王曉嶺，童朱玨，李慶豐，方藝，周徐寧

（浙江省質(zhì)量檢測(cè)科學(xué)研究院，杭州 310013）

引言

電熱水器、洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電子坐便器、太陽(yáng)能熱水器等與水源連接的家用電器在進(jìn)行安全與性能測(cè)試時(shí)，試驗(yàn)用水必須符合標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)條件的要求才能確保測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確有效，對(duì)于不同的產(chǎn)品和測(cè)試項(xiàng)目，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)用水的要求也不盡相同。如：快熱式熱水器性能測(cè)試，標(biāo)準(zhǔn)要求提供進(jìn)水溫度15±1℃、水壓穩(wěn)定在0.3±0.01MPa，流量調(diào)整為按照額定加熱功率和溫升25℃情況下流量的90%時(shí)的流量；家用太陽(yáng)能熱水器能效測(cè)試，則要求供水系統(tǒng)提供20±0.5℃的試驗(yàn)用水。對(duì)于一些特殊產(chǎn)品除了對(duì)供水水溫、水壓有要求外，還對(duì)水質(zhì)有較高的要求，如采用防電墻技術(shù)和使用裸露式電熱元件的電熱水器，標(biāo)準(zhǔn)[3][4]對(duì)試驗(yàn)用水有導(dǎo)電率的要求；洗衣機(jī)的洗凈率等性能項(xiàng)目以及快熱式電熱水器水質(zhì)適應(yīng)性測(cè)試則對(duì)測(cè)試用水的硬度和pH值有很高的要求。當(dāng)然，采用單一參數(shù)控制的多套供水裝置也能確保滿足完成這些測(cè)試的要求，但這樣實(shí)驗(yàn)室需要針對(duì)單一參數(shù)和復(fù)合參數(shù)建立多套供水裝置，而實(shí)際上大部分時(shí)間很多供水裝置都處于停止運(yùn)行的狀態(tài)，使用率和效率非常低，不經(jīng)濟(jì)。建立一套與之匹配的符合標(biāo)準(zhǔn)要求的多功能多參數(shù)的高精度供水系統(tǒng)則更經(jīng)濟(jì)，效率更高，且能滿足參數(shù)間的變化的控制要求，功能強(qiáng)大，更能滿足實(shí)驗(yàn)室各種復(fù)雜的供水要求。本文研究匯總了各類家電產(chǎn)品檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)試驗(yàn)用水的要求，對(duì)提高測(cè)試用水的水溫、水壓、流量及水質(zhì)調(diào)節(jié)的精確性和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。設(shè)計(jì)方案分以下兩個(gè)方面：

裝置總體設(shè)計(jì)方案主要包括兩大系統(tǒng)，即自動(dòng)恒溫恒壓供水系統(tǒng)和自動(dòng)水質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。裝置的具體技術(shù)要求如下:水溫控制范圍：5～60℃,出水溫度波動(dòng)不大于±0.2℃,水壓變化范圍0.1～0.6MPa±0.01MPa，軟化水指標(biāo)達(dá)到：鈣鹽和鎂鹽含量小于50mg/L，硬度調(diào)節(jié)范圍：0～300mg/L，電阻率的調(diào)節(jié)范圍0～1500Ωcm，pH可調(diào)，供水量：0～1.6m3/h。系統(tǒng)總框架如圖1所示。

1 自動(dòng)恒溫恒壓供水系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 自動(dòng)恒溫恒壓供水系統(tǒng)的組成

自動(dòng)恒溫恒壓供水系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)部分組成：保溫水箱、電加熱器、制冷機(jī)組、PID調(diào)節(jié)儀、固態(tài)繼電器、PLC、鉑電阻溫度傳感器、循環(huán)水泵、變頻水泵、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等。整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)子系統(tǒng)：第一子系統(tǒng)為水溫調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要有電加熱器、壓縮機(jī)、風(fēng)冷冷凝器、電子膨脹閥、蒸發(fā)器、鉑電阻溫度傳感器等組成，利用鉑電阻溫度傳感器、PLC對(duì)電加熱器、制冷機(jī)組的控制，通過(guò)循環(huán)水泵實(shí)現(xiàn)保溫水箱里的水與蒸發(fā)器及加熱器進(jìn)行換熱，使水溫變得均勻穩(wěn)定。第二子系統(tǒng)為水壓及流量調(diào)節(jié)系統(tǒng)，主要由變頻水泵、壓力傳感器、PID調(diào)節(jié)控制儀控制和電動(dòng)調(diào)節(jié)閥組成。本系統(tǒng)框架如圖1右側(cè)上半部分所示。

1.2 自動(dòng)恒溫恒壓供水系統(tǒng)控制方案

自動(dòng)恒溫恒壓供水系統(tǒng)在控制上可分為溫度控制系統(tǒng)、壓力控制系統(tǒng)和流量控制系統(tǒng)。溫度控制系統(tǒng)主要由溫度采集模塊對(duì)保溫水箱的水溫進(jìn)行測(cè)量采集，通過(guò)制冷系統(tǒng)，使保溫水箱的水降溫，而加熱系統(tǒng)由PI D控制可控硅調(diào)節(jié)輸出功率，系統(tǒng)通過(guò)這種采用調(diào)節(jié)熱源百分比和冷源相互作用的方法來(lái)提高控制精度，使溫度波動(dòng)范圍不超過(guò)±0.2℃溫度。圖2(a)為溫度控制系統(tǒng)圖。壓力控制系統(tǒng)由PLC可編程控制器、變頻器、水泵電機(jī)組、壓力傳感器等構(gòu)成。通過(guò)壓力傳感器采樣管網(wǎng)壓力信號(hào)，變頻器輸出電機(jī)頻率信號(hào)，這兩個(gè)信號(hào)反饋給PLC的PID模塊，根據(jù)這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)模糊控制運(yùn)算，發(fā)出控制信號(hào)，調(diào)節(jié)水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制壓力，達(dá)到恒壓控制的目的。控制系統(tǒng)如圖2(b)所示。流量控制系統(tǒng)的執(zhí)行器由PID調(diào)節(jié)控制儀、流量計(jì)、電動(dòng)調(diào)節(jié)閥等組成。供水時(shí)，把被試機(jī)需要的供水量設(shè)定到PID調(diào)節(jié)控制儀中，通過(guò)流量計(jì)測(cè)出當(dāng)前流量值，反饋到PID調(diào)節(jié)控制儀中，如果當(dāng)前供水量比設(shè)定供水量要小，則PID調(diào)節(jié)控制儀控制增大電動(dòng)閥開度，增大供水量。如果當(dāng)前供水量比設(shè)定供水量要大，減小電動(dòng)閥開度，減少供水量，使供水量達(dá)到設(shè)定值，控制系統(tǒng)如圖2(c)所示。顯然，對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)各參數(shù)之間的關(guān)系，這是一個(gè)關(guān)聯(lián)系統(tǒng)。如果在保持水壓不變的情況下，輸出流量一旦發(fā)生變化，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的控制參數(shù)都發(fā)生變化。這就要求控制系統(tǒng)中PID的控制不是三個(gè)孤立的控制器，而是整個(gè)系統(tǒng)統(tǒng)一執(zhí)行的控制方案。這樣才能在輸出發(fā)生變化時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)能夠迅速做出合理的調(diào)整方案，使系統(tǒng)迅速達(dá)到穩(wěn)定，保證正常供水。

圖1

1.3 自動(dòng)水質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

自動(dòng)水質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)硬件組成主要包括以下幾個(gè)部分組成：軟水系統(tǒng)、導(dǎo)電率及pH值調(diào)節(jié)系統(tǒng)、硬度調(diào)節(jié)供水系統(tǒng)。其中軟水系統(tǒng)主要是應(yīng)用離子交換技術(shù)，通過(guò)樹脂上的功能離子與水中的鈣、鎂離子進(jìn)行交換，吸附水中多余的鈣、鎂離子，從而達(dá)到軟化水質(zhì)的目的。該系統(tǒng)帶自動(dòng)過(guò)濾，自動(dòng)軟水、自動(dòng)再生功能，經(jīng)軟水處理后硬度小于50 mg/L，可滿足洗衣機(jī)性能標(biāo)準(zhǔn)[1]對(duì)試驗(yàn)用水的要求。對(duì)水質(zhì)硬度進(jìn)行調(diào)節(jié)主要是針對(duì)快熱式熱水器性能標(biāo)準(zhǔn)[2]中水質(zhì)適應(yīng)性能試驗(yàn)項(xiàng)目要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，該試驗(yàn)項(xiàng)目考核產(chǎn)品使用一定硬度的水連續(xù)工作100h后加熱效率的降低和電熱管表面的結(jié)垢程度，由于試驗(yàn)時(shí)隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，水會(huì)使熱水器的發(fā)熱元件和容器內(nèi)膽表面結(jié)垢，導(dǎo)致水質(zhì)硬度降低，逐漸偏離試驗(yàn)要求的2.5mmol/L，造成試驗(yàn)誤差。因此水質(zhì)硬度應(yīng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。而對(duì)于使用裸露式電熱元件和采用防電墻技術(shù)的電熱水器在進(jìn)行安全性能測(cè)試時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)[3][4]對(duì)試驗(yàn)用水除了有溫度的要求，還對(duì)水的電阻率有要求，如采用防電墻技術(shù)的儲(chǔ)水式熱水器試驗(yàn)用水水溫為25℃±5℃，電阻率為1250±50Ωcm。自動(dòng)水質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)框架如圖1左側(cè)及右側(cè)下半部分所示。

圖2

目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室對(duì)供水系統(tǒng)的硬度、電阻率、pH值等水質(zhì)指標(biāo)的調(diào)節(jié)采用的大多是通過(guò)人工手動(dòng)加藥及手動(dòng)測(cè)定的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，但在實(shí)際操作時(shí)由于水箱濃度不均勻，往往不能滿足試驗(yàn)連續(xù)穩(wěn)定供水要求。針對(duì)此問題，水質(zhì)調(diào)節(jié)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了在線監(jiān)控、自動(dòng)加藥的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了供水系統(tǒng)的水質(zhì)調(diào)節(jié)自動(dòng)控制。以試驗(yàn)用水電阻率控制為例，實(shí)時(shí)測(cè)量調(diào)節(jié)系統(tǒng)控制流程見圖3，其控制的流程為：通過(guò)對(duì)水箱中的電導(dǎo)率值進(jìn)行在線測(cè)量，并與給定值進(jìn)行比較，再經(jīng)控制系統(tǒng)PID運(yùn)算后，通過(guò)變頻器控制加藥計(jì)量泵，從而實(shí)時(shí)控制試驗(yàn)用水的加藥量(所加藥物為高濃度磷酸銨溶液)，使試驗(yàn)用水的電阻率保持在標(biāo)準(zhǔn)允許的范圍內(nèi)。該系統(tǒng)控制部分分為PID調(diào)節(jié)器、執(zhí)行器、被控制對(duì)象及水電阻率在線測(cè)定4部分。其中，調(diào)節(jié)器由PID和相應(yīng)控制軟件組成，執(zhí)行器由變頻器、計(jì)量泵組成，被控制對(duì)象為容器中的水的電導(dǎo)率值，水電阻率測(cè)定由傳感器、變送器組成。系統(tǒng)PID調(diào)節(jié)儀采用自校正PID控制器，用最小二乘法來(lái)調(diào)整控制量的參數(shù)變化，將自校正的控制思想及算法和常用PID控制相結(jié)合解決在動(dòng)態(tài)時(shí)變供水系統(tǒng)中，控制作用不及時(shí)，及引起系統(tǒng)產(chǎn)生超調(diào)或振蕩，系統(tǒng)控制精度不高問題。

2 結(jié)束語(yǔ)

圖3

本文介紹的高精度多參數(shù)供水系統(tǒng)，能夠滿足所有與水源連接家電產(chǎn)品的測(cè)試需要，實(shí)踐證明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠能夠?qū)崿F(xiàn)多參數(shù)的自動(dòng)調(diào)節(jié)。特別是在水質(zhì)控制方面，設(shè)計(jì)了基于自校正PID控制自動(dòng)加藥系統(tǒng)可滿足電阻率、pH值、硬度等水質(zhì)指標(biāo)的在線監(jiān)控，解決了以往手動(dòng)控制難以保證水質(zhì)指標(biāo)穩(wěn)定的問題，能夠大大降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，減少人為的誤差，提高了檢測(cè)效率及檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

[1] GB/T 4288—2008，家用和類似用途電動(dòng)洗衣機(jī)[S].

[2] GB/T 26185-2010，快熱式熱水器[S].

[3] GB 4706.12-2006，家用和類似用途電器的安全儲(chǔ)水式熱水器的特殊要求[S].

[4] GB 4706.11-2008，家用和類似用途電器的安全快熱式熱水器的特殊要求[S].

[5] 王騰東、李瑛等.高精度恒溫水供水裝置的研制[J].家用電器科技，2011，9（2）.