電器節(jié)能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)研究
——以電飯鍋能效檢測系統(tǒng)為例

文 /陳 巍

終端用能電器的節(jié)能是實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要路徑之一。電飯鍋?zhàn)鳛樽钇毡榈募矣秒娖髦?，較早被納入能效標(biāo)識(shí)管理目錄。目前，《電飯鍋能效限定值及能效等級(jí)》（GB 12021.6-2017）標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了電飯鍋的能效等級(jí)和熱效率、保溫能耗和待機(jī)功率等指標(biāo)的檢測方法。電飯鍋的能效檢測對(duì)于新品開發(fā)、能效標(biāo)識(shí)備案和監(jiān)督抽查都是必不可少的。如果電飯鍋的能效檢測完全依賴檢測人員手工完成，因操作環(huán)節(jié)較多，不僅檢測效率較低，還會(huì)造成人為誤差。因此，自動(dòng)化的電飯鍋能效檢測系統(tǒng)對(duì)于企業(yè)實(shí)驗(yàn)室和第三方實(shí)驗(yàn)室都是有必要的。本文將介紹一套多工位的電飯鍋能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)。該系統(tǒng)只需極少的人工操作，就能實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)用水的制取和加注、試驗(yàn)啟停、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理和報(bào)表輸出，具有自動(dòng)化程度高、檢測效率高、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的特點(diǎn)。

一、系統(tǒng)構(gòu)成和基本原理

圍繞電飯鍋的能效檢測，整個(gè)系統(tǒng)構(gòu)成可被劃分成3個(gè)部分：水側(cè)部分、電側(cè)部分和控制測量部分。其中，水側(cè)部分由凈水器、制冷機(jī)組、恒溫水箱、循環(huán)系統(tǒng)和注水裝置等部件組成，可以實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)用水的制取、溫度控制和定量加注。電側(cè)部分由變頻電源、調(diào)壓器組成，主要用于被測電飯鍋的供電，可滿足3個(gè)工位上在不同電壓下同時(shí)進(jìn)行3個(gè)不同測試。控制測量部分由可編程邏輯控制器（PLC）系統(tǒng)、觸控顯示器、上位機(jī)、數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)字功率計(jì)、電子臺(tái)秤、水路各控制器件和電路各控制器件等組成，用于試驗(yàn)各流程的控制、數(shù)據(jù)采集和處理。其中，PLC系統(tǒng)作為整個(gè)控制測量系統(tǒng)的核心，通過串行通信協(xié)議（MODBUS）與數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)字功率計(jì)和電子臺(tái)秤等儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，通過數(shù)字量和模擬量I/O進(jìn)行控制，其可脫離上位機(jī)獨(dú)立運(yùn)行。上位機(jī)與PLC系統(tǒng)通過以太網(wǎng)連接，以獲取PLC系統(tǒng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、曲線顯示、報(bào)表和數(shù)據(jù)庫管理。檢測系統(tǒng)原理圖和實(shí)際整體外觀見圖1和圖2。

圖1 多工位電飯鍋能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)原理圖

圖2 多工位電飯鍋能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)實(shí)際整體外觀

二、系統(tǒng)關(guān)鍵功能

1.試驗(yàn)用水溫控和加注控制

在GB 12021.6-2017中電飯鍋熱效率檢測要求是：水的初始溫度為（23±2）℃。若檢測采用手工方法，則需提前準(zhǔn)備好冷水和溫水，試驗(yàn)時(shí)再進(jìn)行勾兌至合適溫度。系統(tǒng)水側(cè)部分配備了由小型制冷壓縮機(jī)組、電加熱器、溫度控制器和恒溫水箱組成的恒溫水制取裝置。試驗(yàn)前，試驗(yàn)人員僅需設(shè)定所需試驗(yàn)用水的溫度，裝置會(huì)自動(dòng)完成補(bǔ)水，然后快速制取約50 L試驗(yàn)用水，并能將水箱溫度維持在設(shè)定溫度±0.2 ℃范圍內(nèi)。

電飯鍋熱效率檢測需要用稱重法向鍋內(nèi)定量加注額定容積80%的水，系統(tǒng)配備有自動(dòng)注水裝置，試驗(yàn)人員只需輸入電飯鍋的額定容積并啟動(dòng)注水功能，裝置就會(huì)自動(dòng)計(jì)算需加注的水量并開始注水，在達(dá)到注水量設(shè)定值時(shí)自動(dòng)停止注水。

電飯煲的自動(dòng)注水量控制采用閉環(huán)控制方式，由PLC系統(tǒng)讀取精密電子臺(tái)秤的當(dāng)前實(shí)際值作為反饋值，根據(jù)注水量設(shè)定值與當(dāng)前反饋值的偏差大小，由PLC系統(tǒng)輸出模擬量信號(hào)控制比例電磁閥的開度來調(diào)節(jié)注水速度的快慢。比例電磁閥的控制由驅(qū)動(dòng)器輸出脈沖寬度調(diào)制（PWM）信號(hào)來驅(qū)動(dòng)。本系統(tǒng)采用的比例電磁閥調(diào)節(jié)比為1:200（最大和最小開度下的閥門流量系數(shù)值之比），可以精確控制注水流量。

整個(gè)注水過程按流量分為3個(gè)階段：快速、中速與低速、注水結(jié)束階段。對(duì)于常見容量的電飯鍋，裝置可在3 min之內(nèi)完成試驗(yàn)用水的準(zhǔn)確加注，加注精度可達(dá)±1 g。

2.試驗(yàn)啟?？刂坪蛿?shù)據(jù)捕捉

電飯鍋能效檢測試驗(yàn)的啟?？刂坪蛿?shù)據(jù)捕捉是系統(tǒng)的核心功能，依據(jù)GB 12021.6-2017試驗(yàn)方法的時(shí)序流程和檢測過程中的特征點(diǎn)為控制邏輯，基于PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。以熱效率檢測為例，試驗(yàn)流程大致分為啟動(dòng)點(diǎn)的識(shí)別、自動(dòng)斷電、最終水溫的自動(dòng)捕捉、試驗(yàn)終止和結(jié)果的計(jì)算。

電飯鍋?zhàn)⑺瓿珊?，點(diǎn)擊熱效率試驗(yàn)開始按鈕，設(shè)定電飯鍋工作模式后，系統(tǒng)捕捉到加熱元件啟動(dòng)的電流信號(hào)后，就判定該瞬間為試驗(yàn)啟動(dòng)點(diǎn)，并記錄初始水溫。在加熱過程中，系統(tǒng)會(huì)全程記錄溫度參數(shù)和電參數(shù)，當(dāng)檢測到水溫達(dá)到90 ℃后，系統(tǒng)會(huì)立刻自動(dòng)切斷電飯鍋供電電源，并記錄加熱過程中的耗電量。斷電1 min以后，系統(tǒng)開始捕捉最高水溫，3 min內(nèi)未檢測到高于當(dāng)前最高水溫的溫度值，系統(tǒng)就會(huì)終止試驗(yàn)，并以聲光提示的方法計(jì)算輸出檢測結(jié)果。

3.測試軟件和報(bào)表輸出

系統(tǒng)配備了上位機(jī)和專用的測試軟件，除了可以在觸控顯示器（見圖3）完成控制操作外，也可以在上位機(jī)軟件里完成所有操作。軟件集成了試驗(yàn)信息輸入、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示、曲線顯示、數(shù)據(jù)處理、報(bào)表輸出和數(shù)據(jù)回看等功能。試驗(yàn)結(jié)果除了能在軟件界面上直接顯示外，還可以輸出定制格式的檢測原始記錄報(bào)表，這對(duì)于第三方檢測實(shí)驗(yàn)室比較有用，不僅可以高效完成檢測，還可以節(jié)省檢測原始數(shù)據(jù)記錄和處理的時(shí)間（見圖4）。

圖3 觸控顯示器操作界面

圖4 熱效率試驗(yàn)曲線（溫度、功率、耗電量）

4.檢測數(shù)據(jù)對(duì)比分析

在溫度、質(zhì)量和電參數(shù)測量儀表準(zhǔn)確度相當(dāng)，試驗(yàn)人員嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)流程操作且數(shù)據(jù)處理無誤的前提下，自動(dòng)檢測系統(tǒng)得出的數(shù)據(jù)，其準(zhǔn)確度并不會(huì)明顯優(yōu)于人工測試得到的數(shù)據(jù)。但自動(dòng)檢測系統(tǒng)最大程度上減少了人為操作的環(huán)節(jié)，提高了試驗(yàn)的穩(wěn)定性。從表1 的測試數(shù)據(jù)對(duì)比來看，自動(dòng)檢測系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，無論是熱效率，還是其他過程參數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)差都要比人工測試時(shí)改善不少。

表1 熱效率人工與自動(dòng)測試數(shù)據(jù)

此外，相比人工測試，自動(dòng)檢測系統(tǒng)最大的優(yōu)勢還是在于檢測效率的提高。人工測試時(shí)，由于需要操作的環(huán)節(jié)較多，一個(gè)試驗(yàn)人員只能操作一套設(shè)備。而本自動(dòng)檢測系統(tǒng)集成了3個(gè)測試工位，由于操作簡便，一個(gè)試驗(yàn)人員完全可以操作3個(gè)工位，同時(shí)進(jìn)行3臺(tái)電飯鍋產(chǎn)品的測試。自動(dòng)檢測系統(tǒng)還大大減少了試驗(yàn)用水制取和加注時(shí)間、數(shù)據(jù)記錄和處理時(shí)間、誤操作導(dǎo)致的重復(fù)試驗(yàn)時(shí)間等，可以進(jìn)一步提高檢測效率。

三、結(jié)束語

上述基于GB 12021.6-2017的多工位電飯鍋能效自動(dòng)檢測系統(tǒng)已經(jīng)研制成功，并在上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)技術(shù)研究院家電能效實(shí)驗(yàn)室投入運(yùn)行。經(jīng)自動(dòng)檢測流程的規(guī)范，檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)用水制取和加注、試驗(yàn)啟停、數(shù)據(jù)記錄、數(shù)據(jù)處理和報(bào)表輸出等流程的自動(dòng)化，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，檢測效率高，在電飯鍋產(chǎn)品的能效備案、監(jiān)督抽查等檢測任務(wù)中發(fā)揮了重要作用。下一步，由于電飯鍋、電壓力鍋、電磁灶、微波爐等產(chǎn)品的能效檢測方法差異不大，本系統(tǒng)通過簡單的改造和軟件優(yōu)化，完全可以用于其他產(chǎn)品的能效測試，具有較好的擴(kuò)展性和適應(yīng)性。