雙自復(fù)位熱斷路器水壺“非正常工作”試驗設(shè)備的研制

葉亦旭 胡哲

雙自復(fù)位熱斷路器水壺“非正常工作”試驗設(shè)備的研制

葉亦旭 胡哲

（寧波出入境檢驗檢疫局 浙江寧波 315400）

對帶有雙自復(fù)位熱斷路器水壺的100次“非正常工作”測試進(jìn)行介紹，分析目前采用手工測試的缺點，提出研究自動化測試設(shè)備的必要性和技術(shù)方案，總結(jié)研制該設(shè)備的關(guān)鍵技術(shù)和成果，并提出后續(xù)技術(shù)改進(jìn)意見，為進(jìn)一步提高水壺該項目測試的規(guī)范性、準(zhǔn)確性提供參考。

雙自復(fù)位熱斷路器水壺；非正常工作；自動測試

1 前言

水壺控制器的發(fā)展經(jīng)歷了從分離式控制器件（如限溫器、自復(fù)位熱保護(hù)器和熱熔體）到集成式標(biāo)準(zhǔn)化控制器的發(fā)展過程［1］。如今，采用雙自復(fù)位熱斷路器作為非正常保護(hù)設(shè)計的水壺已成為一種較成熟的產(chǎn)品，這種保護(hù)設(shè)計的方式正越來越多地被推廣。

雙自復(fù)位熱斷路器是電水壺重要元器件之一，其非正常保護(hù)工作原理為：水壺在干燒狀態(tài)下，雙自復(fù)位熱斷路器感溫雙金屬片緊貼發(fā)熱盤，到達(dá)感溫雙金屬片動作溫度時，雙金屬片變形后動作［2］，帶動聯(lián)動機構(gòu)，切斷觸點金屬片，使發(fā)熱盤斷電，逐步冷卻；當(dāng)發(fā)熱盤冷卻到雙自復(fù)位熱斷路器感溫金屬片復(fù)位時，感溫金屬片產(chǎn)生復(fù)位形變［3］，帶動聯(lián)動機構(gòu)，接通觸點金屬片，重新使發(fā)熱盤得電。通過這樣的循環(huán)，把電水壺發(fā)熱盤控制在一定溫度，避免發(fā)熱盤在干燒中過熱，從而達(dá)到電水壺非正常工作保護(hù)的目的。

國家強制性標(biāo)準(zhǔn)《家用和類似用途電器的安全液體加熱器的特殊要求》（GB4706.19-2008）［4］對自復(fù)位熱斷路器動作的可靠性考核做出了明確規(guī)定，標(biāo)準(zhǔn)19.102規(guī)定“帶有2個自復(fù)位熱斷路器的電水壺，將一個熱斷路器短路進(jìn)行工作，器具選擇0.85倍或1.15倍額定輸入功率中較不利者的情況。在另一個熱斷路器動作后的2 s時間內(nèi)，在電水壺中注入溫度為15±5℃的水。1 min后將電水壺中的水倒掉。試驗進(jìn)行100次?！痹囼灪螅€要依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)判定合格性，部分不合格的產(chǎn)品可能會導(dǎo)致水壺殼體燃燒，金屬熔融等危險［5］。

依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)對電水壺進(jìn)行雙自復(fù)位熱斷路器測試非常重要，但目前進(jìn)行該項測試以手工操作為主，測試效率不高，在計時、計次中容易出錯，操作隨意性較強。為使測試更規(guī)范、準(zhǔn)確，減少人工操作的不確定性，提高測試效率，研究雙自復(fù)位熱斷路器水壺“非正常工作”試驗設(shè)備非常必要。

2 研究內(nèi)容和技術(shù)路線

帶雙自復(fù)位熱斷路器感溫雙金屬片控制器的圖示見圖1。

圖1　帶雙自復(fù)位熱斷路器感溫雙金屬片的控制器

本項目擬研究一臺雙自復(fù)位熱斷路器水壺“非正常工作”試驗設(shè)備，通過自動化的測試來代替手工測試，研究內(nèi)容主要包括：進(jìn)行試驗次數(shù)、間隔時間的自動設(shè)定；根據(jù)設(shè)定進(jìn)行注入水溫控制；具備自動加水功能；具備夾持多種壺體，自動翻轉(zhuǎn)倒水功能；具備接通和操作故障報警功能；具備良好的人機交互界面。

根據(jù)上述的研究內(nèi)容，擬定的技術(shù)路線和采取的技術(shù)方案為：根據(jù)設(shè)備測試樣品的多樣性，采用可調(diào)節(jié)的壺體夾持裝置；考慮壺體自動翻轉(zhuǎn)的可靠性，選用氣缸作為動力源，設(shè)計3個行程，壺體提升、平移、翻轉(zhuǎn)；測試設(shè)備的核心控制器采用功能完善的可編程控制器，由LCD觸摸屏作為人機交互界面，方便試驗數(shù)據(jù)的輸入和試驗結(jié)果的輸出。

3 采用的關(guān)鍵技術(shù)

關(guān)鍵技術(shù)主要分為設(shè)備的硬件技術(shù)以及軟件技術(shù)。

3.1硬件技術(shù)

3.1.1采用多功能壺體夾持裝置和氣缸運行系統(tǒng)

設(shè)計一個可調(diào)節(jié)直徑大小的夾具，用于夾持水壺的底座；設(shè)計一個大小快速可調(diào)的壺體夾持夾具，采用搖柄的方式進(jìn)行快速的粗調(diào)，在夾持壺體部分，采用四點式可調(diào)固定桿的方法，進(jìn)行不同外形壺體形狀的貼合細(xì)調(diào)，見圖2。采用氣缸驅(qū)動，完成水壺的提升、平移和翻轉(zhuǎn)倒水，相比采用電動連桿進(jìn)行翻轉(zhuǎn)的機構(gòu)，氣缸系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、動作可靠、壽命更長的優(yōu)點，見圖3。

圖2　多功能壺體夾持裝置

圖3　氣缸運行系統(tǒng)

3.1.2通過PLC、LCD觸摸屏搭建自動測試系統(tǒng)PLC的輸入輸出原理框圖見圖4。

圖4　PLC的輸入輸出原理框圖

PLC輸入單元包括：X0急停按鈕，X1啟動按鈕輸入；X2升降氣缸上限位開關(guān)，X3升降氣缸下限位開關(guān)，X4移動氣缸左限位開關(guān)，X5移動氣缸右限位開關(guān)，X6翻轉(zhuǎn)氣缸上限位開關(guān)，X7翻轉(zhuǎn)氣缸下限位開關(guān)；X10負(fù)載電流檢測，X11進(jìn)水口溫度異常開關(guān)。PLC輸出單元包括：Y0升降氣缸控制，Y1移動氣缸控制，Y2翻轉(zhuǎn)氣缸控制，Y3水壺電源控制，Y4加水電磁閥控制，Y7報警燈、蜂鳴器控制。考慮到輸入單元和輸出單元的數(shù)量以及PLC性價比，選用三菱FX1S系列中的FX1S-20MT-001［6］，能滿足性能和技術(shù)的要求。LCD觸摸屏選用威綸通的TK6070i為人機交互的界面，該觸摸屏為7寸屏，采用電阻式觸控，具有USB2.0和串行接口，方便與電腦的連接調(diào)試以及與PLC的通訊連接，能滿足設(shè)備的需要。

3.2軟件技術(shù)

3.2.1PLC編程

采用GB4706.19-2008標(biāo)準(zhǔn)中19.102“非正常工作”的試驗內(nèi)容作為編程流程框圖，參考圖見圖5。

圖5　非正常工作PLC編程流程框圖

采用三菱自有的GX Developer系統(tǒng)［7］，依據(jù)上述流程圖對FX1S-20MT-001控制器進(jìn)行編程。

3.2.2LCD觸摸屏編程

采用威綸通自有的畫面編程軟件EB8000 Project Manager進(jìn)行TK6070i的畫面編程，該軟件可方便地將PLC輸出與畫面中狀態(tài)指示單元關(guān)聯(lián)，將畫面中的輸入與PLC中的內(nèi)部存儲器相關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)水壺測試次數(shù)、工作時間、干燒報警時間等參數(shù)的輸入。

4 研究成果及創(chuàng)新性

（1）模擬人工的自動倒水系統(tǒng)

采用自動倒水模擬人工倒水的全過程，具備一定獨創(chuàng)性。自動倒水系統(tǒng)包括：可調(diào)節(jié)式水壺基座固定裝置，方便不同大小水壺基座的固定；采用多功能可調(diào)式壺體夾持裝置代替人手，通過調(diào)節(jié)夾持裝置，可將不同形狀的壺體進(jìn)行可靠固定；考慮到壺體翻轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性和可靠性，采用電磁閥、氣缸傳感器和氣缸構(gòu)成壺體自動翻轉(zhuǎn)倒水系統(tǒng)來模擬人工倒水的動作；通過設(shè)置氣缸的行程，使水壺倒水的翻轉(zhuǎn)超過90°；通過設(shè)置倒水時間，確保水壺倒水不殘留。實際運行表明，水壺夾持牢靠，自動翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)動作流暢，水壺倒水干凈，取得較好的模擬人工倒水的效果。

（2）解決了人工檢測操作不規(guī)范、效率低下的問題

通過模擬人工的自動倒水系統(tǒng)，解決了人工倒水可能存在倒水不干凈的問題。通過測試系統(tǒng)中自動計時、計次解決了人工檢測操作中計時不準(zhǔn)、計次錯誤的問題。通過系統(tǒng)的自動運行，達(dá)到了解放人手，提高檢測效率的目標(biāo)。

（3）實現(xiàn)多參數(shù)輸入和試驗狀態(tài)顯示的自動測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)主要由PLC、LCD觸摸屏的硬件系統(tǒng)和PLC程序和觸摸屏的圖形編程的軟件系統(tǒng)組成。通過軟硬件結(jié)合，實現(xiàn)設(shè)備輸入?yún)?shù)的設(shè)定和LCD觸摸屏上動態(tài)顯示測試過程和測試結(jié)果，達(dá)到自動測試效果，完成整個科研課題最為核心的功能。

（4）帶有軟硬件保護(hù)的自動報警系統(tǒng)

考慮到測試過程的安全性，在設(shè)計以及調(diào)試的過程中，對安全保護(hù)系統(tǒng)不斷加以改進(jìn)，實現(xiàn)帶有軟硬件保護(hù)的自動報警系統(tǒng)，包括通過短路保護(hù)器、漏電保護(hù)器實現(xiàn)硬件保護(hù)，通過控制器程序的設(shè)定，具有熱斷路器動作、加熱時間過長等報警功能。

5 后續(xù)技術(shù)改進(jìn)

本設(shè)備研制后，尚有需改進(jìn)之處：對于水壺的注入水溫，依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求增加溫度控制器，并設(shè)定進(jìn)水溫度的上下限，對超過限值的水溫，系統(tǒng)將自動報參考文獻(xiàn)

警；增加水壺電流的檢測功能，當(dāng)出現(xiàn)無電流，負(fù)載斷開的情況，自動報警；為避免自復(fù)位熱斷路器失效，水壺持續(xù)干燒，甚至出現(xiàn)起火的情況，在控制器的程序中增加干燒最長時間的設(shè)定，超過該時間，系統(tǒng)自動進(jìn)行熱斷路器異常報警。

［1］馮洪江.中國溫控器市場的主角［J］.現(xiàn)代家電，2011，03：42-45.

［2］周亦武，程建蕊.熱雙金屬簡介及在熱保護(hù)器中的應(yīng)用［J］.電機電器技術(shù)，2001，03：42-44.

［3］朱民達(dá).熱雙金屬元件及其制造工藝：第一部分熱雙金屬工作原理及主要技術(shù)性能［J］.低壓電器，1996，04：49-51.

［4］GB4706.19-2008家用和類似用途電器的安全液體加熱器的特殊要求［S］.

［5］GB4706.1-2005家用和類似用途電器的安全第1部分通用要求［S］.

［6］三菱電機自動化（上海）有限公司.FX1S系列微型可編程控制器使用手冊.2007.

［7］李響初，等.圖解三菱PLC、變頻器與觸摸屏綜合應(yīng)用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013：6-45.

Development of Testing Equipment of Abnormal Operation of Kettle Incorporating Two Self-Resetting Thermal Cut-Outs

Ye Yixu，Hu Zhe
（Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo，Zhejiang，315400）

To further improve normalization and accuracy about the testing of 100 cycles abnormal operation for kettles incorporating two self-resetting thermal cut-outs，this paper introduce the testing items，analyze the defect of manual testing，propose the necessity and technical protocols of researching automatic testing equipment，summarize key technique，advise improvement suggestions.

Kettle Incorporating Two Self-Resetting Thermal Cut-Outs；Abnormal Operation；Automatic Testing

TM930.2

E-mail：yy.yeyx@nbciq.gov.cn

寧波出入境檢驗檢疫局科研項目（甬K03-2013）

2014-12-09