商用燃氣灶具熱工性能自動化檢測系統(tǒng)

曹曉鋒　葉梓茂　趙軼　屈貴軍　唐人杰

摘 ? 要： 為商用燃氣灶具設計熱工性能自動化檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)檢測方法的智能化改造。結合熱工性能項目需求，對傳統(tǒng)檢測方法存在局限性問題進行分析，提出自動化檢測系統(tǒng)的整體設計方案。利用傳感器、PLC、終端動作器和上位機等模塊，傳感器對熱工性能參數(shù)進行采集匯總，PLC根據(jù)參數(shù)判斷熱工性能是否穩(wěn)定，控制終端動作器調(diào)節(jié)參數(shù)，燃燒穩(wěn)定后上位機根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)進行實時處理。以燃氣蒸箱為例，得到了熱工性能自動化檢測系統(tǒng)設計圖，通過燃氣系統(tǒng)、供水系統(tǒng)、輔助設計的協(xié)同，滿足了商用燃氣灶具對一體化、智能化、高效率、高精度的需求。

關鍵詞： 商用燃氣灶具;熱工性能;自動化檢測;智能化改造;PLC

中圖分類號：TU996.7+5 ? ?文獻標識碼：A ? ?文章編號：2095-8412 （2020） 04-116-04

工業(yè)技術創(chuàng)新 URL： http：//gyjs.cbpt.cnki.net ? ?DOI： 10.14103/j.issn.2095-8412.2020.04.022

引言

伴隨著我國經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的提高，人們對食物的需求正逐漸從飽腹向美味且多樣化轉變。商用燃氣灶具，具有火力集中、加熱速度快等特點[1]，能夠較好地滿足人們對食物日益增長的需求，因此被大量應用在酒店、食堂和商場等場所。近幾年，商用燃氣灶具的強制性國家標準相繼實施，國家對商用燃氣灶具行業(yè)的監(jiān)管力度正在加大，商用燃氣灶具產(chǎn)品的節(jié)能認證也不斷獲得市場的認可。隨著商用燃氣灶具行業(yè)準入門檻的提高，未來與其相關的檢測業(yè)務需求將持續(xù)增加[2]。

熱工性能是商用燃氣灶具的關鍵性能，包含熱負荷和熱效率兩個方面。熱負荷衡量商用燃氣灶具的使用性能是否能達到要求，熱效率則評估商用燃氣灶具的節(jié)能性能[3]。在傳統(tǒng)的商用燃氣灶具熱工性能檢測中，通常采用人為讀取數(shù)據(jù)的方法，且同時需要數(shù)人互相配合，效率和準確度無法保障，而自動化檢測、智能化改造則可以很好地解決這一問題[4]。

為實現(xiàn)商用燃氣灶具熱工性能檢測方法的智能化改造，本文對商用燃氣灶具熱工性能自動化檢測系統(tǒng)進行研究。首先結合熱工性能項目需求，對傳統(tǒng)檢測方法的局限性進行分析;然后從整體上提出對自動化檢測系統(tǒng)的設計方案;最后以燃氣蒸箱為例，對自動化檢測系統(tǒng)進行設計。

1 ?傳統(tǒng)檢測方法局限性分析

如引言所述，商用燃氣灶具的熱工性能包含熱負荷和熱效率兩個方面，二者有著緊密的聯(lián)系。以中餐灶為例，其熱效率試驗所需的試驗用鍋尺寸和試驗水重是基于熱負荷試驗算出的數(shù)據(jù)折算得到的[5]。二者在試驗原理上也是共通的：熱負荷是商用燃氣灶具在額定燃氣壓力下使用基準氣在規(guī)定時間內(nèi)放出的熱量;熱效率則是水升溫所需要的熱量與商用燃氣灶具使用基準氣所放出的熱量的比值[6-8]。

目前，絕大部分商用燃氣灶具的生產(chǎn)企業(yè)和檢測機構在進行檢測試驗時，都采用人工操作、記錄數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)處理等步驟。根據(jù)人工試驗方法，為了保證試驗可行性，至少需要2～3人同時進行操作，尤其是在中餐灶熱效率試驗中，主鍋和尾鍋內(nèi)需要同時攪拌，主鍋和尾鍋內(nèi)水的初、終溫都需要測量;另外，還需要同時監(jiān)測燃氣耗氣量等參數(shù)，并保持燃氣入口壓力的穩(wěn)定，這在商用燃氣灶具工況不符合標準要求的情況下是很難實現(xiàn)的;測量后，需要處理的數(shù)據(jù)量非常大。另一方面，商用燃氣灶具的熱負荷較大，燃氣流量一般在3.5 m3/h以上，因此不同的試驗人員會因為反應速度的快慢和記錄時間的不同，對試驗數(shù)據(jù)的記錄有不同的傾向，造成結果上的差異。實際上，在試驗中，試驗人員需要同時記錄大氣壓力、燃氣溫度、灶具燃氣入口壓力、流量計內(nèi)燃氣入口壓力等參數(shù)，操作中容易顧此失彼，尤其是在熱負荷檢測時，需記錄時長大于1 min且燃氣表旋轉一周以上的整圈數(shù)[9]，在記錄其他參數(shù)時可能會錯過這個流量記錄點而多等一圈，嚴重降低了試驗記錄的準確性和可追溯性。

總之，傳統(tǒng)檢測方法存在以下不足：

（1）熱負荷和熱效率需要分開計算，存在重復性勞動，花費時間較長，檢測效率較低，且在數(shù)據(jù)處理后才能知道結果;

（2）人員需求量大，操作易顧此失彼，在人員不足的情況下，檢測很難進行;

（3）熱工性能檢測需要保證在商用燃氣灶具工況符合標準要求且穩(wěn)定的情況下進行，而人工調(diào)節(jié)精度低，會造成壓力在規(guī)定點有不穩(wěn)定波動;

（4）人工記錄數(shù)據(jù)會因為操作人員的判斷不同而有較大差異，這樣會對檢測結果的準確性有影響。

2 ?自動化檢測系統(tǒng)整體設計方案

2.1 ?模塊選擇

為了提高商用燃氣灶具熱工性能檢測效率和準確度，減少人力成本和時間成本，考慮設計一套自動化檢測系統(tǒng)，利用傳感器、PLC、終端動作器和上位機來實現(xiàn)自動化檢測。

通過傳感器采集商用燃氣灶具燃燒時的參數(shù)，參數(shù)大致可以分為兩類：采集型參數(shù)和調(diào)節(jié)型參數(shù)。采集型參數(shù)是灶具燃燒時產(chǎn)生的參數(shù)，調(diào)節(jié)型參數(shù)則是需要保持穩(wěn)定并決定灶具燃燒工況的參數(shù)，具體如表1所示。PLC根據(jù)采集到的參數(shù)，用終端動作器進行調(diào)節(jié)，使燃燒工況穩(wěn)定。工況穩(wěn)定后，上位機根據(jù)實時采集的數(shù)據(jù)進行計算、存檔和報告生成。

2.2 ?結構設計

商用燃氣灶具熱工性能自動化檢測系統(tǒng)結構如圖1所示。

2.3 ?應用特點分析

商用燃氣灶具熱工性能自動化檢測系統(tǒng)應當具備以下特點：

（1）傳感器采集精度高，速度快，操作方便，節(jié)省人力并降低人為誤差，提高檢測效率，數(shù)據(jù)采集具有實時性、高準確性，檢測結果可靠;

（2）通過監(jiān)測燃燒參數(shù)判定燃燒是否穩(wěn)定，如果不穩(wěn)定，PLC可以命令終端的動作器進行調(diào)節(jié)，相較于人為調(diào)節(jié)，速度更快，精度更高;

（3）試驗結束后，自動生成報表，節(jié)約了檢測的整體時間;

（4）針對不同的對象，實施輔助功能：大鍋灶和中餐灶應有自動的溫度攪拌裝置，按照規(guī)定溫度自動開始攪拌，并在溫度達到要求后自動關斷燃氣閥并停止攪拌，攪拌裝置須連接牢固，電機耐用性好，配件更換方便;燃氣蒸箱的供水壓力應穩(wěn)定，雙變頻水泵相較于定頻水泵和單水泵有更好的穩(wěn)定調(diào)節(jié)能力。

3 ?自動化檢測設計

商用燃氣灶具的熱工性能測試原理大致相同，只是相較于中餐灶和大鍋灶，燃氣蒸箱還需要測量實時的耗水量和入口水溫，在系統(tǒng)設計上更加復雜一些。以燃氣蒸箱為例，其熱工性能自動化檢測系統(tǒng)，可以同時涵蓋其他商用燃氣灶具的熱工性能檢測。燃氣蒸箱熱工性能自動化檢測系統(tǒng)設計如圖2所示。

3.1 ?燃氣系統(tǒng)

燃氣系統(tǒng)主要包含燃氣流量計、燃氣調(diào)壓器和傳感器。燃氣流量計表內(nèi)壓力、燃氣溫度、燃氣蒸箱蒸汽出口溫度由傳感器采集。燃氣蒸箱燃氣入口處有一個壓力變送器，用于采集燃氣入口壓力，當壓力波動時，PLC會控制驅動電機調(diào)節(jié)燃氣壓力，從而保持燃燒穩(wěn)定。相較于人為調(diào)節(jié)，使用高精度電機速度更快，精度更高。

3.2 ?供水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)主要包含供水部分和水量測定部分。

供水部分由兩臺變頻水泵和一臺水壓緩沖器組成，采用雙保險設計保證水壓的穩(wěn)定。兩臺變頻水泵一主一備，一般情況下主泵進行調(diào)節(jié)，當水流過大時，主泵和備泵一起調(diào)節(jié);主、備泵的切換由PLC根據(jù)采集到的水壓參數(shù)進行控制。泵輸出的水流通過水壓緩沖器，用來進一步保證供水管路的水壓穩(wěn)定，最大程度上減少因為供水壓力突增或突減導致的水流量不穩(wěn)定。進水溫度和進水壓力由傳感器進行采集。

水量測定采用高精度的壓電式稱重傳感器，可以準確地記錄實際耗水量，另外還在水路上安裝了設計的插入式流量計，可以進行結果比對，保證結果的準確性。積水容器中還安裝了設計的液位傳感器，當容器中水不足時，會發(fā)出警報提醒補水。

3.3 ?輔助設計

燃氣蒸箱燃氣入口處與壓力變送器之間還連接了一個燃氣閥門，一般為常開，當壓力變送器因損壞等原因無法正常使用時，可以關閉該閥門，使用外接U型壓力計，以免影響正常的試驗。

主供水泵和備用水泵前端均有軟啟動器，可以保證水泵的隨開隨停，從而保證水壓的調(diào)節(jié)速度更快，供水管路中水壓的穩(wěn)定性更高。

供水系統(tǒng)中增加了一個排水通路，電磁閥由電機控制，當供水溫度傳感器檢測到溫度異常時，PLC發(fā)出指令，打開閥門引出水流。

4 ?結論與討論

商用燃氣灶具熱工性能自動化檢測系統(tǒng)的突出特點是：

（1）采用了一體式的檢測系統(tǒng)，同時測量多個參數(shù)，并能通過反饋調(diào)節(jié)保證燃燒工況的穩(wěn)定;

（2）實時計算熱負荷和熱效率數(shù)據(jù)，簡單直觀;

（3）相比傳統(tǒng)的人工測量，效率更高，控制更方便，降低了人為因素的干擾。

該系統(tǒng)的研發(fā)既滿足了發(fā)展自動化檢測技術的需求，又迎合了商用燃氣灶具行業(yè)監(jiān)管的要求，以及用戶對節(jié)能認證逐漸認可的趨勢。該系統(tǒng)適用于檢測機構對產(chǎn)品進行檢測和認證，也適用于生產(chǎn)企業(yè)對產(chǎn)品質(zhì)量進行把控和研究，具有廣闊的應用前景和發(fā)展?jié)摿Α?/p>

參考文獻

[1] 趙軼， 曹曉鋒， 胡國輝， 等. 燃氣蒸箱熱工性能自動化測試系統(tǒng)設計[J]. 輕工標準與質(zhì)量， 2019（2）： 117-118.

[2] 葛大中， 程文強， 吳成. 商用燃氣灶具能效評定檢測系統(tǒng)開發(fā)和應用研究[J]. 安徽建筑， 2018（1）： 185-186.

[3] 周愛華. 商用燃氣灶具能效水平探討[J]. 江蘇科技信息， 2015（34）： 46-47.

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[5] 商用燃氣燃燒器具： GB 35848-2018[S].

[6] 中餐燃氣炒菜： CJ/T 28-2013[S].

[7] 燃氣蒸箱： ?CJ/T 187-2013[S].

[8] 炊用燃氣大鍋灶： CJ/T 392-2012[S].

[9] 家用燃氣用具通用試驗方法： GB 16411-2008[S].

作者簡介：

曹曉鋒（1980—），通信作者，男，本科，工程師，就職于重慶市計量質(zhì)量檢測研究院。主要研究方向：家用及商用燃氣具檢測。

E-mail： 43650688@qq.com

（收稿日期：2020-06-10）

Automatic Test System for Thermal Property of Commercial Gas Cooking Appliances

CAO Xiao-feng， YE Zi-mao， ZHAO Yi， QU Gui-jun， TANG Ren-jie

（Chongqing Academy of Metrology and Quality Inspection， Chongqing 401123， China）

Abstract： The automatic test system for the thermal property of commercial gas cooking appliances is designed to realize the intelligent transformation of test methods. Combined with the requirements of thermal property project， the limitations existed in the traditional property methods are analyzed， and the overall design scheme of automatic property system is proposed. By using the modules including sensor， PLC， terminal actuator and host computer， the thermal property parameters are collected and summarized by the sensor. The PLC judges whether the thermal property is stable according to the parameters and controls the terminal actuator to adjust the parameters. The host computer processes in real-time as per the collected data after the combustion is stable. Taking the gas steamer as an example， the design drawing of automatic test system for the thermal property is obtained. Through the cooperation of gas system， water supply system and auxiliary design， the requirements of integration， intelligence， high efficiency and high precision for the commercial gas cooking appliances are met.

Key words： Commercial Gas Cooking Appliance; Thermal Property; Automatic Test; Intelligent Transformation; PLC