热水器泄压保护装置动作性能测试方法研究

张立 卢自强 史剑剑

（1.余姚出入境检验检疫局 浙江余姚 315400；2.宁波中盛产品检测公司 浙江余姚 315400）

热水器泄压保护装置动作性能测试方法研究

张立1卢自强1史剑剑2

（1.余姚出入境检验检疫局 浙江余姚 315400；2.宁波中盛产品检测公司 浙江余姚 315400）

通过有效的测试方法来准确地测量热水器泄压保护装置动作性能对于确保热水器产品安全使用必不可少，这也是相关检测标准中所规定的要求。本文介绍了专门为实现该项目自动化精确测试而研制的试验设备的基本功能和工作原理、主要控制部件以及PLC控制程序编制等细节，并给出了测试数据曲线，为实施该检测项目提供了一种有效方法。

热水器；泄压保护装置；动作性能；测试

1 引言

热水器在加热过程中，水体积会随着温度不断升高而增大，若温控器一旦失效，可出现热水器内部沸腾，过高的压力如果不及时排除，轻则会影响热水器内胆使用寿命，重则可以造成容器、管路等部件爆裂，从而造成触电、烫伤等事故，因此为了确保热水器能够安全可靠地工作，在热水器的管路中通常装有压力泄放保护装置。然而设置了该装置也并非万无一失，关键是需要确保其在热水器整个使用寿命期间都能够具有准确的、稳定的泄压动作压力值，才能在异常情况下真正起到保护作用。因此相关的热水器安全标准对此规定了测试要求。但由于缺乏有效的测试方法，一般依赖手动方式进行测试，存在难以实现精确的升压控制、难以准确读取泄压瞬间动作压力值的问题，不能满足标准及相关技术决议所提出的测试精度要求，并且操作复杂，不同测试人员操作结果一致性差等诸多不足，因此研制了一套专门用于该项目的自动化测试设备来解决这些问题。

2 测试仪工作原理及软硬件配置

热水器泄压保护装置压力测试的目的是为了验证在模拟实际使用过程中，压力波动循环条件下，泄压保护装置的动作压力值是否会发生明显偏离而丧失保护作用。其具体试验过程为：试验开始时，测试人员依据泄压保护装置额定动作压力值加上适当的压力误差值，将其作为设定目标压力值，通过PLC控制器向变频器发送指令控制水泵逐渐增加压力，同时泄压控制装置不间断监控泄压阀是否动作而泄水，一旦监测到泄压阀动作，PLC便能记录其动作瞬间的压力值并显示在界面上，得到测试数据后使回流阀接通，将压力释放掉，以便为下一次测试做好准备。由于PLC执行指令速度很快，所选用型号PLC每条基本指令的执行时间仅为0.065μs，因此执行整个

程序几百条指令耗时也不超过0.1秒，能够准确地捕捉到泄压动作瞬间的压力值，避免了人工读取数据造成的时间延误，完全可以满足测试精度的要求。这一过程可以根据标准规定的要求连续地对泄压保护装置动作值进行多次自动化重复测试，并在此基础上进行所设定压力范围和次数的自动化耐久性压力循环变化过程，以考核在热水器实际使用过程中该保护装置是否具有足够稳定的动作特性。

可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，简称PLC），具有硬件标准化、模块化、配套齐全、使用方便且适应性广、可靠性高和抗干扰能力强的特点，作为本测试系统核心控制的部件是三菱FX3U系列中16点继电器型可编程控制器FX3U-16MR/ES，另外还配置了相应的XST/C系列智能压力采集仪表，CHE100-004G-4型开环矢量变频器、增压水泵、回流电磁阀等关键部件，同时采用工控电脑作为上位机显示界面，对测试状态及结果进行实时显示。

在软件设计方面，PLC控制器通常有指令表、梯形图和顺序功能图三种编程方式，其中梯形图具有以下几个方面特点：

（1）PLC最常用的编程语言，与继电器电路原理相似，相对易于学习掌握；

（2）功能强，性价比高；

（3）设计灵活，安装和调试、维护工作量少等，因此本测试仪采用梯形图方式编制。

所采用的编程软件为三菱通用性较强的GX Developer 8.86，由于运用了梯形图逻辑测试功能，该软件能够更加方便地进行调试作业，并且可以在不与PLC连接状态下进行模拟在线调试，可大幅度缩短程序编辑的时间。

图1 梯形图程序中的通信设置

图2 PID指令参数设置

3 各部件之间通信方式

要实现整个测试系统的协调工作，首先必须确保各部件之间良好的通信状态。安装在PLC上的FX3U-485-BD通信功能扩展板组成了半双工双向网络，在电气上同时与输入仪表压力计和输出执行部件变频器的RS-485接口连接，实现异步串行通信，获取压力实时测试数据，并将控制数据直接输出到变频器，实现对所测热水器泄压阀样

品所施加压力的控制。程序中使用RS指令执行无协议通信方式进行数据交换。图1为写入到PLC控制器的梯形图程序中有关通信的设置。

PLC控制器上电启动后，辅助继电器M8002接通产生一个扫描周期的脉冲使M0得到电动作后为ON，并延迟5s，接着M8002发出一个扫描周期的导通信号来进行PLC初始化操作，使通信设置维持用辅助继电器M8120、8位处理模式M8161置位（ON为8位）。对软元件D8120进行通讯格式设置，其所赋值为十六进制数H0C91（0000 1100 1001 0001B）。按照该数据寄存器的设置规则，其含义如表1所示。程序中D8129超时时间设定（单位为10ms）为1秒，在设定时间内没有数据传输时，则超时输出标志位M8129变为ON，则接收结束。

表1 软元件D8120串行通信格式设置

表2 PID控制指令参数设置

图3 泄压阀动作值及压力变化循环数据曲线

4 测试功能的实现

测试功能分为泄压保护装置动作值的测量和进行耐久性压力变化循环试验两种情形。梯形图程序主要是按照快热式热水器第24章对元件所规定的要求，总体流程是：PLC建立与压力采集仪表、执行机构变频器的通信→测试5次泄压阀动作值求平均值1→进行5万次压力变化循环试验→测试20次泄压阀动作值求平均值2，根据两次平均值可计算其偏差从而做出对标准符合性的判定。

4.1 测试过程所依据的主要控制技术

没有反馈的开环控制系统难以满足检测精度要求，而PID控制是过程控制中最为广泛的一种自动控制方式，而且参数调整方便，具有较强的灵活性和适应性，因此本测试仪也予以采用。其工作原理是：如果增压水泵以恒定的速率升降，则在到达设定压力的上、下限时容易造成实际压力超出设定值范围，从而出现偏离标准规定测试条件的情况。因此需要根据当前压力值与设定值相比较得到的差值来确定变频器的工作状态，进行动态调整控制，而引入PID控制方式可以较好地解决这个问题，将比例、积分、微分三种控制规律结合在一起，组成一个闭环控制系统，PID控制吸取了比例控制，反应及时迅速、积分控制的消除静差功能以及微分控制的超前预测控制功能的特点，可以使增压速率在接近设定限值时得到自动调整，有效避免检测过程中出现超范围的情况。

PID控制原理应用的关键是需要设置合适的参数，在本测试仪中可以通过在梯形图程序中对PID指令参数的设置来获得预期的控制效果，该指令的格式（功能指令编号为FNC 88）为：。PID指令中参数的设置与采集，主要包括目标值S1（SV）、实测值S2（PV）、及参数S3，包括采样时间（Ts）、比例增益（Kp）、积分时间（Ti）、微分时间（Td）、输出上限值及下限值等。这些数据分别存放在相应的D220、D221、D223等数据寄存器中，其中D210为目标值，D212为测量值，D220为采样时间参数，D22为输出值（MV）发送给变频器。根据上述指令格式的定义，相关的设置详见表2。

在PID运算开始之前，需使用MOV指令将参数设定值写入对应的数据寄存器中，部分程序指令说明如图2。

PID参数设置是否合适，调试过程也是重要的环节，需经过多次尝试以确定最合适的赋值。需要注意的是，在初始调试时首先调节比例系数Kp值，初调时选小些，然后再慢慢调大，直到系

统波动足够小。积分时间初调时应设置长些，然后慢慢调小直到系统稳定以提高系统控制精度。微分时间常数Td增大时，抑制高频干扰的能力下降，初调时把这个系数设小，然后慢慢调大直到系统稳定。

4.2 泄压保护装置动作值的测量

按下连接在PLC的X1端口上的启动按钮，程序开始运行，PLC发出RST指令使回流阀复位（处于关闭状态），同时向变频器发出运行指令，变频器按照事先设定的PID速率增加水泵转速，使供给泄压阀的压力逐渐提高。当泄压阀动作时，泄放口即有水泄出，探头监测到此信号将其传送至PLC的X3输入端口，此时PLC立即做出反应，一方面自动记录泄压瞬间的动作压力值，通过上位机在界面上显示；另一方面给变频发送停止信号，经延时1秒后接通回流阀使管路内压力下降，完成一次测试，计数器加1。重复进行上述测试过程，但后续每次测试的压力动作值数据被累加到一个专用的数据寄存器D100中，当试验次数达到设定值时，根据标准的规定使用DIV指令对5次测试结果求平均值，从而得到所需的检测结果值。

4.3 耐久性压力变化循环试验

该测试过程按照标准规定，压力波动范围是泄压阀额定压力与此值的中间值。与测量泄压阀动作值仅在压力上限应用PID控制不同的是，耐久性压力循环试验在压力上限和下限均需应用PID控制。以某快热式热水器样品泄压阀为例，其标称动作压力为0.7MPa，则设定的压力波动范围为0.35MPa～0.70MPa。经测试验证，测试过程及压力数据采集满足标准对样品的试验要求并优于相关CTL决议DSH 251E规定的测试精度限值范围，测试过程数据曲线如图3所示（由于是模拟测试，标准规定的5万次循环缩短为5次）。

5 结语

在开展家电产品检测过程中，常常会遇到一些项目需要使用专用设备才能使检测过程操作方便并且结果准确，本测试仪的应用性开发，为进一步利用现代成熟先进的控制方法和软硬件技术在结合相关标准要求的基础上，通过优化配置，实现特定项目的自动化检测提供了一种有效的途径。

[1] GB 4706.11-2008《家用和类似用途电器的安全 快热式热水器的特殊要求》[S]. 北京：中国标准出版社，2008.07：7-8.

[2] 张还. 常用梯形图程序设计方法在PLC实验中的应用［J］. 电气技术与自动化2011.40（3）：172-174.

[3] 张梅, 康真. 用RS-485构建PLC多点数据采集通信系统［J］. SILICON VALLY 2010.13：64.

[4] 史智慧. 浅析在过程控制中PID控制的应用［J］. 科协论坛(下半月)2012.07：68-69.

[5] International Electrotechnical Commission. DSH 251E, Instrument Accuracy Limits.［EB/OL］. [2015-04-23]. http://decisions.iecee.org/iecee/ SearchCMC.nsf/de_h.xsp?v=ctl#.

Research on testing method for water heaters pressure-relief protective devices operation performance

ZHANG Li1LU Ziqiang1SHI Jianjian2
(1.Yuyao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau Yuyao 315400; 2.Ningbo Joysun Product Testing Service Company Yuyao 315400)

Accurately testing for pressure-relief protective device operation performance is essential for safely operating water heaters, it is also the requirement of relevant standard. The paper introduces details of the test equipment special developed for the automatic testing including basic functions and operation principle, control parts and PLC process; and gives a test data curve; it provides an effective means for the test.

Water heaters; Pressure-relief protective device; Operation performance; Testing