葉亦旭 胡哲

雙自復位熱斷路器水壺“非正常工作”試驗設備的研制

葉亦旭 胡哲

（寧波出入境檢驗檢疫局 浙江寧波 315400）

對帶有雙自復位熱斷路器水壺的100次“非正常工作”測試進行介紹，分析目前采用手工測試的缺點，提出研究自動化測試設備的必要性和技術方案，總結研制該設備的關鍵技術和成果，并提出后續(xù)技術改進意見，為進一步提高水壺該項目測試的規(guī)范性、準確性提供參考。

雙自復位熱斷路器水壺；非正常工作；自動測試

1 前言

水壺控制器的發(fā)展經歷了從分離式控制器件（如限溫器、自復位熱保護器和熱熔體）到集成式標準化控制器的發(fā)展過程［1］。如今，采用雙自復位熱斷路器作為非正常保護設計的水壺已成為一種較成熟的產品，這種保護設計的方式正越來越多地被推廣。

雙自復位熱斷路器是電水壺重要元器件之一，其非正常保護工作原理為：水壺在干燒狀態(tài)下，雙自復位熱斷路器感溫雙金屬片緊貼發(fā)熱盤，到達感溫雙金屬片動作溫度時，雙金屬片變形后動作［2］，帶動聯動機構，切斷觸點金屬片，使發(fā)熱盤斷電，逐步冷卻；當發(fā)熱盤冷卻到雙自復位熱斷路器感溫金屬片復位時，感溫金屬片產生復位形變［3］，帶動聯動機構，接通觸點金屬片，重新使發(fā)熱盤得電。通過這樣的循環(huán)，把電水壺發(fā)熱盤控制在一定溫度，避免發(fā)熱盤在干燒中過熱，從而達到電水壺非正常工作保護的目的。

國家強制性標準《家用和類似用途電器的安全液體加熱器的特殊要求》（GB4706.19-2008）［4］對自復位熱斷路器動作的可靠性考核做出了明確規(guī)定，標準19.102規(guī)定“帶有2個自復位熱斷路器的電水壺，將一個熱斷路器短路進行工作，器具選擇0.85倍或1.15倍額定輸入功率中較不利者的情況。在另一個熱斷路器動作后的2 s時間內，在電水壺中注入溫度為15±5℃的水。1 min后將電水壺中的水倒掉。試驗進行100次。”試驗后，還要依據標準判定合格性，部分不合格的產品可能會導致水壺殼體燃燒，金屬熔融等危險［5］。

依據標準對電水壺進行雙自復位熱斷路器測試非常重要，但目前進行該項測試以手工操作為主，測試效率不高，在計時、計次中容易出錯，操作隨意性較強。為使測試更規(guī)范、準確，減少人工操作的不確定性，提高測試效率，研究雙自復位熱斷路器水壺“非正常工作”試驗設備非常必要。

2 研究內容和技術路線

帶雙自復位熱斷路器感溫雙金屬片控制器的圖示見圖1。

圖1　帶雙自復位熱斷路器感溫雙金屬片的控制器

本項目擬研究一臺雙自復位熱斷路器水壺“非正常工作”試驗設備，通過自動化的測試來代替手工測試，研究內容主要包括：進行試驗次數、間隔時間的自動設定；根據設定進行注入水溫控制；具備自動加水功能；具備夾持多種壺體，自動翻轉倒水功能；具備接通和操作故障報警功能；具備良好的人機交互界面。

根據上述的研究內容，擬定的技術路線和采取的技術方案為：根據設備測試樣品的多樣性，采用可調節(jié)的壺體夾持裝置；考慮壺體自動翻轉的可靠性，選用氣缸作為動力源，設計3個行程，壺體提升、平移、翻轉；測試設備的核心控制器采用功能完善的可編程控制器，由LCD觸摸屏作為人機交互界面，方便試驗數據的輸入和試驗結果的輸出。

3 采用的關鍵技術

關鍵技術主要分為設備的硬件技術以及軟件技術。

3.1硬件技術

3.1.1采用多功能壺體夾持裝置和氣缸運行系統(tǒng)

設計一個可調節(jié)直徑大小的夾具，用于夾持水壺的底座；設計一個大小快速可調的壺體夾持夾具，采用搖柄的方式進行快速的粗調，在夾持壺體部分，采用四點式可調固定桿的方法，進行不同外形壺體形狀的貼合細調，見圖2。采用氣缸驅動，完成水壺的提升、平移和翻轉倒水，相比采用電動連桿進行翻轉的機構，氣缸系統(tǒng)具有運行穩(wěn)定、動作可靠、壽命更長的優(yōu)點，見圖3。

圖2　多功能壺體夾持裝置

圖3　氣缸運行系統(tǒng)

3.1.2通過PLC、LCD觸摸屏搭建自動測試系統(tǒng)PLC的輸入輸出原理框圖見圖4。

圖4　PLC的輸入輸出原理框圖

PLC輸入單元包括：X0急停按鈕，X1啟動按鈕輸入；X2升降氣缸上限位開關，X3升降氣缸下限位開關，X4移動氣缸左限位開關，X5移動氣缸右限位開關，X6翻轉氣缸上限位開關，X7翻轉氣缸下限位開關；X10負載電流檢測，X11進水口溫度異常開關。PLC輸出單元包括：Y0升降氣缸控制，Y1移動氣缸控制，Y2翻轉氣缸控制，Y3水壺電源控制，Y4加水電磁閥控制，Y7報警燈、蜂鳴器控制?？紤]到輸入單元和輸出單元的數量以及PLC性價比，選用三菱FX1S系列中的FX1S-20MT-001［6］，能滿足性能和技術的要求。LCD觸摸屏選用威綸通的TK6070i為人機交互的界面，該觸摸屏為7寸屏，采用電阻式觸控，具有USB2.0和串行接口，方便與電腦的連接調試以及與PLC的通訊連接，能滿足設備的需要。

3.2軟件技術

3.2.1PLC編程

采用GB4706.19-2008標準中19.102“非正常工作”的試驗內容作為編程流程框圖，參考圖見圖5。

圖5　非正常工作PLC編程流程框圖

采用三菱自有的GX Developer系統(tǒng)［7］，依據上述流程圖對FX1S-20MT-001控制器進行編程。

3.2.2LCD觸摸屏編程

采用威綸通自有的畫面編程軟件EB8000 Project Manager進行TK6070i的畫面編程，該軟件可方便地將PLC輸出與畫面中狀態(tài)指示單元關聯，將畫面中的輸入與PLC中的內部存儲器相關聯，實現水壺測試次數、工作時間、干燒報警時間等參數的輸入。

4 研究成果及創(chuàng)新性

（1）模擬人工的自動倒水系統(tǒng)

采用自動倒水模擬人工倒水的全過程，具備一定獨創(chuàng)性。自動倒水系統(tǒng)包括：可調節(jié)式水壺基座固定裝置，方便不同大小水壺基座的固定；采用多功能可調式壺體夾持裝置代替人手，通過調節(jié)夾持裝置，可將不同形狀的壺體進行可靠固定；考慮到壺體翻轉的穩(wěn)定性和可靠性，采用電磁閥、氣缸傳感器和氣缸構成壺體自動翻轉倒水系統(tǒng)來模擬人工倒水的動作；通過設置氣缸的行程，使水壺倒水的翻轉超過90°；通過設置倒水時間，確保水壺倒水不殘留。實際運行表明，水壺夾持牢靠，自動翻轉系統(tǒng)動作流暢，水壺倒水干凈，取得較好的模擬人工倒水的效果。

（2）解決了人工檢測操作不規(guī)范、效率低下的問題

通過模擬人工的自動倒水系統(tǒng)，解決了人工倒水可能存在倒水不干凈的問題。通過測試系統(tǒng)中自動計時、計次解決了人工檢測操作中計時不準、計次錯誤的問題。通過系統(tǒng)的自動運行，達到了解放人手，提高檢測效率的目標。

（3）實現多參數輸入和試驗狀態(tài)顯示的自動測試系統(tǒng)

該測試系統(tǒng)主要由PLC、LCD觸摸屏的硬件系統(tǒng)和PLC程序和觸摸屏的圖形編程的軟件系統(tǒng)組成。通過軟硬件結合，實現設備輸入參數的設定和LCD觸摸屏上動態(tài)顯示測試過程和測試結果，達到自動測試效果，完成整個科研課題最為核心的功能。

（4）帶有軟硬件保護的自動報警系統(tǒng)

考慮到測試過程的安全性，在設計以及調試的過程中，對安全保護系統(tǒng)不斷加以改進，實現帶有軟硬件保護的自動報警系統(tǒng)，包括通過短路保護器、漏電保護器實現硬件保護，通過控制器程序的設定，具有熱斷路器動作、加熱時間過長等報警功能。

5 后續(xù)技術改進

本設備研制后，尚有需改進之處：對于水壺的注入水溫，依據標準要求增加溫度控制器，并設定進水溫度的上下限，對超過限值的水溫，系統(tǒng)將自動報參考文獻

警；增加水壺電流的檢測功能，當出現無電流，負載斷開的情況，自動報警；為避免自復位熱斷路器失效，水壺持續(xù)干燒，甚至出現起火的情況，在控制器的程序中增加干燒最長時間的設定，超過該時間，系統(tǒng)自動進行熱斷路器異常報警。

［1］馮洪江.中國溫控器市場的主角［J］.現代家電，2011，03：42-45.

［2］周亦武，程建蕊.熱雙金屬簡介及在熱保護器中的應用［J］.電機電器技術，2001，03：42-44.

［3］朱民達.熱雙金屬元件及其制造工藝：第一部分熱雙金屬工作原理及主要技術性能［J］.低壓電器，1996，04：49-51.

［4］GB4706.19-2008家用和類似用途電器的安全液體加熱器的特殊要求［S］.

［5］GB4706.1-2005家用和類似用途電器的安全第1部分通用要求［S］.

［6］三菱電機自動化（上海）有限公司.FX1S系列微型可編程控制器使用手冊.2007.

［7］李響初，等.圖解三菱PLC、變頻器與觸摸屏綜合應用［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2013：6-45.

Development of Testing Equipment of Abnormal Operation of Kettle Incorporating Two Self-Resetting Thermal Cut-Outs

Ye Yixu，Hu Zhe
（Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo，Zhejiang，315400）

To further improve normalization and accuracy about the testing of 100 cycles abnormal operation for kettles incorporating two self-resetting thermal cut-outs，this paper introduce the testing items，analyze the defect of manual testing，propose the necessity and technical protocols of researching automatic testing equipment，summarize key technique，advise improvement suggestions.

Kettle Incorporating Two Self-Resetting Thermal Cut-Outs；Abnormal Operation；Automatic Testing

TM930.2

E-mail：yy.yeyx@nbciq.gov.cn

寧波出入境檢驗檢疫局科研項目（甬K03-2013）

2014-12-09