張立 盧自強 史劍劍

（1.余姚出入境檢驗檢疫局 浙江余姚 315400；2.寧波中盛產(chǎn)品檢測公司 浙江余姚 315400）

熱水器泄壓保護裝置動作性能測試方法研究

張立1盧自強1史劍劍2

（1.余姚出入境檢驗檢疫局 浙江余姚 315400；2.寧波中盛產(chǎn)品檢測公司 浙江余姚 315400）

通過有效的測試方法來準確地測量熱水器泄壓保護裝置動作性能對于確保熱水器產(chǎn)品安全使用必不可少，這也是相關檢測標準中所規(guī)定的要求。本文介紹了專門為實現(xiàn)該項目自動化精確測試而研制的試驗設備的基本功能和工作原理、主要控制部件以及PLC控制程序編制等細節(jié)，并給出了測試數(shù)據(jù)曲線，為實施該檢測項目提供了一種有效方法。

熱水器；泄壓保護裝置；動作性能；測試

1 引言

熱水器在加熱過程中，水體積會隨著溫度不斷升高而增大，若溫控器一旦失效，可出現(xiàn)熱水器內(nèi)部沸騰，過高的壓力如果不及時排除，輕則會影響熱水器內(nèi)膽使用壽命，重則可以造成容器、管路等部件爆裂，從而造成觸電、燙傷等事故，因此為了確保熱水器能夠安全可靠地工作，在熱水器的管路中通常裝有壓力泄放保護裝置。然而設置了該裝置也并非萬無一失，關鍵是需要確保其在熱水器整個使用壽命期間都能夠具有準確的、穩(wěn)定的泄壓動作壓力值，才能在異常情況下真正起到保護作用。因此相關的熱水器安全標準對此規(guī)定了測試要求。但由于缺乏有效的測試方法，一般依賴手動方式進行測試，存在難以實現(xiàn)精確的升壓控制、難以準確讀取泄壓瞬間動作壓力值的問題，不能滿足標準及相關技術決議所提出的測試精度要求，并且操作復雜，不同測試人員操作結(jié)果一致性差等諸多不足，因此研制了一套專門用于該項目的自動化測試設備來解決這些問題。

2 測試儀工作原理及軟硬件配置

熱水器泄壓保護裝置壓力測試的目的是為了驗證在模擬實際使用過程中，壓力波動循環(huán)條件下，泄壓保護裝置的動作壓力值是否會發(fā)生明顯偏離而喪失保護作用。其具體試驗過程為：試驗開始時，測試人員依據(jù)泄壓保護裝置額定動作壓力值加上適當?shù)膲毫φ`差值，將其作為設定目標壓力值，通過PLC控制器向變頻器發(fā)送指令控制水泵逐漸增加壓力，同時泄壓控制裝置不間斷監(jiān)控泄壓閥是否動作而泄水，一旦監(jiān)測到泄壓閥動作，PLC便能記錄其動作瞬間的壓力值并顯示在界面上，得到測試數(shù)據(jù)后使回流閥接通，將壓力釋放掉，以便為下一次測試做好準備。由于PLC執(zhí)行指令速度很快，所選用型號PLC每條基本指令的執(zhí)行時間僅為0.065μs，因此執(zhí)行整個

程序幾百條指令耗時也不超過0.1秒，能夠準確地捕捉到泄壓動作瞬間的壓力值，避免了人工讀取數(shù)據(jù)造成的時間延誤，完全可以滿足測試精度的要求。這一過程可以根據(jù)標準規(guī)定的要求連續(xù)地對泄壓保護裝置動作值進行多次自動化重復測試，并在此基礎上進行所設定壓力范圍和次數(shù)的自動化耐久性壓力循環(huán)變化過程，以考核在熱水器實際使用過程中該保護裝置是否具有足夠穩(wěn)定的動作特性。

可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，簡稱PLC），具有硬件標準化、模塊化、配套齊全、使用方便且適應性廣、可靠性高和抗干擾能力強的特點，作為本測試系統(tǒng)核心控制的部件是三菱FX3U系列中16點繼電器型可編程控制器FX3U-16MR/ES，另外還配置了相應的XST/C系列智能壓力采集儀表，CHE100-004G-4型開環(huán)矢量變頻器、增壓水泵、回流電磁閥等關鍵部件，同時采用工控電腦作為上位機顯示界面，對測試狀態(tài)及結(jié)果進行實時顯示。

在軟件設計方面，PLC控制器通常有指令表、梯形圖和順序功能圖三種編程方式，其中梯形圖具有以下幾個方面特點：

（1）PLC最常用的編程語言，與繼電器電路原理相似，相對易于學習掌握；

（2）功能強，性價比高；

（3）設計靈活，安裝和調(diào)試、維護工作量少等，因此本測試儀采用梯形圖方式編制。

所采用的編程軟件為三菱通用性較強的GX Developer 8.86，由于運用了梯形圖邏輯測試功能，該軟件能夠更加方便地進行調(diào)試作業(yè)，并且可以在不與PLC連接狀態(tài)下進行模擬在線調(diào)試，可大幅度縮短程序編輯的時間。

圖1 梯形圖程序中的通信設置

圖2 PID指令參數(shù)設置

3 各部件之間通信方式

要實現(xiàn)整個測試系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，首先必須確保各部件之間良好的通信狀態(tài)。安裝在PLC上的FX3U-485-BD通信功能擴展板組成了半雙工雙向網(wǎng)絡，在電氣上同時與輸入儀表壓力計和輸出執(zhí)行部件變頻器的RS-485接口連接，實現(xiàn)異步串行通信，獲取壓力實時測試數(shù)據(jù)，并將控制數(shù)據(jù)直接輸出到變頻器，實現(xiàn)對所測熱水器泄壓閥樣

品所施加壓力的控制。程序中使用RS指令執(zhí)行無協(xié)議通信方式進行數(shù)據(jù)交換。圖1為寫入到PLC控制器的梯形圖程序中有關通信的設置。

PLC控制器上電啟動后，輔助繼電器M8002接通產(chǎn)生一個掃描周期的脈沖使M0得到電動作后為ON，并延遲5s，接著M8002發(fā)出一個掃描周期的導通信號來進行PLC初始化操作，使通信設置維持用輔助繼電器M8120、8位處理模式M8161置位（ON為8位）。對軟元件D8120進行通訊格式設置，其所賦值為十六進制數(shù)H0C91（0000 1100 1001 0001B）。按照該數(shù)據(jù)寄存器的設置規(guī)則，其含義如表1所示。程序中D8129超時時間設定（單位為10ms）為1秒，在設定時間內(nèi)沒有數(shù)據(jù)傳輸時，則超時輸出標志位M8129變?yōu)镺N，則接收結(jié)束。

表1 軟元件D8120串行通信格式設置

表2 PID控制指令參數(shù)設置

圖3 泄壓閥動作值及壓力變化循環(huán)數(shù)據(jù)曲線

4 測試功能的實現(xiàn)

測試功能分為泄壓保護裝置動作值的測量和進行耐久性壓力變化循環(huán)試驗兩種情形。梯形圖程序主要是按照快熱式熱水器第24章對元件所規(guī)定的要求，總體流程是：PLC建立與壓力采集儀表、執(zhí)行機構變頻器的通信→測試5次泄壓閥動作值求平均值1→進行5萬次壓力變化循環(huán)試驗→測試20次泄壓閥動作值求平均值2，根據(jù)兩次平均值可計算其偏差從而做出對標準符合性的判定。

4.1 測試過程所依據(jù)的主要控制技術

沒有反饋的開環(huán)控制系統(tǒng)難以滿足檢測精度要求，而PID控制是過程控制中最為廣泛的一種自動控制方式，而且參數(shù)調(diào)整方便，具有較強的靈活性和適應性，因此本測試儀也予以采用。其工作原理是：如果增壓水泵以恒定的速率升降，則在到達設定壓力的上、下限時容易造成實際壓力超出設定值范圍，從而出現(xiàn)偏離標準規(guī)定測試條件的情況。因此需要根據(jù)當前壓力值與設定值相比較得到的差值來確定變頻器的工作狀態(tài)，進行動態(tài)調(diào)整控制，而引入PID控制方式可以較好地解決這個問題，將比例、積分、微分三種控制規(guī)律結(jié)合在一起，組成一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，PID控制吸取了比例控制，反應及時迅速、積分控制的消除靜差功能以及微分控制的超前預測控制功能的特點，可以使增壓速率在接近設定限值時得到自動調(diào)整，有效避免檢測過程中出現(xiàn)超范圍的情況。

PID控制原理應用的關鍵是需要設置合適的參數(shù)，在本測試儀中可以通過在梯形圖程序中對PID指令參數(shù)的設置來獲得預期的控制效果，該指令的格式（功能指令編號為FNC 88）為：。PID指令中參數(shù)的設置與采集，主要包括目標值S1（SV）、實測值S2（PV）、及參數(shù)S3，包括采樣時間（Ts）、比例增益（Kp）、積分時間（Ti）、微分時間（Td）、輸出上限值及下限值等。這些數(shù)據(jù)分別存放在相應的D220、D221、D223等數(shù)據(jù)寄存器中，其中D210為目標值，D212為測量值，D220為采樣時間參數(shù)，D22為輸出值（MV）發(fā)送給變頻器。根據(jù)上述指令格式的定義，相關的設置詳見表2。

在PID運算開始之前，需使用MOV指令將參數(shù)設定值寫入對應的數(shù)據(jù)寄存器中，部分程序指令說明如圖2。

PID參數(shù)設置是否合適，調(diào)試過程也是重要的環(huán)節(jié)，需經(jīng)過多次嘗試以確定最合適的賦值。需要注意的是，在初始調(diào)試時首先調(diào)節(jié)比例系數(shù)Kp值，初調(diào)時選小些，然后再慢慢調(diào)大，直到系

統(tǒng)波動足夠小。積分時間初調(diào)時應設置長些，然后慢慢調(diào)小直到系統(tǒng)穩(wěn)定以提高系統(tǒng)控制精度。微分時間常數(shù)Td增大時，抑制高頻干擾的能力下降，初調(diào)時把這個系數(shù)設小，然后慢慢調(diào)大直到系統(tǒng)穩(wěn)定。

4.2 泄壓保護裝置動作值的測量

按下連接在PLC的X1端口上的啟動按鈕，程序開始運行，PLC發(fā)出RST指令使回流閥復位（處于關閉狀態(tài)），同時向變頻器發(fā)出運行指令，變頻器按照事先設定的PID速率增加水泵轉(zhuǎn)速，使供給泄壓閥的壓力逐漸提高。當泄壓閥動作時，泄放口即有水泄出，探頭監(jiān)測到此信號將其傳送至PLC的X3輸入端口，此時PLC立即做出反應，一方面自動記錄泄壓瞬間的動作壓力值，通過上位機在界面上顯示；另一方面給變頻發(fā)送停止信號，經(jīng)延時1秒后接通回流閥使管路內(nèi)壓力下降，完成一次測試，計數(shù)器加1。重復進行上述測試過程，但后續(xù)每次測試的壓力動作值數(shù)據(jù)被累加到一個專用的數(shù)據(jù)寄存器D100中，當試驗次數(shù)達到設定值時，根據(jù)標準的規(guī)定使用DIV指令對5次測試結(jié)果求平均值，從而得到所需的檢測結(jié)果值。

4.3 耐久性壓力變化循環(huán)試驗

該測試過程按照標準規(guī)定，壓力波動范圍是泄壓閥額定壓力與此值的中間值。與測量泄壓閥動作值僅在壓力上限應用PID控制不同的是，耐久性壓力循環(huán)試驗在壓力上限和下限均需應用PID控制。以某快熱式熱水器樣品泄壓閥為例，其標稱動作壓力為0.7MPa，則設定的壓力波動范圍為0.35MPa～0.70MPa。經(jīng)測試驗證，測試過程及壓力數(shù)據(jù)采集滿足標準對樣品的試驗要求并優(yōu)于相關CTL決議DSH 251E規(guī)定的測試精度限值范圍，測試過程數(shù)據(jù)曲線如圖3所示（由于是模擬測試，標準規(guī)定的5萬次循環(huán)縮短為5次）。

5 結(jié)語

在開展家電產(chǎn)品檢測過程中，常常會遇到一些項目需要使用專用設備才能使檢測過程操作方便并且結(jié)果準確，本測試儀的應用性開發(fā)，為進一步利用現(xiàn)代成熟先進的控制方法和軟硬件技術在結(jié)合相關標準要求的基礎上，通過優(yōu)化配置，實現(xiàn)特定項目的自動化檢測提供了一種有效的途徑。

[1] 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]. 北京：中國標準出版社，2008.07：7-8.

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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