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》于2015年9月18日公布，并于2016年10月1日正式實施，替換GB 12021.2-2008作為國內(nèi)家用電冰箱能效等級評價的強制標(biāo)準，同時GB/T 8059《家用和類似用途制冷器具》性能測試標(biāo)準也以已于2016年12月30日正式頒布。與舊標(biāo)準相比，主要區(qū)別如表1所示[1]。

表1 耗電量測試方法對比

可以看出，總耗電量不再是簡單的測量24 h以上的時間內(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)的時間長度、溫度偏差、溫度變化率、相對功率偏差，相對功率變化率[2]35。而目前國內(nèi)大多數(shù)實驗室對這幾種算法采用的仍然是現(xiàn)場實時采集數(shù)據(jù)，然后手動離線統(tǒng)計、搜索、遍歷、判斷、計算的方法，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)計理念，將上位機、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WT310以及觸摸屏等測試部件有機結(jié)合在一起，采用上位機、觸摸屏同步集中管理、底層網(wǎng)絡(luò)分散控制的方式，并在上位機中部署在線測試軟件，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、在線監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析、判斷計算、信息提示、報告生成、數(shù)據(jù)存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。

1 測控系統(tǒng)設(shè)計

本測控系統(tǒng)主要針對6工位冰箱性能測試實驗室進行設(shè)計，每個工位配備20個通道熱電偶，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，主要部署了基于LabVIEW平臺自行開發(fā)的工控軟件，實時監(jiān)控冰箱性能實驗室各個功能部件的工作狀況，負責(zé)數(shù)據(jù)的采集、判斷、顯示、存儲等功能。

第二層為EDS交換機實現(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MX100數(shù)據(jù)采集器、1個串口管理器、1個觸摸屏。單個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個通道熱電偶，因此需要2個MX100數(shù)據(jù)采集器對熱電偶進行管理采集；串口管理器負責(zé)對串口進行擴展，主要擴展出6路RS232端口，1路RS485總線端口。MI8100觸摸屏負責(zé)一些簡單的人機交互、大功率器件的開停與報警顯示。

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

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

1.1 PLC程序設(shè)計

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)計需要考慮一些具體的邏輯原則：

表2 報警信號以及控制信號

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

(2)壓縮機的啟停距離上一次應(yīng)該有一定時間的保護延時；

(3)各大功率器件啟動的時候，是否有相應(yīng)類的報警信號輸出，如果有，則不予啟動；

(4)當(dāng)有報警信號輸出時，檢測到危險信號邏輯時，應(yīng)該自動停止相應(yīng)的大功率器件。

1.2 主控程序設(shè)計

上位機程序主體框架由LabVIEW平臺開發(fā)，使用Access數(shù)據(jù)庫對歷史數(shù)據(jù)進行列表存儲，同時對數(shù)據(jù)的循環(huán)遍歷、計算判穩(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)控子模塊負責(zé)6個工位實時數(shù)據(jù)查詢，各設(shè)備的通信狀態(tài)、運行狀態(tài)等。工位查詢部分包括各工位的各項參數(shù)設(shè)置、詳細運行數(shù)據(jù)顯示、曲線顯示、判斷計算、數(shù)據(jù)存儲等。

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，人機交互中除了包括一些常用功能，比如試驗信息設(shè)置、數(shù)據(jù)保存、試驗停止和退出外，針對耗電量試驗還包括了“空載試驗可結(jié)束”，“此時可裝載”，“裝載試驗穩(wěn)定”，“考慮換裝載負載”，“耗電量試驗可停止”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平臺對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)實現(xiàn)[3]，庫中主要包括數(shù)據(jù)庫連接的打開、SQL語言運行、數(shù)據(jù)庫的關(guān)閉等，如圖4所示。由于程序需要對文件進行較頻繁的數(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)進行分組、批量快速存儲。

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被試機信息采集與監(jiān)控

系統(tǒng)需要采集被試機的溫度數(shù)據(jù)以及電參數(shù)數(shù)據(jù)，并對這些數(shù)據(jù)進行分析，處理，統(tǒng)計，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)采集器進行信號傳輸，后者采用溫控儀表(UT55A)進行數(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實現(xiàn)。

NI公司開發(fā)了一種用來與各種儀器總線進行通信的高級應(yīng)用編程接口——VISA[4]，可以用來對USB、GPIB、串口、以太網(wǎng)等接口進行通信，在本系統(tǒng)中，只需要簡單調(diào)用VISA即可對以上的幾種儀器進行通信與控制。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的主機地址，port為端口號固定為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不僅負責(zé)環(huán)境溫度、相對濕度的采集傳輸，也負責(zé)形成現(xiàn)場控制閉環(huán)，實現(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

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

(1)溫控周期判定

針對具有壓縮機啟停特性的被試器具，需要判斷并劃分其溫控周期，統(tǒng)計溫控周期內(nèi)的各間室平均溫度、平均功耗，進而進行后續(xù)的穩(wěn)態(tài)、化霜及恢復(fù)期或者裝載的判定與計算。因此溫控周期的準確判定對計算結(jié)果有非常重要的意義。文獻[2]35中規(guī)定可以采用間室溫度的最高點對溫控周期進行劃分，或者采用壓縮機(或化霜加熱器)啟動對溫控周期進行劃分，本文采用后一種劃分方式，并提出了一種基于狀態(tài)機的溫控周期判斷方法，能夠精準劃分溫控周期，同時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)機主要包含4種狀態(tài)，分別為壓縮機運行、化霜加熱器啟動、停止以及等待。其中壓縮機運行狀態(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分別表示壓縮機運行判定條件持續(xù)時間，停止判定條件持續(xù)時間，化霜加熱器運行判定條件持續(xù)時間。任意2個非等待狀態(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功能部件啟動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)”，則進行溫控周期數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

(2)裝載判定算法

文獻[5]84針對空載期間穩(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尋優(yōu)、遍歷的測算算法，本文基于此，設(shè)計了一種針對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[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)用本自動化測控系統(tǒng)對一款對開門風(fēng)冷無霜冰箱進行16℃時的耗電量測試，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)被試機的各間室容積、環(huán)境溫度偏差對耗電量進行了修正，修正系數(shù)為1.006 7，并對化霜及恢復(fù)期的耗電量增量、裝載期間的耗電量增量進行了計算，完全滿足測試的功能和精度要求。

3 結(jié)束語

本文針對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)的自動化測控系統(tǒng)，從系統(tǒng)硬件框架設(shè)計到PLC程序設(shè)計，最后到系統(tǒng)算法實現(xiàn)進行了闡述，最后通過系統(tǒng)測試驗證了該系統(tǒng)的功能完整性和可靠性。該系統(tǒng)具有良好的人機交互功能，能夠極大程度上減少測試人員對試驗的誤操作概率，同時省去了繁瑣的人工計算、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．IEC新標(biāo)準對直冷冰箱耗電量評價的研究[C].2013年中國家用電器技術(shù)大會，北京：2013:854-858.

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

[3] 唐亞鵬, 侯媛彬. 基于LabVIEW的實踐教學(xué)平臺與Access數(shù)據(jù)庫的開發(fā)[J]. 計算機技術(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)計工程, 2015,22(24):129-131.

[5] 吳上泉, 邵偉恒, 鄒偉. 基于IEC62552:2015的冰箱在線能效測試方法[J]. 流體機械, 2016,43(8):83-88.