程銀寶， 陳曉懷， 王漢斌， 張孝軍， 吳　軍， 徐　磊

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009； 2. 安徽省計量科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230051)

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基于PLC風(fēng)扇能效測試系統(tǒng)的設(shè)計及精度分析

程銀寶1， 陳曉懷1， 王漢斌1， 張孝軍2， 吳軍2， 徐磊1

(1. 合肥工業(yè)大學(xué) 儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院， 安徽 合肥 230009； 2. 安徽省計量科學(xué)研究院， 安徽 合肥 230051)

摘要:針對交流電風(fēng)扇能源效率測試的基本原理進(jìn)行研究， 設(shè)計了一套基于PLC的能源效率測試系統(tǒng). 重點討論了風(fēng)量測量的方法和注意事項， 通過RS232C通信端口將計算機(jī)與PLC連接， 實現(xiàn)對系統(tǒng)的運行控制、 數(shù)據(jù)采集、 計算與存儲. 選擇定位精度高、 具有反饋控制環(huán)的伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)， 精確控制風(fēng)速儀的移動， 提高了系統(tǒng)的測試效率. 明確給出風(fēng)量、 能效值的計算方法， 并建立了數(shù)學(xué)模型. 通過實例對風(fēng)量和能效值的測量精度進(jìn)行了分析， 指出了各測量不確定度分量對測量結(jié)果的影響程度.

關(guān)鍵詞:交流電風(fēng)扇； 能效測試； PLC； 不確定度分析

能效是指能源利用中發(fā)揮作用的能源量與實際消耗的能源量之比， 即為終端用戶提供的服務(wù)與所消耗的總能源量之比[1]. 隨著人類社會的發(fā)展以及科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步， 節(jié)約能源不僅指單純意義上的減少使用能源， 更重要的是提高耗能設(shè)備的能效. 例如， 節(jié)約電能的兩種有效途徑為減小功率(kW)和減少電能(kW·h). 減小功率主要通過提升用電設(shè)備的內(nèi)部效率或功率因數(shù)來實現(xiàn)， 減少電能(kW·h)主要是控制用電時間[2].

能效標(biāo)識是用能產(chǎn)品或設(shè)備能源效率等級等性能指標(biāo)的信息標(biāo)識， 通常以能耗量、 能源效率或能源成本的形式給出， 一般附著在用能產(chǎn)品上. 目前， 我國對家用電器等使用面廣、 耗能量大的用能產(chǎn)品， 實行能源效率標(biāo)識管理. 交流電風(fēng)扇作為應(yīng)用最為廣泛的小家電之一， 雖然單個產(chǎn)品耗能相對大家電不明顯， 但其產(chǎn)銷巨大， 故耗能總量不容忽視. 2009年出臺的《中華人民共和國實行能源效率標(biāo)識的產(chǎn)品目錄(第五批)》將交流電風(fēng)扇列入了實行能源效率標(biāo)識的產(chǎn)品目錄. 目前， 國家質(zhì)檢總局尚未發(fā)布與交流電風(fēng)扇有關(guān)的能效標(biāo)識計量檢測規(guī)則， 因此本文根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[3,4]對交流電風(fēng)扇能源效率的測試方法進(jìn)行分析探討， 以建立一套完整的測試系統(tǒng). 依據(jù)GUM對測量系統(tǒng)的不確定度進(jìn)行分析， 以期為交流電風(fēng)扇能效檢測結(jié)果的科學(xué)評定提供參考.

1測量基本原理

圖 1　系統(tǒng)控制原理圖Fig.1　Schematic diagram of testing system

風(fēng)扇能效測試系統(tǒng)的基本原理以上位計算機(jī)為核心進(jìn)行運行控制、 數(shù)據(jù)收集、 計算、 整理， 通過串行通信端口RS-232C與PLC連接， 實現(xiàn)對整個試驗過程的運行控制、 數(shù)據(jù)采集、 計算、 整理與存儲[5]. 風(fēng)扇能效測試系統(tǒng)的控制原理如圖 1 所示.

溫濕度傳感器和大氣壓力傳感器通過模擬量模塊與PLC連接， 將采集到各項環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī). 同理， 風(fēng)速測量變送器將風(fēng)速傳感器測量到的風(fēng)速脈沖信號轉(zhuǎn)換為模擬信號后通過模擬量模塊與PLC實現(xiàn)連接.

圖 2　PLC控制系統(tǒng)流程圖Fig.2　Flow chart of PLC controlling system

2PLC控制系統(tǒng)設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計在滿足系統(tǒng)需求的前提下， 應(yīng)保證控制系統(tǒng)安全可靠、 簡單經(jīng)濟(jì)以及便于維護(hù)、 擴(kuò)展等. 系統(tǒng)的PLC選擇SIEMENS S7-300， 定義各個I/O點的模塊、 端子編號以及I/O的地址、 功能. I/O點分配完畢后根據(jù)流程圖進(jìn)行系統(tǒng)編程， 程序通過編程電纜從上位計算機(jī)下載到PLC， 經(jīng)過軟件測試來消除編程中的漏洞. 本系統(tǒng)PLC控制系統(tǒng)的設(shè)計流程圖如圖 2 所示[6].

SIEMENS S7-300 PLC屬于模塊式PLC， 其主要硬件模塊根據(jù)系統(tǒng)控制的要求自由組合、 擴(kuò)展. 選擇用于分布式結(jié)構(gòu)的緊湊型CPU 313C， 內(nèi)置數(shù)字量I/O可以連接到過程信號， PROFIBUS DP 主站/從站接口可以連接到單獨的I/O單元， 可用作局部單元進(jìn)行快速預(yù)處理， 也可用作帶從屬現(xiàn)場總線系統(tǒng)的一個高級控制. 選擇目前最為常用的串行通訊接口RS-232C與上位機(jī)連接[7].

外部元件選擇上， 導(dǎo)軌的驅(qū)動裝置考慮采用伺服電機(jī)機(jī)構(gòu). 步進(jìn)電機(jī)機(jī)構(gòu)雖然與高精度絲桿滑軌配合時也可獲得較高的定位精度， 但不具反饋機(jī)制， 存在失步的可能， 所以綜合定位精度還是會受到一定程度的影響. 本文采用伺服電機(jī)機(jī)構(gòu)主要考慮其具有反饋控制環(huán)且定位精度高， 無需每次復(fù)位測試， 測試效率較高. 伺服驅(qū)動器與PLC連接， 可精確控制自動調(diào)整風(fēng)速計與扇葉平面的距離以及左右兩側(cè)風(fēng)速儀的內(nèi)外向平行移動. 通過伺服驅(qū)動器控制伺服電機(jī)， 伺服電機(jī)與絲杠導(dǎo)軌再帶動移動機(jī)構(gòu)及風(fēng)速儀. 直線導(dǎo)軌除了控制風(fēng)速儀前后移動外， 還用于承重和減少橫向移動時的晃動. 風(fēng)扇安裝平臺的升降通過步進(jìn)電機(jī)手動控制， 在X,Y,Z3個坐標(biāo)方向均能實現(xiàn)自由移動. 采用激光標(biāo)線儀微調(diào)風(fēng)扇， 使其與墻壁、 風(fēng)速測量儀保持平行以及保持風(fēng)扇軸線在兩側(cè)風(fēng)速儀的中心線上.

3測量方法與模型

如圖 3 所示， 兩臺風(fēng)速儀從左右兩側(cè)距離扇葉軸線垂直距離0.2 m處開始測量， 并以0.4 m的增量沿著水平直線逐點向外移動， 風(fēng)速低于0.4 m/s時測量結(jié)束. 每秒采集一次風(fēng)速儀的數(shù)值vi， 則各點采集n秒的風(fēng)速為

圖 3　風(fēng)速儀架設(shè)示意圖Fig.3　Schematic diagram of anemometers position

(1)

左右風(fēng)速的均值即該點的平均風(fēng)速， 為

(2)

選用Yokogawa精確度等級為0.3級的WT210功率計對被測風(fēng)扇試驗過程中的電能進(jìn)行測量， 測量精度為±(讀數(shù)的0.1%+量程的0.1%). 該功率計自帶RS-232C通訊接口， 自動實現(xiàn)與計算機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸和處理.

總風(fēng)量F測量的數(shù)學(xué)模型為

(3)

式中：F為試驗的總風(fēng)量， m3/min；Qi為測量點i處通過圓環(huán)的風(fēng)量， m3/min；Vi為測量點i處同一圓環(huán)的平均風(fēng)速， m/min；Si為測量點i處圓環(huán)的面積， m2.

被測風(fēng)扇的能效值η是測得的電風(fēng)扇總風(fēng)量F除以電動機(jī)輸入功率P， 即η=F/P.

4精度分析實例

以扇葉?300 mm的臺扇為測量對象， 依據(jù)上述檢測方法， 對其風(fēng)量測量及能源效率測量結(jié)果的不確定度進(jìn)行分析評定.

4.1風(fēng)量測量的不確定度評定

1) 重復(fù)性引入的不確定度分量

對風(fēng)扇進(jìn)行10次獨立的輸出總風(fēng)量的測量， 測量結(jié)果如表 1 所示. 根據(jù)貝塞爾公式計算測量結(jié)果中單次測量的實驗室標(biāo)準(zhǔn)差， 若測量結(jié)果以3次測量平均值作為實測值， 則重復(fù)測量引入的總風(fēng)量測量的不確定度分量為

(4)

2) 風(fēng)速測量引入的不確定度分量

風(fēng)速測量引入的不確定度分量屬B類不確定度評定的范疇[8]. 根據(jù)風(fēng)速儀校準(zhǔn)證書， 測量范圍0 m/s

表 1　輸出風(fēng)量測量重復(fù)性數(shù)據(jù)

表 2　風(fēng)速不同測量范圍的相對不確定度

測量時使用兩臺同樣的風(fēng)速儀， 因此需考慮測量的相關(guān)性， 取相關(guān)系數(shù)r=1. 根據(jù)不確定度合成原理， 風(fēng)速測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

(5)

表 3　風(fēng)速測量引入的不確定度分量一覽表

3) 圓環(huán)面積測量引入的不確定度分量uB(Si)

表 4　風(fēng)量測量的不確定度分量匯總表

同理， 相關(guān)系數(shù)r=1時， 圓環(huán)面積測量引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量為

4) 風(fēng)量測量的不確定度合成與報告

風(fēng)量測量的各不確定度分量， 見表 4.

相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取置信概率為95%， 包含因子k=2， 則總風(fēng)量測量的相對擴(kuò)展不確定度[9]為Urel(F)=k·ucrel(F)=1.90%.

4.2能效測量的不確定度評定

同理， 考慮重復(fù)性、 風(fēng)量測量和功率測量對測量結(jié)果的影響， 各不確定度分量匯總?cè)绫?5 所示.

表 5　能效值測量的不確定度分量匯總表

0.01m3/(min·W).

則合成后的相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

取包含因子k=2， 則能效值測量的相對擴(kuò)展不確定度為：Urel(η)=k·ucrel(η)=1.86%.

5結(jié)論

本文通過對交流電風(fēng)扇能效測試原理的研究， 設(shè)計了一套基于PLC的風(fēng)扇能效測試系統(tǒng). 在實際測量過程中發(fā)現(xiàn)， 并不是所有設(shè)備的精度都會對整體測量的系統(tǒng)精度產(chǎn)生較大影響[10]. 通過實例分析不難發(fā)現(xiàn)，uA(F)?uB(S)，uB(V)?uB(S)， 這是因為風(fēng)速儀測量探頭的導(dǎo)軌采用伺服電機(jī)驅(qū)動， 其定位的精度高， 與重復(fù)性誤差和風(fēng)速儀自身測量誤差相比， 導(dǎo)軌誤差對測量結(jié)果的影響可忽略不計； 對于重復(fù)性誤差引起的uA(F)， 在條件允許的情況下， 可增加測量次數(shù)來降低其對測量結(jié)果的影響程度. 本研究對于風(fēng)扇能效檢測實驗室測試方法的探討和測量精度控制具有參考價值.

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Design and Precision Analysis for PLC-Based Energy Efficiency Testing System of Electric Fans

CHENG Yinbao1, CHEN Xiaohuai1, WANG Hanbin1, ZHANG Xiaojun2, WU Jun2, XU Lei1

(1. School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technolgy, Hefei 230009, China;2. Anhui Institute of Metrology, Hefei 230051, China)

Abstract:The basic principle of energy efficiency testing system of ac electric fans was researched. An energy efficiency testing system of AC fans based on PLC was designed. Moreover, test method of air volume and notes were described mainly. Operational control of system and data collection ,store and translation were achieved by computer, which is linked Programmable Logic Controller by communication interface RS232C. Three high-accuracy positioning servo motors were used, which can control movement of anemometers accurately with the feedback control loop, and improve the testing efficiency. Computational methods of air volume and energy efficiency were given clearly, and their mathematical models were established. The precision analysis of air volume and energy efficiency were analyzed through experiment and calculation. The influence of standard uncertainty components was pointed out explicitly.

Key words:AC electric fans； energy efficiency test； PLC； uncertainty analysis

中圖分類號:TK315

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

doi:10.3969/j.issn.1671-7449.2016.01.001

作者簡介：程銀寶(1984-)， 男， 博士生， 主要從事測試計量技術(shù)及儀器精度的研究.

基金項目：國家自然科學(xué)基金項目(51275148)； 合肥工業(yè)大學(xué)青年教師創(chuàng)新項目(JZ2014HGQC0126)

收稿日期:2015-10-25

文章編號:1671-7449(2016)01-0001-05