李博

(江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院，江蘇南京210007)

0 引言

電能表作為列入國(guó)家重點(diǎn)管理目錄的計(jì)量器具，其質(zhì)量?jī)?yōu)劣影響到人身及財(cái)產(chǎn)安全和貿(mào)易結(jié)算雙方的經(jīng)濟(jì)利益。幾大國(guó)家電能表質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心承擔(dān)著全國(guó)幾乎全部電能表的型式評(píng)價(jià)檢驗(yàn)工作，每年的檢驗(yàn)任務(wù)十分飽滿。自江蘇省計(jì)量科學(xué)研究院成立國(guó)家電能表質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心 (江蘇)之后，每年完成的電能表型式評(píng)價(jià)檢驗(yàn)均達(dá)到180批次以上。

電能表溫度影響試驗(yàn)是電能表型式評(píng)價(jià)中的一項(xiàng)重要試驗(yàn)，被測(cè)電能表需放置在恒溫恒濕室中，在高中低不同溫度下進(jìn)行誤差測(cè)試，考察電能表受溫度變化的影響程度。雖然各檢測(cè)中心都配備了步入式恒溫恒濕室，但電能表校驗(yàn)裝置及被測(cè)電能表之間的控制都是人工方式，人員需要在各設(shè)備之間來回操作，人為監(jiān)測(cè)試驗(yàn)過程，手工記錄測(cè)試數(shù)據(jù)。一個(gè)溫度影響試驗(yàn)周期需要22 h，費(fèi)時(shí)費(fèi)力且試驗(yàn)效率低。這種傳統(tǒng)人工現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的方式已經(jīng)無法滿足事業(yè)發(fā)展的需要，如何利用計(jì)算機(jī)技術(shù)提高測(cè)試的自動(dòng)化程度，已成為今后測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展方向。充分利用恒溫恒濕室的巨大空間，實(shí)現(xiàn)大批量電能表的集中試驗(yàn)，從而高效、嚴(yán)格、準(zhǔn)確地完成電能表溫度影響試驗(yàn)是各國(guó)家電能中心面臨的一個(gè)意義重大而又亟待解決的課題。

1 總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一種電能表自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，包括自動(dòng)控溫、自動(dòng)測(cè)量、異常狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警三部分。自動(dòng)控溫要求能自動(dòng)控制恒溫恒濕室的溫度和恒溫時(shí)間。自動(dòng)測(cè)量要求能自動(dòng)控制檢驗(yàn)裝置對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試，并保存校驗(yàn)的結(jié)果。異常狀態(tài)自動(dòng)保護(hù)要求當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)能自動(dòng)報(bào)警。此外，對(duì)現(xiàn)有的電能表校驗(yàn)裝置進(jìn)行技術(shù)改造，通過不同電流電壓檔位的自動(dòng)切換，能實(shí)現(xiàn)多種電壓電流規(guī)格樣品的集中檢驗(yàn)，一次可以檢驗(yàn)30個(gè)樣品。其準(zhǔn)確度等級(jí)為0.05級(jí)，電流電壓量程為3× (0～100)A，3× (0～480)V。

1.2 設(shè)計(jì)原理

被測(cè)電能表的誤差測(cè)量方法采用定時(shí)比較法，即在特定的一段時(shí)間內(nèi)，分別記下電能表檢驗(yàn)裝置與被測(cè)電能表累計(jì)的電能值，它們兩者的相對(duì)誤差就是被測(cè)電能表的誤差值。按照 JJF 1245.1－2010，JJF 1245.2－2010，JJF 1245.3－2010，JJF 1245.4－2010，JJF 1245.5－2010中規(guī)定的試驗(yàn)方法，被測(cè)電能表需放置在恒溫恒濕室中，溫度范圍按照20 K溫度間隔進(jìn)行劃分，為 －10～10℃，13～33℃，25～45℃。對(duì)于每一個(gè)溫度間隔，分別將恒溫恒濕室溫度設(shè)置為間隔上限溫度Tu和下限溫度Tl，電能表放置于恒溫恒濕室直至溫度穩(wěn)定 (通常在每一溫度點(diǎn)保持2 h)，按規(guī)定的負(fù)載點(diǎn)測(cè)試電能表誤差，電能誤差隨溫度改變的變化率可通過式 (1)計(jì)算:

式中:Tu和Tl分別對(duì)應(yīng)某一溫度間隔的上限溫度和下限溫度;eu和el是該上限溫度和下限溫度的誤差值。

針對(duì)上述要求，設(shè)計(jì)應(yīng)滿足以下幾點(diǎn):一是對(duì)恒溫恒濕室準(zhǔn)確的控溫與恒溫;二是對(duì)被測(cè)電能表的準(zhǔn)確的誤差測(cè)試;三是一旦出現(xiàn)異常情況能迅速報(bào)警。

1.3 系統(tǒng)組成

設(shè)計(jì)一種電能表溫度影響試驗(yàn)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)，包括自動(dòng)控溫、自動(dòng)測(cè)量和異常狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警三個(gè)子系統(tǒng)。自動(dòng)控溫就是通過本地上位機(jī)自動(dòng)控制恒溫恒濕室的溫度，并增加對(duì)試驗(yàn)溫度穩(wěn)定性判斷的功能，采用高速數(shù)據(jù)采集方式，自動(dòng)記錄和保存溫度數(shù)據(jù)，并啟動(dòng)判斷模塊，在人為不干預(yù)的狀態(tài)下，保證試驗(yàn)溫度和恒溫時(shí)間的準(zhǔn)確性，大大優(yōu)于以往的人工方式。自動(dòng)測(cè)量是通過本地上位機(jī)自動(dòng)控制檢驗(yàn)裝置對(duì)被測(cè)電能表進(jìn)行誤差測(cè)試，并保存校驗(yàn)的結(jié)果。異常狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警是當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)能立即發(fā)現(xiàn)并自動(dòng)報(bào)警，包括警鈴報(bào)警和短信提醒等方式。其系統(tǒng)組成參見圖1。

2 硬件方案

2.1 自動(dòng)控溫系統(tǒng)

圖1 電能表溫度影響自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)

恒溫恒濕室是自動(dòng)控溫系統(tǒng)的主體，其本身具有溫度采集系統(tǒng)及RS485接口輸出。人工控溫的試驗(yàn)方式無法做到時(shí)時(shí)刻刻對(duì)溫度的監(jiān)視，而自動(dòng)系統(tǒng)則可以通過RS485接口進(jìn)行實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)采集 (數(shù)據(jù)采集頻率為1次/min)，并記錄在數(shù)據(jù)庫中。在采集數(shù)據(jù)的同時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定值進(jìn)行比較，判定當(dāng)前溫度是否符合測(cè)溫點(diǎn)的要求，在試驗(yàn)過程中如有采集溫度的異常出現(xiàn)，將重新進(jìn)行溫度的記錄，直到滿足溫度穩(wěn)定的條件再進(jìn)行試驗(yàn)。每一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)試驗(yàn)完成后，結(jié)果將自動(dòng)反饋給后臺(tái)軟件，軟件通過RS485接口設(shè)置預(yù)置的下一個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，繼續(xù)試驗(yàn)。

2.2 自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)

電能表校驗(yàn)裝置是本測(cè)試系統(tǒng)的主體，目前市場(chǎng)上所有的電能表校驗(yàn)裝置，只能同時(shí)校驗(yàn)相同電流和電壓規(guī)格的電能表，對(duì)于規(guī)格不同的電能表，則必須人工重新拆裝后分批檢驗(yàn)。如果仍沿用傳統(tǒng)的校驗(yàn)裝置進(jìn)行測(cè)試，面對(duì)規(guī)格不同的電能表，必將使本測(cè)試系統(tǒng)的自動(dòng)化大打折扣。因此必須研制一種多規(guī)格可切換式電能表校驗(yàn)裝置，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種不同規(guī)格電能表的集中檢驗(yàn)。

多規(guī)格可切換式電能表校驗(yàn)裝置，由電能表標(biāo)準(zhǔn)裝置、切換器與多個(gè)表臺(tái)組成，以下以兩種不同電流規(guī)格的電能表為例進(jìn)行介紹。將一種額定電流的被測(cè)電能表1設(shè)于表臺(tái)1上，將另一種額定電流的被測(cè)電能表2設(shè)于表臺(tái)2上，電能表標(biāo)準(zhǔn)裝置通過切換器分別串聯(lián)被測(cè)電能表1、被測(cè)電能表2，在需要對(duì)被測(cè)電能表1進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，上位機(jī)自動(dòng)控制切換器切換連接被測(cè)電能表1進(jìn)行校驗(yàn);校驗(yàn)結(jié)束后，再自動(dòng)控制切換器切換連接被測(cè)電能表2進(jìn)行校驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)兩種不同電流規(guī)格電能表的集中檢驗(yàn)。切換路數(shù)可根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行增加。多規(guī)格可切換式電能表校驗(yàn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 多規(guī)格可切換式電能表校驗(yàn)裝置

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，切換器與電能表標(biāo)準(zhǔn)裝置均處于恒溫恒濕室的外面，通過電流和電壓引線與室內(nèi)的表臺(tái)相連。切換器可以實(shí)現(xiàn)三路電流和電壓的切換，單相表與三相表通用，每個(gè)通路可檢驗(yàn)最多10只同種規(guī)格的被測(cè)電能表，即每次最多可以完成三種不同電流電壓規(guī)格的30只單相或三相電能表的試驗(yàn)。切換器的電流適用范圍為0～120 A，電壓適用范圍為0～380 V，電壓與電流分別獨(dú)立切換。

2.3 異常狀態(tài)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)

在試驗(yàn)過程中考慮到非人工全程參與的特點(diǎn)，為了保證試驗(yàn)過程的安全性，需增加異常狀態(tài)的報(bào)警。主要采用聲光報(bào)警的功能，在主站的后臺(tái)上位機(jī)安裝聲光報(bào)警設(shè)備。在溫度異?；蛘邷y(cè)量數(shù)據(jù)處于非正常狀態(tài)時(shí)，后臺(tái)輸出控制命令，控制設(shè)備的啟停。報(bào)警設(shè)備啟動(dòng)后，需人工干預(yù)才能復(fù)歸，同時(shí)后臺(tái)保存發(fā)生報(bào)警的記錄，供后期查詢分析。

3 軟件方案

整個(gè)軟件采用分層方式進(jìn)行架構(gòu)，如圖3～4所示。

1)功能模塊發(fā)出設(shè)定溫度命令，服務(wù)層通過協(xié)議封裝層將命令轉(zhuǎn)換為對(duì)恒溫室的操作命令，并經(jīng)由通訊層發(fā)送給恒溫室;

2)恒溫室定期將溫度通過回調(diào)方式傳送給采樣模塊 (Observer)，該模塊在溫度未恒定前不做操作;

3)當(dāng)溫度恒定后，采樣模塊通知控制模塊進(jìn)行測(cè)試;

4)控制模塊發(fā)出測(cè)試命令，服務(wù)層將通過協(xié)議封裝層將命令轉(zhuǎn)換為對(duì)檢驗(yàn)裝置的操作命令，并經(jīng)由通訊層發(fā)送給檢驗(yàn)裝置;

5)測(cè)試結(jié)果通過回調(diào)方式傳送給功能模塊 (Observer)，該模塊通過數(shù)據(jù)庫模塊記錄數(shù)據(jù)，由此完成一次測(cè)試;

圖3 軟件分層架構(gòu)

圖4 軟件流程圖

6)重復(fù)1～4步，直到所有溫度下的所有測(cè)試都完成，至此整個(gè)測(cè)試完成。

主要開發(fā)工具如下:

Embarcadero C++Builder集成開發(fā)環(huán)境

Inno Setup安裝程序工具

Raize VCL Component Suite控件

TeeChart Pro VCL Component控件

XLS ReadWrite VCL Component控件

SerialMon串行通訊分析工具

CommView報(bào)文捕獲分析工具

AQTime軟件性能分析工具

4 對(duì)比試驗(yàn)

選用一只穩(wěn)定的電能表并選?。?0～10℃，13～33℃，25～45℃三個(gè)溫度范圍的上限溫度和下限溫度，分別用人工測(cè)試方式與自動(dòng)測(cè)試方式測(cè)試電能表的誤差。測(cè)試結(jié)果對(duì)比見表1。

表1 電能表人工測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試結(jié)果

以完成10個(gè)批次30只電能表溫度影響試驗(yàn)為例，該自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)與人工測(cè)試的用時(shí)比較見表2。

表2 批次電能表人工測(cè)試與自動(dòng)測(cè)試結(jié)果對(duì)比

結(jié)論1:三個(gè)溫度范圍對(duì)應(yīng)的溫度改變量均為20℃，將表1測(cè)試數(shù)據(jù)代入到公式 (1)中，可得到同一只被測(cè)表在兩種測(cè)試方式下電能誤差隨溫度的改變量均為0.002%/℃，試驗(yàn)結(jié)果一致。

結(jié)論2:通過表2可見，該自動(dòng)測(cè)試方式較人工方式工作用時(shí)大大縮短，每日有效工作時(shí)間大幅提高，試驗(yàn)效率顯著增加。

5 結(jié)束語

通過對(duì)比可見，本自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)不僅可以達(dá)到提高試驗(yàn)設(shè)備使用率、減少人工和人為差錯(cuò)的目的，也能提升整個(gè)溫度影響試驗(yàn)過程的嚴(yán)謹(jǐn)性和規(guī)范性，目前在國(guó)內(nèi)計(jì)量領(lǐng)域尚屬空白，具有較大的推廣價(jià)值。

［1］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1245.3－2010安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱 特殊要求 靜止式有功電能表 (0.2S、0.5S、1和2級(jí))［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

［2］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1245.5－2010安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱 特殊要求 靜止式無功電能表 (2和3級(jí))［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

［3］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1245.2－2010安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱特殊要求機(jī)電式有功電能表 (0.5、1和2級(jí))［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

［4］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1245.1－2010安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱通用要求［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

［5］國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.JJF 1245.4－2010安裝式電能表型式評(píng)價(jià)大綱 特殊要求 機(jī)電式無功電能表 (2和3級(jí))［S］.北京:中國(guó)計(jì)量出版社，2010.

［6］蒙祖強(qiáng)，龔濤.C++Builder程序員成長(zhǎng)攻略 ［M］.北京:水利水電出版社，2007.