基于GB 12021.2-2015的冰箱在線自動(dòng)化測控系統(tǒng)

吳上泉， 梁錦昌， 鄒偉

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所，廣東 廣州 510000)

0 引 言

GB 12021.2-2015《家用電冰箱耗電量限定值及能效等級(jí)》于2015年9月18日公布，并于2016年10月1日正式實(shí)施，替換GB 12021.2-2008作為國內(nèi)家用電冰箱能效等級(jí)評(píng)價(jià)的強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)GB/T 8059《家用和類似用途制冷器具》性能測試標(biāo)準(zhǔn)也以已于2016年12月30日正式頒布。與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，主要區(qū)別如表1所示[1]。

表1 耗電量測試方法對(duì)比

可以看出，總耗電量不再是簡單的測量24 h以上的時(shí)間內(nèi)的能耗，然后折算到24 h作為耗電量指標(biāo)，而是包括了穩(wěn)定狀態(tài)耗電量、化霜及恢復(fù)期耗電量增量以及輔助裝置的耗電量，而前兩者都有相應(yīng)的判定算法，同時(shí)裝載部分也有類似的判定算法。

其中穩(wěn)定狀態(tài)耗電量判定算法有兩種，分別為SS1、SS2，化霜及恢復(fù)期耗電量增量也有兩種，分別為DF1、DF2，裝載判定算法有一種，這幾種判定算法采用的主要甄別參數(shù)是幾段區(qū)間內(nèi)的時(shí)間長度、溫度偏差、溫度變化率、相對(duì)功率偏差，相對(duì)功率變化率[2]35。而目前國內(nèi)大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)這幾種算法采用的仍然是現(xiàn)場實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，然后手動(dòng)離線統(tǒng)計(jì)、搜索、遍歷、判斷、計(jì)算的方法，測試效率極其低下。

本文提出一種三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理念，將上位機(jī)、可編程控制器PLC、高精度控制儀表UT55A、高速數(shù)據(jù)采集器MX100、高精度功率計(jì)WT310以及觸摸屏等測試部件有機(jī)結(jié)合在一起，采用上位機(jī)、觸摸屏同步集中管理、底層網(wǎng)絡(luò)分散控制的方式，并在上位機(jī)中部署在線測試軟件，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、判斷計(jì)算、信息提示、報(bào)告生成、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本測控系統(tǒng)主要針對(duì)6工位冰箱性能測試實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行設(shè)計(jì)，每個(gè)工位配備20個(gè)通道熱電偶，采用三層結(jié)構(gòu)的控制架構(gòu)，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

其中頂層為PC工控機(jī)，主要部署了基于LabVIEW平臺(tái)自行開發(fā)的工控軟件，實(shí)時(shí)監(jiān)控冰箱性能實(shí)驗(yàn)室各個(gè)功能部件的工作狀況，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集、判斷、顯示、存儲(chǔ)等功能。

第二層為EDS交換機(jī)實(shí)現(xiàn)的局域網(wǎng)絡(luò)，該局域網(wǎng)絡(luò)上的設(shè)備主要有2個(gè)MX100數(shù)據(jù)采集器、1個(gè)串口管理器、1個(gè)觸摸屏。單個(gè)MX100數(shù)據(jù)采集器最多能采集60通道的熱電偶，而6工位需要120個(gè)通道熱電偶，因此需要2個(gè)MX100數(shù)據(jù)采集器對(duì)熱電偶進(jìn)行管理采集；串口管理器負(fù)責(zé)對(duì)串口進(jìn)行擴(kuò)展，主要擴(kuò)展出6路RS232端口，1路RS485總線端口。MI8100觸摸屏負(fù)責(zé)一些簡單的人機(jī)交互、大功率器件的開停與報(bào)警顯示。

第三層為6個(gè)高精度功率計(jì)(WT310)、高精度溫濕度控制表(UT55A)、可編程邏輯控制器(PLC)。功率計(jì)實(shí)現(xiàn)6個(gè)工位的電參數(shù)采集，主要包括電壓、電流、功率、功率因素、電能、頻率。UT55A實(shí)現(xiàn)房間溫度濕度的高精度閉環(huán)PID調(diào)節(jié)，并將實(shí)時(shí)的溫度、濕度數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送給PC機(jī)。PLC控制器接受PC機(jī)的指令，同時(shí)也接受MT8100I觸摸屏的指令對(duì)風(fēng)機(jī)、壓縮機(jī)、加熱器、加濕器等進(jìn)行開?？刂?，并搜集報(bào)警信號(hào)上傳。

本在線自動(dòng)化測控系統(tǒng)程序主要分為三個(gè)部分，觸摸屏程序、PLC程序以及上位機(jī)主控程序，其中觸摸屏程序較簡單，不予贅述，本文僅討論P(yáng)LC程序與上位機(jī)主控程序。

1.1 PLC程序設(shè)計(jì)

PLC程序需要控制和接收的信息主要包括表2所示內(nèi)容。此外，程序設(shè)計(jì)需要考慮一些具體的邏輯原則：

表2 報(bào)警信號(hào)以及控制信號(hào)

(1)只有在循環(huán)風(fēng)機(jī)開啟的狀態(tài)下，才能開啟電加熱、電加濕、壓縮機(jī)1、壓縮機(jī)2，且后4者中有一個(gè)處于開啟狀態(tài)，都不能關(guān)停循環(huán)風(fēng)機(jī)，否則認(rèn)為是無效操作；

(2)壓縮機(jī)的啟停距離上一次應(yīng)該有一定時(shí)間的保護(hù)延時(shí)；

(3)各大功率器件啟動(dòng)的時(shí)候，是否有相應(yīng)類的報(bào)警信號(hào)輸出，如果有，則不予啟動(dòng)；

(4)當(dāng)有報(bào)警信號(hào)輸出時(shí)，檢測到危險(xiǎn)信號(hào)邏輯時(shí)，應(yīng)該自動(dòng)停止相應(yīng)的大功率器件。

1.2 主控程序設(shè)計(jì)

上位機(jī)程序主體框架由LabVIEW平臺(tái)開發(fā)，使用Access數(shù)據(jù)庫對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行列表存儲(chǔ)，同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的循環(huán)遍歷、計(jì)算判穩(wěn)模塊采用了基于VS2010編譯形成的DLL庫。

主控程序整體框架如圖2所示，主要包括3部分子模塊：設(shè)備監(jiān)控、工位查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢。其中設(shè)備監(jiān)控子模塊負(fù)責(zé)6個(gè)工位實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢，各設(shè)備的通信狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)等。工位查詢部分包括各工位的各項(xiàng)參數(shù)設(shè)置、詳細(xì)運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示、判斷計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等。

圖2 主控程序整體框架結(jié)構(gòu)

測控系統(tǒng)的整體監(jiān)控界面如圖3所示，人機(jī)交互中除了包括一些常用功能，比如試驗(yàn)信息設(shè)置、數(shù)據(jù)保存、試驗(yàn)停止和退出外，針對(duì)耗電量試驗(yàn)還包括了“空載試驗(yàn)可結(jié)束”，“此時(shí)可裝載”，“裝載試驗(yàn)穩(wěn)定”，“考慮換裝載負(fù)載”，“耗電量試驗(yàn)可停止”等指示燈，以及“裝載”、“換裝載”按鈕。

歷史數(shù)據(jù)查詢主要包括Access數(shù)據(jù)庫查詢與歷史數(shù)據(jù)文件讀取。LabVIEW平臺(tái)對(duì)Access數(shù)據(jù)庫的調(diào)用可以通過NI公司提供的NI_Database_API.lvlib庫函數(shù)實(shí)現(xiàn)[3]，庫中主要包括數(shù)據(jù)庫連接的打開、SQL語言運(yùn)行、數(shù)據(jù)庫的關(guān)閉等，如圖4所示。由于程序需要對(duì)文件進(jìn)行較頻繁的數(shù)據(jù)寫入與讀取，因此本測控系統(tǒng)統(tǒng)一采用NI兼容性最好的、最常用存儲(chǔ)所采集數(shù)據(jù)通道的文件格式——技術(shù)數(shù)據(jù)管理流(TDMS)格式。 該文件中的數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)至3個(gè)層次：文件、通道組、通道名稱，從而可以將功能類似的數(shù)據(jù)進(jìn)行分組、批量快速存儲(chǔ)。

圖3 測控系統(tǒng)監(jiān)控界面

圖4 程序?qū)ccess數(shù)據(jù)庫的調(diào)用

1.2.1被試機(jī)信息采集與監(jiān)控

系統(tǒng)需要采集被試機(jī)的溫度數(shù)據(jù)以及電參數(shù)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，處理，統(tǒng)計(jì)，判定等。其中溫度數(shù)據(jù)根據(jù)傳感器不同，分為熱電偶數(shù)據(jù)與鉑電阻干球溫度數(shù)據(jù)。前者通過MX100數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行信號(hào)傳輸，后者采用溫控儀表(UT55A)進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集與控制。電參量的采集與電能積分控制通過WT310實(shí)現(xiàn)。

NI公司開發(fā)了一種用來與各種儀器總線進(jìn)行通信的高級(jí)應(yīng)用編程接口——VISA[4]，可以用來對(duì)USB、GPIB、串口、以太網(wǎng)等接口進(jìn)行通信，在本系統(tǒng)中，只需要簡單調(diào)用VISA即可對(duì)以上的幾種儀器進(jìn)行通信與控制。其中MX100采用的是以太網(wǎng)通信，VISA口格式為TCPIP::addr::port:SOCKET,其中addr表示MX100的主機(jī)地址，port為端口號(hào)固定為34316。通信程序圖如圖5所示。

圖5 MX100數(shù)據(jù)采集程序

本系統(tǒng)中UT55A不僅負(fù)責(zé)環(huán)境溫度、相對(duì)濕度的采集傳輸，也負(fù)責(zé)形成現(xiàn)場控制閉環(huán)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境溫濕度的高精度控制。UT55A智能控制器采用的控制閉環(huán)如圖6所示，其中UT55A內(nèi)部自帶了模糊控制器，PID參數(shù)自整定算法，輸入輸出十段線性化矯正等功能，因此使用非常方便。

圖6 UT55A控制結(jié)構(gòu)框圖

1.2.2算法設(shè)計(jì)

針對(duì)文獻(xiàn)[2]35中所要求的多種判定算法，本文對(duì)其中的溫控周期判定算法以及裝載能效測算方法進(jìn)行了自動(dòng)化程序設(shè)計(jì)。

(1)溫控周期判定

針對(duì)具有壓縮機(jī)啟停特性的被試器具，需要判斷并劃分其溫控周期，統(tǒng)計(jì)溫控周期內(nèi)的各間室平均溫度、平均功耗，進(jìn)而進(jìn)行后續(xù)的穩(wěn)態(tài)、化霜及恢復(fù)期或者裝載的判定與計(jì)算。因此溫控周期的準(zhǔn)確判定對(duì)計(jì)算結(jié)果有非常重要的意義。文獻(xiàn)[2]35中規(guī)定可以采用間室溫度的最高點(diǎn)對(duì)溫控周期進(jìn)行劃分，或者采用壓縮機(jī)(或化霜加熱器)啟動(dòng)對(duì)溫控周期進(jìn)行劃分，本文采用后一種劃分方式，并提出了一種基于狀態(tài)機(jī)的溫控周期判斷方法，能夠精準(zhǔn)劃分溫控周期，同時(shí)方法中排除了防凝露加熱器、風(fēng)扇、燈等部件工作可能造成誤判的因素。其中，狀態(tài)遷移圖如圖7所示。

圖7 溫控周期狀態(tài)遷移圖

狀態(tài)機(jī)主要包含4種狀態(tài)，分別為壓縮機(jī)運(yùn)行、化霜加熱器啟動(dòng)、停止以及等待。其中壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的判定條件為

P≥Plower,φ≤φdf

(1)

其中Plower為功率設(shè)定下限值，φdf為功率因素設(shè)定上限值。同理，化霜加熱器運(yùn)行狀態(tài)的判定條件為:

P≥Plower,φ>φdf

(2)

而停止?fàn)顟B(tài)判斷條件為

P

(3)

此外，I_CompressRun, I_stop, I_heater分別表示壓縮機(jī)運(yùn)行判定條件持續(xù)時(shí)間，停止判定條件持續(xù)時(shí)間，化霜加熱器運(yùn)行判定條件持續(xù)時(shí)間。任意2個(gè)非等待狀態(tài)之間切換都需要經(jīng)過“等待”狀態(tài)，這是為了濾除由于被試機(jī)功能部件啟動(dòng)造成的一些誤判因素，“等待”狀態(tài)需要一直循環(huán)，直到待切換的“某狀態(tài)”持續(xù)足夠長時(shí)間。而一旦完成切換，且程序判定當(dāng)前為非“停止?fàn)顟B(tài)”，則進(jìn)行溫控周期數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。

(2)裝載判定算法

文獻(xiàn)[5]84針對(duì)空載期間穩(wěn)態(tài)功率、化霜及恢復(fù)期的耗電量增量提出了一種自動(dòng)尋優(yōu)、遍歷的測算算法，本文基于此，設(shè)計(jì)了一種針對(duì)裝載期間耗電量增量的測算方法，如圖8所示?？蛰dSS判定算法與裝載SS判定算法過程相同，流程如圖9所示。具體的SS1、SS2、DF1、DF2判定算法可以參考文獻(xiàn)[5]84，本文不予贅述。

圖8 裝載判定算法流程圖 圖9 穩(wěn)態(tài)SS判定算法流程圖

2 系統(tǒng)測試

應(yīng)用本自動(dòng)化測控系統(tǒng)對(duì)一款對(duì)開門風(fēng)冷無霜冰箱進(jìn)行16℃時(shí)的耗電量測試，測試結(jié)果如表3所示。

通過觀察不難發(fā)現(xiàn)，“三星”和“四星”級(jí)室平均溫度為-18.092 6 ℃，冷藏室ta平均溫度為3.687 1 ℃，滿足間室特性溫度的單點(diǎn)測試要求，環(huán)境溫度15.865 1 ℃也滿足16±0.5 ℃的精度要求，此外，系統(tǒng)還根據(jù)被試機(jī)的各間室容積、環(huán)境溫度偏差對(duì)耗電量進(jìn)行了修正，修正系數(shù)為1.006 7，并對(duì)化霜及恢復(fù)期的耗電量增量、裝載期間的耗電量增量進(jìn)行了計(jì)算，完全滿足測試的功能和精度要求。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)GB12021.2-2015中提出的測試要求，提出了一種基于三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自動(dòng)化測控系統(tǒng)，從系統(tǒng)硬件框架設(shè)計(jì)到PLC程序設(shè)計(jì)，最后到系統(tǒng)算法實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了闡述，最后通過系統(tǒng)測試驗(yàn)證了該系統(tǒng)的功能完整性和可靠性。該系統(tǒng)具有良好的人機(jī)交互功能，能夠極大程度上減少測試人員對(duì)試驗(yàn)的誤操作概率，同時(shí)省去了繁瑣的人工計(jì)算、判穩(wěn)等步驟，能極大程度地提高測試效率。

[1] 趙亞麗，王瑞，鄧伯會(huì)．IEC新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)直冷冰箱耗電量評(píng)價(jià)的研究[C].2013年中國家用電器技術(shù)大會(huì)，北京：2013:854-858.

[2] 全國能源基礎(chǔ)與管理標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)(SAC/TC 20),家用電冰箱耗電量限定值及能效等級(jí):GB12021.2-2015[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2015.

[3] 唐亞鵬, 侯媛彬. 基于LabVIEW的實(shí)踐教學(xué)平臺(tái)與Access數(shù)據(jù)庫的開發(fā)[J]. 計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展, 2011, 21(5):219-222.

[4] 魏義虎, 陳雷. 基于LabVIEW-VISA方式的串口通信研究[J]. 電子設(shè)計(jì)工程, 2015,22(24):129-131.

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