基于PLC的电器能效测试系统设计

黄理龙，唐仁幸，柯胜根，吕罕聪

（浙江省检验检疫科学技术研究院，杭州 310016）

引言

当今社会能源已成为发展中的一个关键问题。电器产品的能效水平受到社会的关注，能效标志已经成为该类产品进入市场的重要依据[1]。家用储水式电热水器生产技术成熟，由于直接使用电能，其方便，安全、卫生等特点被广大消费者所接受，家庭占有率较高。但也存在本身功耗较大的因素。因此，储水式电热水器的能效水平已成为其品质的一个重要组成。

储水式电热水器的能效检测的依据为GB 21519。根据标准要求，将涉及有效容量、24h固有能耗和出热水率等项目的测试。鉴于能效测试过程中环境条件要求较高，与目标温度的接近程度决定了能耗值的准确程度，因此调整目标温度是一个较为漫长的过程。在现有的实验室条件下进行测试需要经过多次的安装调试。

针对GB 21519的测试要求、方法，制作一个专用的装置，即使得整个测试过程只进行一次安装调试，又充分利用现有的测试设备，就能完成标准规定的所有项目的测试，有助于提高测试的效率，降低测试的劳动强度和成本，避免能效测试成为一个耗能测试，并满足日益增长的社会委托测试的需要。能效测试系统的自动化和智能化必将成为发展趋势[2]。

1 系统概述

该测试系统以PLC CPU为核心，扩展四个模块，用于模拟量的采集，包括能耗、温度值、重量、流量，其整体框图如图1所示。

测试装置通过PLC实现信号与数据采集，读取温度、电能、时间等相关参数。PLC通过RS—232接口实现与后台计算机的链接。实现对测试样本的数据处理及测试过程的逻辑程序的控制和对装置的控制。

2 设备选型

2.1 上位机及其辅助设备

上位机为主控计算机，以WindowsXP为系统平台，由UPS不间断电源供电。计算机上装组态软件，装有WORD、EXCEL等基本办公软件，并配有打印机,如图2。

图1 储水式电热水器测试系统的原理框图

图2 试验流程管理框图

2.2 下位机设备

下位机采用通用型模块化PLC、电磁流量计（类型S2电压200～240V 频率47～63Hz电流输出：4～20mA ）、电流继电器(In10A fn 50Hz)、单相电子式电能表(电压220V电流5(20)A 频率50Hz )、三位数显交流电压表(量程AC 0-500V)。

3 控制系统设计

3.1 控制要求

根据标准GB/T 20289-2006进行电热水器的容量测试；标准GB 21519-2008定义的24小时(h)固有能耗基准值的计算；

3.2 24h固有能耗

试验装置要求测定24h固有能耗peQ的值，按标准要求，以高精度电能表为能耗值测定单元，电表连接方便，读数精准，可与PLC通讯，将24h耗电量值，存储电脑硬盘中，实现后期的计算。

3.3 热水输出率测试方法

温度设定调整温控器满足下面要求后立即切断电源进行测试：注入电热水器额定的一半容量的冷水使得电热水器重新启动工作；如果没有启动，那么继续注水直到启动加热后停止注水；电热水器工作直到温控器首次断开的储水平均温度θA1应满足(65±3)℃的要求[4]。

在标准规定的环境温度下调整储水式电热水器的温控器设定，以满足的条件。在此条件下，24h固有能耗Qpe按式(3)计算：

式中：peQ—— 24h固有能耗，单位为千瓦时(kW h⋅)；

45 —— 45℃，单位为摄氏度（℃）；

θamb—— 试验E1期间平均环境温度，单位为摄氏度(℃ )。

3.4 控制系统 硬件设计

硬件组态作为整个系统的基础部分，主要功能分为CPU核心控件、电源供电模块和信号采集驱动模块等，将各设备按标准有序安装到相应的机架上，并对PLC硬件模块的参数进行设置和修改过程。按电气控制原理及控制要求设计主线路原理图，实现PLC和PC网络通讯，如图3。

3.5 控制系统软件设计

程序设计是整个应用设计系统的核心工作，因此应该首先分析各部分控制要求，熟悉PLC及相关元器件工作原理，具备一定的电气设计和编程的实践经验。本系统采用PLC为核心控制器作为系统的控制主芯片，应用可读性较强的梯形图和C语言结合的方法作为编程语言。软件系统包括初始化程序、运行程序和中断功能程序三部分[5]。

被测电热水器按正常使用时的方式注满水（对密闭式电热水器，应施加规定的水压），通过测量注满水的电热水器的质量减去无水的电热水器质量，并将结果初一所测量温度下的水的密度，得到电热水器的实测容量C，以L为单位，精确到0.1L，并将结果送至上位机显示并保存。

测得热水器固定容积，根据GB 21519-2008表1可计算出电热水器24h固有能耗基准值，为电热水器能效等级提供计算值。完成容量值读数后，开始24h电热水器固有能耗的测试。24h电热水器固有能耗需要对热水器布置温度测试点。对导热良好容器，单容器测试点的选择，将热电偶紧紧贴在容器外表面上，对待测电热水器放置5点热电偶，布置完成后用等效于原有隔热效果材料进行填充防止漏热。系统上位机测试过程分为手动测试与自动测试。

图3 主线路接线图

进行24h电热水器固有能耗之前，按照标准5.3.3进行温控器的设定，使电热水器的不排水储水平均温度在（65±3）℃范围内，并处于稳定状态。温控器从某次断开电源时开始，直到经过48h以后，温控器第一次断开电源为止，用电度表测量此期间电能的损耗量。同时用计时器测量其相应的测量时间，在这段测量期间内，按照5.3.2规定的方法，测量并计算出该测量期间内的24h固有能耗值，图4 24h固有能耗测试流程图。

手动过程：通过人工手动调节温控器，使热水器在标准（65±3）℃范围内，调节过程需要估计，粗调，微调，精调等过程，达到标准温度范围。人工调节过程，因温度具有惯性，调节周期较长，出现偶尔间断现象，温度难以精确控制，且部分热水器并无可调温控器。因此结合温控器的原理及标准温度控制范围，以软件实现自动控制：

图4 24h固有能耗程序流程图

具体为传感器将检测到的温度转换成4-20mA的电流信号，系统需要配置模拟量的输入模块把电流信号转换成数字信号 再送人PLC中进行处理。经过RS-232接口，送至上位机，并与设定值比较实现对电源的ON与OFF过程进而将热水器的热水温度稳定在表标准范围。ON为温度设定范围的下限值，OFF为温度设定范围的上限值，目的保证OFF与ON之间的平均温度为65℃。软件控制温度方法，适用温控器不能调至标准范围温度的热水器；无需人工手动、繁重的温控器调节，降低人为误差，提高测量精度和数据可追溯性，更主要的是使待测样机的θM很快进入标准规定的温度范围内，提高了测试效率。

4 实验装置和结果

本试验平台，按照标准要求，分析参数之间的逻辑关系，实现硬件与软件的结合。完成如图5的测试装置，并以实际家用电热水器为实验对象，得出各试验数据。验证实验装置有较灵敏的反馈速度、较高的数据精度，快速实时性、高准确度、稳定性及方便简单的可操作性，朝智能测试更进了一步。

图5 测试装置图

4.1 24 h固有能耗测试结果

PLC实现了电热水器能效测试的完全自动化，能够确保测试过程安全可靠地运行，同时方便人员操作，提高系统维护质量，降低维护成本。本次测试电热水器单容器电热水器为例进行试验。此热水器额定电压为交流220V，温控器50℃到70℃调节，带有非自复位式热断路器。由于热水器为差温型，其原理根据热水器的上下温差值来控制电源的通断。24 h 固有能耗系数测试曲线如图6。

图6 24 h 固有能耗系数测试曲线

图7 测试主界面图

从图6可得出，测试过程中由常温升至65℃，通过系统设置上下限，将热水器水温稳定在（65±3）℃范围内。通过上位机组态王可以实现可视化及图形显示、信息、归档以及报表的功能模板，可靠地数据传送使其具有高度的实用性。

图7所示为测试系统的主界面，从主界面可直观读出热水器各点当前状态的温度值、环境温度、各点温度平均值、进水口、出水口开关状态、自动手动切换按钮、运行时间、测试水量、平均温度变化曲线图、设置、用户、各时段温度记录表格、出水率计算公式、出水率温度相关数据记录表格。简单、方便、快捷实现人机交互，提高测试效率。经过48小时的测试将直接显示对应国标的能效等级，即为测试结果。

图8为测试过程中，主机实时记录开、停次数、稳态运行周期、储水的平均温度并将结果以表格的形式，存储于电脑硬盘，为测试结果提供有效的依据和参考。

4.2 热水输出率测试结果

热水输出率测试系统的测试过程为记录排水开始点温控器首次断开时的储水平均温度，在排水期间每间隔5s记录一次，自开始放水15s 后记录进水温度和出水温度，同时记录在排水期间的最高出水温度，连续排水至出水温度比最高出水温度低20 ℃，关闭出水阀停止排水。系统通过质量流量计获得排水期间排出水的质量，根据以上记录的参数值通过标准公式计算得出热水输出率，其计算结果如图9 所示。

本系统以额定电压220V，额定功率1500W，额定容积13.8L，自复位热断路器的单容器，壁挂式电热水器为测试样本。经过测试和调试，系统的整体功能完全可以按标准运行。实现了多线程的串口通信和上位机的显示，充分发挥PLC快速响应的实用性特点和支持CPU操作的强大功能来缩短测试周期、提高测试精度。

4.3 该系统与其他实验室的比对结果

该能效测试系统建成后，参加了实验室内部不同型号、不同人员的储水式电热水器能效检测数据一致性核验，同时与其他实验室间数据进行比对，各项结果证明，利用该系统测试的24 h 固有能耗系数和热水输出率的测试结果Z 值均小于2，比对结果较为满意。

4.4 系统测试结果的测量不确定度来源分析

系统主要测量不确定度:

1)环境因素引入的不确定度。如温度数据采集仪、供给电源电压频率的变化、大气压、空气组成、空气流速、热辐射等因素引起的测量不确定度，可依据检定/校准证书和有关资料确定。

2)测量设备引入的不确定度。主要来源于功率计量程精度误差、热电偶的布点方式和位置误差、单相电子式电能表的读数精度和量程精度误差、流量计的读数精度误差、重力传感器安装误差，可根据各设备说明书和校准证书中的参数来确定。

图8 测试过程数据记录表格

图9 热水输出率测试结果

3)人员操作引入的不确定度，通过测试人员的经验、能力、身体素质及工作态度相关环节确定。24h 固有能耗系数测试时，因为测量不排水平均储水温度用的热电偶是固定在内胆的外侧，固定方位偏差会引入较明显的不确定度。

5 结论

该测试系统极大地缩短人工数据采集和计算的时间，实现自动化测试后，大大提高热水器能效检测的工作效率和数据采集的准确性及精确度，能效测试的自动化程度也明显提高，降低检测成本，加快检测周期。

[1] 张择. 能效标识来了 小家电企业直面生死“大考”[J]. 质量探索.2009 (Z1).

[2] 张涛,韩吉田,闫素英,许明田,于洁玫.全玻璃真空管太阳能热水器影响因素的数值模拟研究[J]. 可再生能源. 2012 (10).

[3] 吕锋,容文杰. PLC控制系统的设计方法与技巧[J]. 河北冶金.1999 (04).

[4] GB 21519 - 2008，储水式电热水器能效限定值及能效等级[S]．

[5] 陈元金,司粉妮,唐登攀. 开发重大应用软件的系统化复用策略[A]. 第五届反应堆物理与核材料学术研讨会、第二届核能软件自主化研讨会会议摘要集[C]. 2011.