基于PLC的電器能效測試系統(tǒng)設(shè)計

黃理龍，唐仁幸，柯勝根，呂罕聰

（浙江省檢驗檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，杭州 310016）

引言

當(dāng)今社會能源已成為發(fā)展中的一個關(guān)鍵問題。電器產(chǎn)品的能效水平受到社會的關(guān)注，能效標(biāo)志已經(jīng)成為該類產(chǎn)品進(jìn)入市場的重要依據(jù)[1]。家用儲水式電熱水器生產(chǎn)技術(shù)成熟，由于直接使用電能，其方便，安全、衛(wèi)生等特點(diǎn)被廣大消費(fèi)者所接受，家庭占有率較高。但也存在本身功耗較大的因素。因此，儲水式電熱水器的能效水平已成為其品質(zhì)的一個重要組成。

儲水式電熱水器的能效檢測的依據(jù)為GB 21519。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求，將涉及有效容量、24h固有能耗和出熱水率等項目的測試。鑒于能效測試過程中環(huán)境條件要求較高，與目標(biāo)溫度的接近程度決定了能耗值的準(zhǔn)確程度，因此調(diào)整目標(biāo)溫度是一個較為漫長的過程。在現(xiàn)有的實驗室條件下進(jìn)行測試需要經(jīng)過多次的安裝調(diào)試。

針對GB 21519的測試要求、方法，制作一個專用的裝置，即使得整個測試過程只進(jìn)行一次安裝調(diào)試，又充分利用現(xiàn)有的測試設(shè)備，就能完成標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的所有項目的測試，有助于提高測試的效率，降低測試的勞動強(qiáng)度和成本，避免能效測試成為一個耗能測試，并滿足日益增長的社會委托測試的需要。能效測試系統(tǒng)的自動化和智能化必將成為發(fā)展趨勢[2]。

1 系統(tǒng)概述

該測試系統(tǒng)以PLC CPU為核心，擴(kuò)展四個模塊，用于模擬量的采集，包括能耗、溫度值、重量、流量，其整體框圖如圖1所示。

測試裝置通過PLC實現(xiàn)信號與數(shù)據(jù)采集，讀取溫度、電能、時間等相關(guān)參數(shù)。PLC通過RS—232接口實現(xiàn)與后臺計算機(jī)的鏈接。實現(xiàn)對測試樣本的數(shù)據(jù)處理及測試過程的邏輯程序的控制和對裝置的控制。

2 設(shè)備選型

2.1 上位機(jī)及其輔助設(shè)備

上位機(jī)為主控計算機(jī)，以WindowsXP為系統(tǒng)平臺，由UPS不間斷電源供電。計算機(jī)上裝組態(tài)軟件，裝有WORD、EXCEL等基本辦公軟件，并配有打印機(jī),如圖2。

圖1 儲水式電熱水器測試系統(tǒng)的原理框圖

圖2 試驗流程管理框圖

2.2 下位機(jī)設(shè)備

下位機(jī)采用通用型模塊化PLC、電磁流量計（類型S2電壓200～240V 頻率47～63Hz電流輸出：4～20mA ）、電流繼電器(In10A fn 50Hz)、單相電子式電能表(電壓220V電流5(20)A 頻率50Hz )、三位數(shù)顯交流電壓表(量程AC 0-500V)。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 控制要求

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20289-2006進(jìn)行電熱水器的容量測試；標(biāo)準(zhǔn)GB 21519-2008定義的24小時(h)固有能耗基準(zhǔn)值的計算；

3.2 24h固有能耗

試驗裝置要求測定24h固有能耗peQ的值，按標(biāo)準(zhǔn)要求，以高精度電能表為能耗值測定單元，電表連接方便，讀數(shù)精準(zhǔn)，可與PLC通訊，將24h耗電量值，存儲電腦硬盤中，實現(xiàn)后期的計算。

3.3 熱水輸出率測試方法

溫度設(shè)定調(diào)整溫控器滿足下面要求后立即切斷電源進(jìn)行測試：注入電熱水器額定的一半容量的冷水使得電熱水器重新啟動工作；如果沒有啟動，那么繼續(xù)注水直到啟動加熱后停止注水；電熱水器工作直到溫控器首次斷開的儲水平均溫度θA1應(yīng)滿足(65±3)℃的要求[4]。

在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的環(huán)境溫度下調(diào)整儲水式電熱水器的溫控器設(shè)定，以滿足的條件。在此條件下，24h固有能耗Qpe按式(3)計算：

式中：peQ—— 24h固有能耗，單位為千瓦時(kW h?)；

45 —— 45℃，單位為攝氏度（℃）；

θamb—— 試驗E1期間平均環(huán)境溫度，單位為攝氏度(℃ )。

3.4 控制系統(tǒng) 硬件設(shè)計

硬件組態(tài)作為整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)部分，主要功能分為CPU核心控件、電源供電模塊和信號采集驅(qū)動模塊等，將各設(shè)備按標(biāo)準(zhǔn)有序安裝到相應(yīng)的機(jī)架上，并對PLC硬件模塊的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置和修改過程。按電氣控制原理及控制要求設(shè)計主線路原理圖，實現(xiàn)PLC和PC網(wǎng)絡(luò)通訊，如圖3。

3.5 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

程序設(shè)計是整個應(yīng)用設(shè)計系統(tǒng)的核心工作，因此應(yīng)該首先分析各部分控制要求，熟悉PLC及相關(guān)元器件工作原理，具備一定的電氣設(shè)計和編程的實踐經(jīng)驗。本系統(tǒng)采用PLC為核心控制器作為系統(tǒng)的控制主芯片，應(yīng)用可讀性較強(qiáng)的梯形圖和C語言結(jié)合的方法作為編程語言。軟件系統(tǒng)包括初始化程序、運(yùn)行程序和中斷功能程序三部分[5]。

被測電熱水器按正常使用時的方式注滿水（對密閉式電熱水器，應(yīng)施加規(guī)定的水壓），通過測量注滿水的電熱水器的質(zhì)量減去無水的電熱水器質(zhì)量，并將結(jié)果初一所測量溫度下的水的密度，得到電熱水器的實測容量C，以L為單位，精確到0.1L，并將結(jié)果送至上位機(jī)顯示并保存。

測得熱水器固定容積，根據(jù)GB 21519-2008表1可計算出電熱水器24h固有能耗基準(zhǔn)值，為電熱水器能效等級提供計算值。完成容量值讀數(shù)后，開始24h電熱水器固有能耗的測試。24h電熱水器固有能耗需要對熱水器布置溫度測試點(diǎn)。對導(dǎo)熱良好容器，單容器測試點(diǎn)的選擇，將熱電偶緊緊貼在容器外表面上，對待測電熱水器放置5點(diǎn)熱電偶，布置完成后用等效于原有隔熱效果材料進(jìn)行填充防止漏熱。系統(tǒng)上位機(jī)測試過程分為手動測試與自動測試。

圖3 主線路接線圖

進(jìn)行24h電熱水器固有能耗之前，按照標(biāo)準(zhǔn)5.3.3進(jìn)行溫控器的設(shè)定，使電熱水器的不排水儲水平均溫度在（65±3）℃范圍內(nèi)，并處于穩(wěn)定狀態(tài)。溫控器從某次斷開電源時開始，直到經(jīng)過48h以后，溫控器第一次斷開電源為止，用電度表測量此期間電能的損耗量。同時用計時器測量其相應(yīng)的測量時間，在這段測量期間內(nèi)，按照5.3.2規(guī)定的方法，測量并計算出該測量期間內(nèi)的24h固有能耗值，圖4 24h固有能耗測試流程圖。

手動過程：通過人工手動調(diào)節(jié)溫控器，使熱水器在標(biāo)準(zhǔn)（65±3）℃范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)過程需要估計，粗調(diào)，微調(diào)，精調(diào)等過程，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍。人工調(diào)節(jié)過程，因溫度具有慣性，調(diào)節(jié)周期較長，出現(xiàn)偶爾間斷現(xiàn)象，溫度難以精確控制，且部分熱水器并無可調(diào)溫控器。因此結(jié)合溫控器的原理及標(biāo)準(zhǔn)溫度控制范圍，以軟件實現(xiàn)自動控制：

圖4 24h固有能耗程序流程圖

具體為傳感器將檢測到的溫度轉(zhuǎn)換成4-20mA的電流信號，系統(tǒng)需要配置模擬量的輸入模塊把電流信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號 再送人PLC中進(jìn)行處理。經(jīng)過RS-232接口，送至上位機(jī)，并與設(shè)定值比較實現(xiàn)對電源的ON與OFF過程進(jìn)而將熱水器的熱水溫度穩(wěn)定在表標(biāo)準(zhǔn)范圍。ON為溫度設(shè)定范圍的下限值，OFF為溫度設(shè)定范圍的上限值，目的保證OFF與ON之間的平均溫度為65℃。軟件控制溫度方法，適用溫控器不能調(diào)至標(biāo)準(zhǔn)范圍溫度的熱水器；無需人工手動、繁重的溫控器調(diào)節(jié)，降低人為誤差，提高測量精度和數(shù)據(jù)可追溯性，更主要的是使待測樣機(jī)的θM很快進(jìn)入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的溫度范圍內(nèi)，提高了測試效率。

4 實驗裝置和結(jié)果

本試驗平臺，按照標(biāo)準(zhǔn)要求，分析參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，實現(xiàn)硬件與軟件的結(jié)合。完成如圖5的測試裝置，并以實際家用電熱水器為實驗對象，得出各試驗數(shù)據(jù)。驗證實驗裝置有較靈敏的反饋速度、較高的數(shù)據(jù)精度，快速實時性、高準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性及方便簡單的可操作性，朝智能測試更進(jìn)了一步。

圖5 測試裝置圖

4.1 24 h固有能耗測試結(jié)果

PLC實現(xiàn)了電熱水器能效測試的完全自動化，能夠確保測試過程安全可靠地運(yùn)行，同時方便人員操作，提高系統(tǒng)維護(hù)質(zhì)量，降低維護(hù)成本。本次測試電熱水器單容器電熱水器為例進(jìn)行試驗。此熱水器額定電壓為交流220V，溫控器50℃到70℃調(diào)節(jié)，帶有非自復(fù)位式熱斷路器。由于熱水器為差溫型，其原理根據(jù)熱水器的上下溫差值來控制電源的通斷。24 h 固有能耗系數(shù)測試曲線如圖6。

圖6 24 h 固有能耗系數(shù)測試曲線

圖7 測試主界面圖

從圖6可得出，測試過程中由常溫升至65℃，通過系統(tǒng)設(shè)置上下限，將熱水器水溫穩(wěn)定在（65±3）℃范圍內(nèi)。通過上位機(jī)組態(tài)王可以實現(xiàn)可視化及圖形顯示、信息、歸檔以及報表的功能模板，可靠地數(shù)據(jù)傳送使其具有高度的實用性。

圖7所示為測試系統(tǒng)的主界面，從主界面可直觀讀出熱水器各點(diǎn)當(dāng)前狀態(tài)的溫度值、環(huán)境溫度、各點(diǎn)溫度平均值、進(jìn)水口、出水口開關(guān)狀態(tài)、自動手動切換按鈕、運(yùn)行時間、測試水量、平均溫度變化曲線圖、設(shè)置、用戶、各時段溫度記錄表格、出水率計算公式、出水率溫度相關(guān)數(shù)據(jù)記錄表格。簡單、方便、快捷實現(xiàn)人機(jī)交互，提高測試效率。經(jīng)過48小時的測試將直接顯示對應(yīng)國標(biāo)的能效等級，即為測試結(jié)果。

圖8為測試過程中，主機(jī)實時記錄開、停次數(shù)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)行周期、儲水的平均溫度并將結(jié)果以表格的形式，存儲于電腦硬盤，為測試結(jié)果提供有效的依據(jù)和參考。

4.2 熱水輸出率測試結(jié)果

熱水輸出率測試系統(tǒng)的測試過程為記錄排水開始點(diǎn)溫控器首次斷開時的儲水平均溫度，在排水期間每間隔5s記錄一次，自開始放水15s 后記錄進(jìn)水溫度和出水溫度，同時記錄在排水期間的最高出水溫度，連續(xù)排水至出水溫度比最高出水溫度低20 ℃，關(guān)閉出水閥停止排水。系統(tǒng)通過質(zhì)量流量計獲得排水期間排出水的質(zhì)量，根據(jù)以上記錄的參數(shù)值通過標(biāo)準(zhǔn)公式計算得出熱水輸出率，其計算結(jié)果如圖9 所示。

本系統(tǒng)以額定電壓220V，額定功率1500W，額定容積13.8L，自復(fù)位熱斷路器的單容器，壁掛式電熱水器為測試樣本。經(jīng)過測試和調(diào)試，系統(tǒng)的整體功能完全可以按標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行。實現(xiàn)了多線程的串口通信和上位機(jī)的顯示，充分發(fā)揮PLC快速響應(yīng)的實用性特點(diǎn)和支持CPU操作的強(qiáng)大功能來縮短測試周期、提高測試精度。

4.3 該系統(tǒng)與其他實驗室的比對結(jié)果

該能效測試系統(tǒng)建成后，參加了實驗室內(nèi)部不同型號、不同人員的儲水式電熱水器能效檢測數(shù)據(jù)一致性核驗，同時與其他實驗室間數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，各項結(jié)果證明，利用該系統(tǒng)測試的24 h 固有能耗系數(shù)和熱水輸出率的測試結(jié)果Z 值均小于2，比對結(jié)果較為滿意。

4.4 系統(tǒng)測試結(jié)果的測量不確定度來源分析

系統(tǒng)主要測量不確定度:

1)環(huán)境因素引入的不確定度。如溫度數(shù)據(jù)采集儀、供給電源電壓頻率的變化、大氣壓、空氣組成、空氣流速、熱輻射等因素引起的測量不確定度，可依據(jù)檢定/校準(zhǔn)證書和有關(guān)資料確定。

2)測量設(shè)備引入的不確定度。主要來源于功率計量程精度誤差、熱電偶的布點(diǎn)方式和位置誤差、單相電子式電能表的讀數(shù)精度和量程精度誤差、流量計的讀數(shù)精度誤差、重力傳感器安裝誤差，可根據(jù)各設(shè)備說明書和校準(zhǔn)證書中的參數(shù)來確定。

圖8 測試過程數(shù)據(jù)記錄表格

圖9 熱水輸出率測試結(jié)果

3)人員操作引入的不確定度，通過測試人員的經(jīng)驗、能力、身體素質(zhì)及工作態(tài)度相關(guān)環(huán)節(jié)確定。24h 固有能耗系數(shù)測試時，因為測量不排水平均儲水溫度用的熱電偶是固定在內(nèi)膽的外側(cè)，固定方位偏差會引入較明顯的不確定度。

5 結(jié)論

該測試系統(tǒng)極大地縮短人工數(shù)據(jù)采集和計算的時間，實現(xiàn)自動化測試后，大大提高熱水器能效檢測的工作效率和數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性及精確度，能效測試的自動化程度也明顯提高，降低檢測成本，加快檢測周期。

[1] 張擇. 能效標(biāo)識來了 小家電企業(yè)直面生死“大考”[J]. 質(zhì)量探索.2009 (Z1).

[2] 張濤,韓吉田,閆素英,許明田,于潔玫.全玻璃真空管太陽能熱水器影響因素的數(shù)值模擬研究[J]. 可再生能源. 2012 (10).

[3] 呂鋒,容文杰. PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計方法與技巧[J]. 河北冶金.1999 (04).

[4] GB 21519 - 2008，儲水式電熱水器能效限定值及能效等級[S]．

[5] 陳元金,司粉妮,唐登攀. 開發(fā)重大應(yīng)用軟件的系統(tǒng)化復(fù)用策略[A]. 第五屆反應(yīng)堆物理與核材料學(xué)術(shù)研討會、第二屆核能軟件自主化研討會會議摘要集[C]. 2011.