技术要求结合标准要求，同时总结市场现有产品存在的问题，重新梳理设计思路，将仪器功能的实现分成各个子系统。HMI工业人机界面和PLC逻辑控制器组成程序控制子系统，步进电机控制单元和数字编码器组成燃烧器位置和角度控制子系统，UV火焰长度探测装置和质量流量控制器组成火焰长度的自动探测调节子系统，高精度电子计时器和红外传感器组成自动计时控制子系统，机箱防护结构和排烟装置组成风速控制子系统。各个子系统之间通过模拟量信号和数字通讯技术协调联动工作，实现了测试仪器的全自动工作，保证了各项技术指标的精度和测试结果的准确稳定，降低了试验人员的操作难度，有效提升了工作效率。3系统构成3.1程序控制子系统程序控制子系统由HMI工业人机界面和PLC逻辑控制器组成，HMI工业人机界面选用昆仑通态TPC1061TX，这是一套以先进的Cortex⁃A8 CPU为核心（主频600 MHz）的高性能嵌入式一体化触摸屏，采用了10.2英寸高亮度TFT液晶显示屏，支持RS232和RS485通讯，配有100 M以太网口，具备强大的图像显示和数据处理功能，能够满足仪器程序处理和操作显示的要求。PLC逻辑控制器根据系统接口需要，必须同时支持数字量输入、数字量输出、模拟量输入、模拟量输出、高速脉冲输入、高速脉冲输出和RS485通讯，选用台达DVP20SX系列的PLC，梯形图端口统计见表1。.T001表1PLC梯形图端口统计表信号类型点数控制名称DI4霍尔传感器、红外传感器、限位传感器DO3轴流风机、回风阀、电磁阀DI（高速脉冲）3精密编码器、UV传感器DO（高速脉冲）2步进电机驱动AI2质量流量控制器、风速变送器AO1质量流量控制器RS4851HMI工业人机界面3.2燃烧器位置和角度控制子系统标准规定了两种测试方法对燃烧器与试样的距离和角度。表面燃烧试验：燃烧器口距试样表面（17±1）mm，与垂直方向夹角90°，如图1（a）所示。底部边缘燃烧试验：燃烧器口距试样底部中心（20±1）mm，与垂直方向夹角30°，如图1（b）所示。图1燃烧器位置和角度.F001（a）表面燃烧.F002（b）底部边缘燃烧位置精度的控制要求。表面燃烧控制精度为±1 mm，燃烧器从初始位置到工作位置的距离为300 mm；根据三角函数公式sin30°=1/2计算，边缘燃烧控制精度为±0.5 mm，燃烧器从初始位置到工作位置的距离为310 mm。常见的运动控制方法有气动控制和电动控制两种，气动控制运动机构因为运动不匀速，且停止定位点不可靠，无法满足使用要求。电动控制采用步进电机驱动配合高性能同步带轮在动力传动中使用，传动比例1︰1，步进电机驱动通过控制脉冲频率和脉冲数量来调节电机转动速度和转动距离达到精准控制，完全可以满足精度要求。步进电机步距角精度为0.75°/脉冲，同步带轮外径为21 mm，根据弧长计算公式L=n×π×r/180计算出0.75°/脉冲的运动距离为0.274 75 mm。表面燃烧的设计运动距离300 mm需要脉冲数300/0.274 75=1 091.9(个)，脉冲数取整1 092个，实际运动距离1 092×0.27475=300.027（mm），满足±1 mm的精度要求。边缘燃烧的设计运动距离310 mm需要脉冲数310/0.27475=1128.3（个），脉冲数取整1 128个，实际运动距离1 128×0.274 75=309.918（mm），满足±0.5 mm的精度要求。角度精度的控制要求。表面燃烧与垂直方向夹角90°，底部边缘燃烧与垂直方向夹角30°。控制部件选择步进电机驱动器直接驱动，步进电机步距角精度为1.5°/脉冲，以火焰长度测量角度为初始角度0°，底部边缘燃烧角度为30°，步进电机运动脉冲数为30°/1.5°=20（个），表面燃烧角度为90°，步进电机运动脉冲数为90°/1.5°=60（个）。同时为了保证位置和角度的控制精度，分别在位置运动机构和角度运动机构中增加高精度编码器，检测步进电机运动状态，组成闭环控制，确保脉冲输出与输入数量相同，达到理论设计要求精度。运动机构简图如图2所示。.F003图2运动机构简图3.3火焰长度的自动探测调节子系统标准规定了两种测试方法的火焰长度。表面燃烧试验：燃烧器顶端距火焰黄色部分末端的距离（25±2）mm。底部边缘燃烧试验：燃烧器顶端距火焰黄色部分末端的距离（40±2）mm。如图3所示。图3火焰长度.F004（a）表面燃烧.F005（b）底部边缘燃烧火焰长度的自动探测调节子系统由UV火焰长度探测装置和质量流量控制器组成。火焰探测的基本原理，火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1 μm~10 μm或更宽的范围，检测火焰的方法有多种，常用的有红外线传感器和UV传感器，红外线传感器检测火焰发出的红外线，但红外线传感器的响应波长范围太宽，对检测目标以外的光和热、太阳光、点燃的烟头等都能感测到。UV传感器只对185 nm~260 nm狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其他频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。到达大气层下地面的太阳光和非透紫材料作为玻壳的电光源发出的光波长均大于300 nm，故火焰探测的220 nm~280 nm中紫外波段属太阳光谱盲区（日盲区）。紫外火焰探测技术，使系统避开了最强大的自然光源——太阳造成的复杂背景，使得在系统中信息处理的负担大为减轻，可靠性较高，加之它是光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力。除此之外，它还具有反应时间极快的特点。与红外线传感器相比，UV传感器更为可靠，且具有高灵敏度、高输出、高响应速度和应用线路简单等特点。设计选用R2868型UVtrol，其工作原理：当其接收到紫外线时，管内会产生连续的脉冲放电，放电时管内阳极和阴极导通，从阴极输出宽度为10 μs的脉冲信号。质量流量控制器以燃烧气体丙烷为标定值，集成了流量执行和反馈单元，调节精度高，能够实现±0.01 L/min的精度，响应时间1 s，程序控制子系统采集UV传感器模块的探测信号实时调整质量流量控制器的运行，最终达到准确调整火焰长度的目标。火焰长度探测简图如图4所示。.F006图4火焰长度探测简图3.4自动计时控制子系统计时器设计采用大规模专用集成电路和LED数码管显示，显示精度0.01 s，设置精度0.01 s，量程0.01 s~99.99 s，具有信号输出、开始、暂停和复位功能。仪器设计使用3个计时器，程序控制子系统根据试验过程分别控制3个计时器的工作，首先在燃烧器行进至测试位置后，启动试样燃烧时间计时器并计时10 s，然后控制燃烧器恢复至其初始位置的同时，启动续燃时间计时器并开始计时，最后续燃结束后点击续燃停止按钮，续燃时间计时器停止计时的同时，启动阴燃时间计时器并开始计时，待阴燃结束后点击阴燃停止按钮，阴燃时间计时器停止计时，复位按钮负责对3个计时器进行清零复位。3.5风速控制子系统风速控制子系统由全封闭防护结构机箱、通风排气装置和风速变送器组成。全封闭防护结构机箱，保证仪器内部不受外界环境风速的影响，考虑到试验过程中燃烧试样会产生大量的烟气，仪器上端配有通风排气装置，通风排气装置由轴流风机、回风阀和风速变送器构成，为保证在试验过程中达到标准要求的风速，通风排气装置与试验控制装置由程序控制子系统统一协调控制，试验准备开始前会自动关闭轴流风机，判断回风阀已经关闭，判断机箱门已经关闭，并接收风速变送器信号确保当前风速小于0.2 m/s，试验结束完成后自动开启轴流风机，判断回风阀已经打开。如果在试验过程中发现机箱门打开或者当前风速大于0.2 m/s，会自动暂停并提示错误，保证试验过程符合标准要求环境。4应用成效我国西部某检测机构使用阻燃防护服火焰蔓延性测试仪与SGS检测机构的测试报告结果对比，同时增加了燃烧器位置测量和火焰长度测量[3]，测量使用的游标卡尺精度为0.01 mm，结果见表2。其中，测得阴燃时间均为0 s。.T002表2结果对比试样编号测试方法经纬向位置/mm火焰长度/mm续燃时间/sSGS测试仪1表面燃烧经向17.0325.0834.333.721边缘燃烧经向20.0640.1033.131.572表面燃烧经向17.0325.0531.531.972边缘燃烧经向20.1140.0931.934.163表面燃烧经向17.0425.1032.734.093边缘燃烧经向20.0740.1134.534.214表面燃烧纬向17.0525.09004边缘燃烧纬向20.0540.06005表面燃烧纬向17.0225.07005边缘燃烧纬向20.0440.08006表面燃烧纬向17.0640.06006边缘燃烧纬向20.0340.1300由表2可以看出，该仪器的测试结果与SGS测试报告结果一致，且燃烧器位置和火焰长度均满足标准误差要求。5结语创新地采用程序控制总系统与各个子系统协调工作，统一调度的处理机制，各子系统都具有各自独立控制的能力和控制条件，以可视化HMI人机界面直观显示和操作，实现了火焰蔓延性测试过程的自动化，方便适用，性能稳定，保证了试验数据的准确可靠，为相关检测机构和生产企业提供了高性价比选择，为提高防护服阻燃面料的阻燃性能提供了可靠的检测手段。