快熱式熱水器超溫保護耐久性測試系統(tǒng)研究*

張 立，王萬成，趙凱挺

（1.余姚出入境檢驗檢疫局，浙江余姚 315400；2.寧波出入境檢驗檢疫局，浙江寧波 315000）

快熱式熱水器超溫保護耐久性測試系統(tǒng)研究*

張 立1，王萬成2，趙凱挺1

（1.余姚出入境檢驗檢疫局，浙江余姚 315400；2.寧波出入境檢驗檢疫局，浙江寧波 315000）

超溫保護裝置的可靠性對快熱式熱水器安全運行起到了關(guān)鍵的保障作用，IEC標(biāo)準和GB國標(biāo)均規(guī)定了相關(guān)耐久性測試項目，以確保熱水器在整個壽命期間安全使用。介紹了一個能夠?qū)崿F(xiàn)對用于超溫保護的熱斷路器和泄壓保護裝置在標(biāo)準規(guī)定條件下進行耐久性試驗的一體化測試系統(tǒng)，包括該系統(tǒng)基本功能及硬件架構(gòu)、PLC控制流程和應(yīng)用LabVIEW編寫的操作界面及其程序框圖細節(jié)，并給出了測試數(shù)據(jù)曲線，為實施該檢測項目提供了一種有效方法。

快熱式熱水器；超溫保護；耐久性測試系統(tǒng)；LabVIEW；應(yīng)用

0 引言

與儲水式熱水器相比，快熱式熱水器具有小巧美觀，升溫速度快等優(yōu)點，但其瞬時發(fā)熱功率很大，一旦溫度控制失效，可產(chǎn)生超溫超壓異常情況并可造成使用者燙傷甚至電熱管爆裂引起觸電等事故，因此其保護裝置的可靠性、穩(wěn)定性和耐久性顯得尤為重要，其安全標(biāo)準[1-2]規(guī)定了溫度及壓力保護裝置在經(jīng)受耐久性循環(huán)測試后，保護性能參數(shù)不應(yīng)出現(xiàn)明顯的偏離。但目前尚無專用試驗設(shè)備來實現(xiàn)此項測試要求，通常采用手動調(diào)節(jié)流量人工讀取數(shù)據(jù)及高低溫交變試驗箱等替代方法來進行測試，存在著測試條件與熱水器產(chǎn)品實際使用條件差異大、不能真實反映保護裝置實際工作狀態(tài)且測試精度低、可靠性、一致性差的問題，而本測試系統(tǒng)能夠模擬快熱式熱水器在實際工作狀態(tài)下所經(jīng)歷的溫度與壓力波動過程，對上述保護裝置進行高效自動化地測試，具有顯著的實際應(yīng)用意義。

1 測試系統(tǒng)工作原理

本項目所研發(fā)系統(tǒng)集成了溫度和壓力兩種測試模式，由同一操作軟件實現(xiàn)監(jiān)控。根據(jù)標(biāo)準規(guī)定，在測試初始5次熱斷路器動作溫度和泄壓保護裝置壓力動作值的基礎(chǔ)上，可分別自動地進行5萬次溫度變化和壓力變化耐久性測試。在測試熱斷路器動作溫度之前，將熱水器正常運行期間動作的控制器短路，自動調(diào)節(jié)流量使出水口水溫不斷升高，當(dāng)達到動作溫度時，熱斷路器瞬間切斷熱水器電源，此時電流互感器輸出一個信號給下位機，下位機立即記錄動作時熱斷路器溫度值，同時增大流量對熱水器進行冷卻。上位機讀取由下位傳來的動作溫度并在數(shù)據(jù)框中顯示相應(yīng)測試結(jié)果。

耐久性溫度變化循環(huán)是模擬熱水器在正常使用期間流量反復(fù)變化而引起的溫度波動。在溫度測試模式下，通過對流經(jīng)快熱式熱水器的水流量及樣品供電電源進行自動調(diào)節(jié)和控制，從而使出水口溫度隨之發(fā)生變化來達到標(biāo)準所規(guī)定溫度變化循環(huán)周期。其循環(huán)變化的溫度上下限分別是熱水器在額定功率下工作時，水流量調(diào)節(jié)到水流開關(guān)或壓力開關(guān)處于動作臨界狀態(tài)時測得的出水口水溫及該溫度的中間值。經(jīng)受耐久性試驗后，重復(fù)測量熱斷路器動作20次的平均值。對前后兩個平均值進行比較即可做出符合性判定。

壓力測試模式則相對簡單，通過控制增壓泵和泄壓閥的交替通斷，來實現(xiàn)規(guī)定的動作壓力值的測量和壓力變化循環(huán)周期試驗過程。

2 測試系統(tǒng)硬件架構(gòu)及通信方式

本系統(tǒng)是一個集成了供水系統(tǒng)、電氣硬件和工控電腦操作界面的機電一體化綜合體。

2.1 硬件架構(gòu)

本系統(tǒng)硬件主要由測試主機和控制柜兩大部分構(gòu)成，其構(gòu)成如圖1所示。

圖1 快熱式熱水器超溫保護耐久性測試系統(tǒng)硬件組成

一是測試主機，主要設(shè)置了控制被測快熱式熱水器工作狀態(tài)的供水系統(tǒng)，包括壓力驅(qū)動增壓泵、各類傳感器（流量、壓力、水位、水溫）及用于執(zhí)行流量控制的比例調(diào)節(jié)閥等部件。

二是控制柜，主要包括用于主界面控制的工控機、PLC控制器、模擬量輸入/輸出模塊、智能流量計及壓力計、變頻器等。模擬量輸入模塊FX2N-4AD-TC主要是采集進水口、出水口水溫以及熱斷路器溫度。模擬量輸出模塊FX2N-2DA直接控制比例調(diào)節(jié)閥。PLC使用FX3U-485-BD通信功能擴展板通過RS485總線獲取流量和壓力實時測試數(shù)據(jù)，并將控制數(shù)據(jù)直接輸出到變頻器，與比例閥配合工作實現(xiàn)對所測樣品流量、溫度和壓力的控制。

2.2 計算機與PLC控制器的串行通信

本測試系統(tǒng)中工控機界面LabVIEW與PLC之間的串行通信是通過OPC方式［3］實現(xiàn)的，其優(yōu)點在于利用硬件開發(fā)商提供的OPC Server，軟件開發(fā)人員無需編寫低層驅(qū)動程序，通過用戶軟件的OPC Client即可與之進行數(shù)據(jù)交互，只需要對OPC服務(wù)器進行相關(guān)設(shè)置就可以實現(xiàn)連接。

LabVIEW DSC數(shù)據(jù)記錄與監(jiān)控模塊提供了數(shù)據(jù)管理工具，利用其與OPC Server通訊的方式簡化通過LabVIEW與OPC Server通訊。本測試系統(tǒng)通過創(chuàng)建共享變量，將各共享變量例如測試設(shè)定流量、設(shè)定水壓、斷路器溫度、進水溫度等參數(shù)綁定相應(yīng)的OPC標(biāo)簽，并將其載入到多變量編輯器中，以O(shè)PC.lvlib為文件名保存在指定文件夾中。LabVIEW將需要發(fā)布的數(shù)據(jù)送到OPC服務(wù)器后，通過串口傳給底層設(shè)備（PCC）；PCC的數(shù)據(jù)傳到OPC服務(wù)器，LabVIEW讀取數(shù)據(jù)并在前面板中顯示出來，從而得到現(xiàn)場數(shù)據(jù)。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)控制軟件總體由兩部分構(gòu)成，下位機為三菱公司FX3U-16MR-ES微型可編程控制器，其程序通過GX Developer V8.86Q開發(fā)，按照工作流程設(shè)計梯形圖程序［4］；上位機工控電腦主界面采用LabVIEW圖形化程序進行編制。

3.1 下位機程序概述

本系統(tǒng)的測試功能流程主要由PLC來執(zhí)行，以溫度測試模式為例，其主要流程如圖2。

圖2 溫度試驗?zāi)Ｊ綔y試流程圖

該流程執(zhí)行的關(guān)鍵在于對測試精確度的控制。以溫度循環(huán)測試模式為例，由于熱斷路器溫度的變化并不是直接由發(fā)熱元件本身來控制，而是通過自動調(diào)節(jié)流量來間接控制，因此若采用開環(huán)方式調(diào)節(jié)流量容易造成實際溫度超出設(shè)定溫度循環(huán)變化范圍上下限的情況。為了解決這個問題，在梯形圖程序中引入了PID指令進行閉環(huán)控制，該指令的格式（功能指令編號為FNC 88）為：

經(jīng)調(diào)試，確定合適的采樣時間Ts(S3)，比例增益Kp(S3+3)、積分時間Ti(S3+4)、微分增益KD（S3+ 5）、輸出上下限等參數(shù)，并保存到相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器中，而PID輸出則用于控制供水水泵變頻器工作頻率和電動比例調(diào)節(jié)閥工作狀態(tài)，執(zhí)行該指令后使控制精度得到明顯提高。

3.2 LabVIEW及功能模塊概述

LabVIEW是虛擬儀器領(lǐng)域最具代表性的圖形化編程軟件，廣泛應(yīng)用于測控領(lǐng)域［5］。本系統(tǒng)操作界面控制軟件基于LabVIEW 2014版本開發(fā)，主要由壓力試驗?zāi)Ｊ健囟仍囼災(zāi)Ｊ?、測試數(shù)據(jù)曲線查詢及共享界面共4個功能模塊及其子VI組成，見圖3。

圖3 上位機軟件功能模塊

3.2.1 程序概述

進入測試系統(tǒng)后，程序界面如圖4所示。

整個程序主要是基于LabVIEW的While循環(huán)結(jié)構(gòu)和條件結(jié)構(gòu)[6]進行編制的，由嵌套條件結(jié)構(gòu)或事件結(jié)構(gòu)的While循環(huán)組成。循環(huán)按等待函數(shù)指定時間重復(fù)執(zhí)行循環(huán)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的程序框圖，直到接線端(輸入端)接到特定退出While循環(huán)的布爾值，事件驅(qū)動結(jié)構(gòu)可以使LabVIEW程序在空閑時處于休息狀態(tài)，直到前面板中有新的事件發(fā)生。

圖4 測試系統(tǒng)上位機界面

3.2.2 數(shù)據(jù)曲線實時顯示子VI

為了便于觀測過程狀態(tài)，本軟件具有測試數(shù)據(jù)曲線實時顯示功能。以溫度試驗?zāi)Ｊ綖槔@是一個嵌套條件結(jié)構(gòu)的While循環(huán)，執(zhí)行過程為：通過獲取日期/時間（秒）函數(shù)讀取系統(tǒng)時間，并與從下位機讀取的進水、出水口溫度、當(dāng)前流量、熱斷路器溫度等參數(shù)以局部變量的形式通過捆綁函數(shù)使各獨立元素組合為簇，存放到指定盤數(shù)據(jù)庫文件中，供前面板下方實時數(shù)據(jù)表格讀取并顯示。

根據(jù)波形顯示要求，X軸為當(dāng)前時間，Y軸分別置于波形圖兩邊，左邊Y1軸為當(dāng)前流量值，右邊Y2軸為出水口溫度和熱斷路器當(dāng)前溫度。通過獲取日期/時間（秒）函數(shù)讀取系統(tǒng)時間，由格式化日期/時間字符串函數(shù)按照時間格式代碼指定格式，使時間標(biāo)識的值或數(shù)值顯示為時間（X軸）。同時從下位機讀取的模擬量出水口水溫、熱斷路器溫度和當(dāng)前流量輸入數(shù)值至十進制數(shù)字符串轉(zhuǎn)換函數(shù)，將數(shù)字轉(zhuǎn)換為十進制數(shù)組成的字符串，與上述時間數(shù)值一起創(chuàng)建數(shù)組并寫入電子表格文件VI。

利用LabVIEW的XY波形圖表控件來實現(xiàn)對溫度、流量曲線的同步顯示。XY波形圖表是一個圖形顯示控件，可以同時選擇多個參數(shù)作為特性曲線的縱坐標(biāo)。出水口水溫、熱斷路器溫度和當(dāng)前流量值分別與系統(tǒng)時間通過捆綁函數(shù)并形成各自的數(shù)組，再次捆綁后合成為一個數(shù)組輸入到波形顯示控件實現(xiàn)實時波形顯示[7]。

3.2.3 測試數(shù)據(jù)曲線保存與查詢VI

為了對測試過程作進一步分析與研究，本系統(tǒng)設(shè)置了測試數(shù)據(jù)曲線保存與查詢功能。

數(shù)據(jù)保存模塊是一個嵌套條件結(jié)構(gòu)的While循環(huán)，點擊該按鈕時，程序執(zhí)行當(dāng)前VI路徑函數(shù)確定保存數(shù)據(jù)文件的路徑，在報表生成選板中的新建報表，指定報表類型為Excel文件，窗口狀態(tài)為最小化，設(shè)置報表字體VI，設(shè)置所保存信息文字的字體字號等，轉(zhuǎn)到添加表格至報表VI設(shè)置行首列首標(biāo)題以及行寬列寬等參數(shù)，同時將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)值數(shù)據(jù)(二維數(shù)組)一并輸入至報表。

查詢模塊下的前面板設(shè)置了曲線查詢、數(shù)據(jù)刪除和波形清空三個功能按鈕。以曲線查詢功能為例，程序為平鋪式程序結(jié)構(gòu)，點擊該按鈕，進入第一幀程序，打開對話框，要求輸入需要查詢的文件路徑或目錄，然后由文件I/O VI和函數(shù)選板下的讀取電子表格文件VI在數(shù)值文本文件中從指定字符偏移量開始讀取指定數(shù)量的行或列，并使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為雙精度二維數(shù)組，然后連線至二維數(shù)組轉(zhuǎn)置函數(shù)，重新排列二維數(shù)組的元素，使二維數(shù)組[i，j]變?yōu)橐艳D(zhuǎn)置的數(shù)組[j，i]。轉(zhuǎn)入下一步索引數(shù)組函數(shù)，函數(shù)可自動調(diào)整大小，在數(shù)組中顯示各個維度的索引輸入，索引輸入端的數(shù)量與數(shù)組的維數(shù)匹配。

該函數(shù)輸出分為三項：一是進入FOR循環(huán)，掃描字符串函數(shù)，將輸入的字符串依據(jù)格式轉(zhuǎn)換成年月日時分秒(時間標(biāo)識只能按照時間格式，否則返回錯誤)，分別輸入到按名稱捆綁函數(shù)，用于X軸時間顯示。另一方面，其余兩項如出水口水溫、熱斷路器溫度和水流量分別輸入到十進制數(shù)字符串至數(shù)值轉(zhuǎn)換函數(shù)，使字符串中的數(shù)字字符轉(zhuǎn)換為十進制整數(shù)，分別與上述X時間軸經(jīng)捆綁函數(shù)并創(chuàng)建數(shù)組后，在前面板中顯示對應(yīng)的波形曲線。查詢結(jié)束時，程序第二幀是一個單按鈕對話框函數(shù)，給出數(shù)據(jù)查詢完成信息。

3.2.4 共享界面VI

LabVIEW程序啟動后，系統(tǒng)對各相關(guān)數(shù)據(jù)狀態(tài)以100 ms的周期進行掃描，掃描主要涉及三種類型的數(shù)據(jù)：一是32位整數(shù)，例如在溫度測試模式下，熱斷路器上限報警溫度設(shè)定值、測試初始流量設(shè)定值、溫度變化周期循環(huán)數(shù)等；二是雙精度浮點數(shù)，如當(dāng)前流量值、進水口和出水口溫度等；三是布爾量，如高低水位指示、水箱加熱指示及急停鎖定等，在共享界面上進行實時顯示。

4 測試驗證實例

以測試對象某快熱式熱水器樣品為例，對系統(tǒng)進行驗證。該快熱式熱水器的熱斷路器標(biāo)稱動作溫度為80℃。根據(jù)標(biāo)準規(guī)定，分別測量耐久性試驗前后的動作溫度，中間階段經(jīng)受出水口溫度上限與其中間值之間的耐久性試驗過程，測試數(shù)據(jù)曲線如圖5所示。由于是模擬測試，5萬次循環(huán)縮短為10次，實時顯示的曲線與數(shù)據(jù)表明本測試系統(tǒng)較好地實現(xiàn)了對產(chǎn)品超溫保護性能的自動化測試過程。

圖5 動作溫度測試數(shù)據(jù)及溫度變化循環(huán)曲線

通過對不同型號快熱式熱水器使用本測試系統(tǒng)進行超溫、超壓保護耐久性測試，測試過程各循環(huán)均具有良好的一致性，整機測試精度能滿足相關(guān)標(biāo)準及CTL決議［8］要求，表明該系統(tǒng)工作狀態(tài)具有較高的穩(wěn)定性和可靠性。

5 結(jié)論

基于LabVIEW軟件開發(fā)的快熱式熱水器超溫保護耐久性綜合測試系統(tǒng)，充分體現(xiàn)了軟件操作界面設(shè)置的靈活性。該系統(tǒng)的顯著特點是：再現(xiàn)了快熱式熱水器實際工作狀態(tài)，界面功能齊全，輸入?yún)?shù)設(shè)置方便，測試過程數(shù)據(jù)曲線直觀明了；充分發(fā)揮自動化控制的優(yōu)勢，測控精度高，大大提高了測試效率，能夠滿足家電安全標(biāo)準相關(guān)測試規(guī)定，達到了預(yù)期的設(shè)計要求，為熱水器產(chǎn)品制造企業(yè)以及相關(guān)認證檢測機構(gòu)進行質(zhì)量把關(guān)提供了一種有效的測試方法。

［1］GB 4706.11-2008家用和類似用途電器的安全快熱式熱水器的特殊要求［S］.北京：中國標(biāo)準出版社，2008（07）：7-8.

［2］IEC 60335-2-35：2012 Household and similar electri?cal appliances-Safety-Part 2-35： Particular require?ments for instantaneous water heaters［S］.Geneva 20，Switzerland， InternationalElectrotechnicalCommis?sion，2012.11：19.

［3］王建勛，沈勝利.基于OPC技術(shù)的FX_（2N） PLC和PC數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)［J］.實驗室研究與探索，2014（01）：119-122.

［4］秦常貴.GX Developer在學(xué)習(xí)PLC技術(shù)中的應(yīng)用［J］.電腦學(xué)習(xí)，2011（02）：7-9.

［5］曾珞亞.基于OPC技術(shù)的PLC與LabView通信實現(xiàn)［J］.微計算機信息：測控自動化，2009，25（6-1）：52-53。

［6］林靜，林振宇，鄭福仁.LabVIEW虛擬儀器程序設(shè)計從入門到精通：第二版［M］.北京：人民郵電出版社，2013.

［7］易馳，文小玲，李鳳旭.基于LabVIEW的溫度壓力采集系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2013（17）：5-8.

［8］International Electrotechnical Commission.PDSH 251E，Instrument Accuracy Limits［EB/OL］.2015-01-23. http：//decisions.iecee.org/iecee/SearchCMC.nsf/de_h. xsp？v=ctl#。

Research on Testing System for Instantaneous Water Heaters Over-Temperature Protective Device Endurance

ZHANG Li1，WANG Wan-cheng2，ZHAO Kai-ting1
（1.Yuyao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Yuyao315400，China；2.Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo315000，China）

The reliability of the Over-temperature protective device is a vital safeguard for safe operation of instantaneous water heaters; IEC&GB standards specify the related endurance test to ensure the safety during the whole useful life period of the water heaters.It introduces an integrative test system performing the test under the conditions specified in the standards，including details of the test system including hardware architecture，PLC control process and test operating interface and block diagrams based on LabVIEW，and gives test curve&data;it provides an effective means for the endurance test.

instantaneous water heaters；over-temperature protective；endurance test system；LabVIEW；application

TM93

B

1009－9492(2015)10－0010－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.003

張 立，男，1967年生，浙江余姚人，大學(xué)本科，工程師。研究領(lǐng)域：機電產(chǎn)品認證、檢測與設(shè)計。

(編輯：阮 毅)

*國家質(zhì)檢總局科技計劃項目（編號：2014IK201）

2015－08－10