電熱水器節(jié)能及安全性能綜合智能測試系統(tǒng)的研究

蔡萬高 陳繼宣 方溫至

【摘要】本文采用技術(shù)整合的手段，把能效、耐水壓、電參數(shù)、防電墻檢測整合到一體，研制一種集能效限定值、節(jié)能評價值、能效等級、安全等多項檢測功能于一體的電熱水器節(jié)能及安全綜合智能測試系統(tǒng)。通過搭建數(shù)據(jù)采集硬件模塊，研發(fā)動態(tài)圖像顯示分析系統(tǒng)，并通過物理端口實現(xiàn)電腦實時監(jiān)控。

【關(guān)鍵詞】電熱水器 技術(shù)整合 綜合智能系統(tǒng) 自動測試 數(shù)據(jù)采集 實時監(jiān)控

1引言

根據(jù)國家發(fā)改委、質(zhì)驗總局和認監(jiān)委2008年第64號公告要求，從2009年3月1日起，所有市場上銷售的儲水式電熱水器必須加貼能效標識。為適應(yīng)形勢發(fā)展，更好更快地為生產(chǎn)企業(yè)提供技術(shù)服務(wù)，必須要盡快建立電熱水器節(jié)能及安全檢測設(shè)備和檢測技術(shù)。

國際上的能效測試技術(shù)不盡相同，一般采用24小時固有能耗損失來考核電熱水器的能效。但其缺點是測量復(fù)雜，耗時長，測試費用高，不適合于國內(nèi)的測試環(huán)境。國內(nèi)由于標準剛剛實施，生產(chǎn)的儀器存在檢測功能單一分散、自動化程度低、占用空間大、價格高昂、操作繁瑣等缺點。因此，設(shè)計研發(fā)一種集能效檢測和安全性能檢測于一體、設(shè)備小型化、節(jié)能低噪型、性價比較高的智能綜合測試系統(tǒng)是十分必要且緊迫的，同時也符合當前技術(shù)趨勢的發(fā)展。

2實驗原理

本測試系統(tǒng)依據(jù)下列標準的要求而設(shè)計：

GB/T20289-2006儲水式電熱水器；

GB4076.12-2006家用和類似用途電器的安全儲水式熱水器的特殊要求；

GB/T12113-2003接觸電流和保護導體電流的測量方法；

GB21519-2008儲水式電熱水器能效限定值及能效等級；

本系統(tǒng)分別由以恒溫水槽（#1罐）為核心的能耗測試裝置和以壓力罐（#2罐）為核心的壓力測試裝置組成。電氣系統(tǒng)以西門子S7-200CN型PLC可編程控制器為主機，以嵌入式一體化工控機TPC1063E觸摸屏作為人機界面。觸摸屏通過RS-485接口采集多功能電量儀表測得的電壓、電流、頻率、功率、電能等參數(shù)并傳給PLC。根據(jù)測試要求設(shè)計一個10KW專用穩(wěn)壓電源為熱水器供電，其輸出接電能表，電流經(jīng)互感器送入電能表。漩渦泵由固態(tài)繼電器控制，而固態(tài)繼電器輸入信號變壓器、整流橋和電容提供。防電墻測試由專門設(shè)計的漏電檢測單元實現(xiàn)。測試過程的溫度數(shù)據(jù)通過串行通訊接口送給筆記本電腦。電腦里測試軟件基于VISUALBASIC設(shè)計，將收到的數(shù)據(jù)自動存入EXCEL表格。

3實驗裝置和自動測試模塊設(shè)計

本裝置是將能效限定值、節(jié)能評價值、能效等級、安全等多項檢測功能集成一體的電熱水器節(jié)能及安全綜合智能測試系統(tǒng)的試驗設(shè)備。能耗測試模塊界面如圖1所示。特點如下：

（1）采用技術(shù)整合的手段，把能效、耐水壓、電參數(shù)、防電墻檢測整合到一體。利用人機分離計算機進行控制、操作試驗，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)實時記錄產(chǎn)品的多點溫度、水溫、水壓、流量、電參數(shù)等數(shù)據(jù)進行記錄并可存儲。通過高精度數(shù)據(jù)采集、處理、分析及控制測試系統(tǒng)，實現(xiàn)了測試過程的智能化，大大提高了試驗的效率，而且降低了操作人員的工作強度（如圖1）。

（2）本裝置采用在線儀器控制系統(tǒng)，實現(xiàn)供水系統(tǒng)的二合一。增加的“防電墻”功能的測試模塊，實現(xiàn)了直接讀取試驗用水電阻率、溫度、泄漏電流等功能。原先的防電墻性能試驗是采用泄漏電流測試臺單一進行試驗試驗方式單一，試驗樣品需多次進行重復(fù)灌水?，F(xiàn)在采用集成試驗方式，在熱水能耗性能測試試驗期間，當水溫升至25℃左右時，直接切換到防電墻性能試驗?zāi)Ｊ?，試驗方便準確，縮小試驗周期。

（3）動態(tài)圖像顯示分析系統(tǒng)。使該系統(tǒng)具有自動高速測試并適時顯示熱水器整機工作曲線及數(shù)據(jù)的功能。根據(jù)曲線自動對被測熱水器各項性能指標進行標準化分析，得出最終的熱工性能指標參數(shù)，適時顯示并自動進行合格與否判定。目前的類似設(shè)備都要對得到的大量數(shù)據(jù)通過人工計算才能得出結(jié)論。

（4）采用水冷系統(tǒng)設(shè)計，節(jié)能環(huán)保。較國內(nèi)熱水器能效檢測設(shè)備采用的風冷機組，水冷不但冷卻效果更好，而且噪音更低且做到冷卻用水循環(huán)利用，有效做到了測試環(huán)節(jié)的節(jié)能環(huán)保。

（5）選取合適的溫度傳感器、信號放大器和數(shù)據(jù)采集卡搭建數(shù)據(jù)采集模塊，確保能耗數(shù)據(jù)采集精度。

（6）利用虛擬儀器開發(fā)軟件開發(fā)數(shù)據(jù)采集、處理、分析及控制測試系統(tǒng)。

（7）采用超聲波水位傳感器，多層次水位控制，縮短水溫達標時間，提高檢測效率，節(jié)約用水量，在0～200L范圍內(nèi)隨意設(shè)定試驗用水的容量，來實現(xiàn)多層次水位控制的目的，縮短水溫達標時間，提高檢測效率，節(jié)約用水量，環(huán)保節(jié)能。

（8）內(nèi)膽壓力測試系統(tǒng)。原先脈沖壓力壽命試驗都采用直接增壓泵脈沖方式為儲水式電熱水器增瀉壓，試驗增泄壓的頻率達不到高頻率要求。本測試系統(tǒng)采用壓力罐氣壓穩(wěn)壓方式保持試驗用水的試驗壓力，水泵僅提供壓力罐的試驗用水，而不是直接作用于電熱水器，經(jīng)過電磁閥自動充泄轉(zhuǎn)換壓力管路，縮短單次脈沖壓力試驗周期和水壓的誤差，減少增壓水泵的啟動次數(shù)，提高試驗的效率。脈沖壓力壽命測試模塊界面如圖2所示。

此系統(tǒng)整合優(yōu)化了能效檢測和安全性能試驗臺；數(shù)據(jù)采集、處理、分析及控制實現(xiàn)全過程智能化；增加“防電墻”功能的測試模塊；動態(tài)圖像顯示分析系統(tǒng)；采用水冷系統(tǒng)設(shè)計和內(nèi)膽壓力測試系統(tǒng)；采用進氣出水和多層次水位控制方法，縮短水溫達標時間，保持水壓、水流、溫度的穩(wěn)定；耐水壓測試與能耗檢測一體兩路。通過各項指標的在線檢測，實現(xiàn)人機對話。

4結(jié)語

該試驗設(shè)備用于測試電熱水器電參數(shù)性能測試、儲水容積測試、能效性能測試、防電墻性能測試、高壓承壓能力試驗、脈沖壓力壽命試驗，該測試系統(tǒng)采用技術(shù)整合的手段，把能效、耐水壓、電參數(shù)、防電墻檢測整合到一體，互不干擾，改變了行業(yè)目前內(nèi)只能單獨檢測某一項目的現(xiàn)狀。為企業(yè)進行電熱水器產(chǎn)品質(zhì)量控制提供有力手段，又為企業(yè)節(jié)約了購置多套設(shè)備的成本，具有推廣意義。利用PLC技術(shù)，自主研制了檢測控制和數(shù)據(jù)處理分析軟件，實現(xiàn)了在線檢測過程的實時監(jiān)控。系統(tǒng)具有操作方便、檢測效率高等特點，創(chuàng)新性好，其能效檢測自動化技術(shù)達到國內(nèi)領(lǐng)先水平，填補了國內(nèi)空白。

參考文獻：

[1]阮德生.自動測試技術(shù)與計算機儀器系統(tǒng)設(shè)計.西安：西安電子科技大學出版社，1997．8-11，235-236.

[2]彭其圣，彭建盛.基于GPIB總線技術(shù)的I／O接1：3控制系統(tǒng)設(shè)計.計量與測試技術(shù)，2005.第4期：29-30.

[3]（美）WilliamBuchanan.PC接口通信與Windows編程.北京：中國電力出版社，2001.276.

[4]郭玫.對GB／T20289·2006《儲水式電熱水器》性能標準的理解.www．cnki.net，2007.38.

[5]南光群，胡學芝.可編程控制器的選擇.機械制造與自動化，2004，33（2）：65--.67.