快热式热水器超温保护耐久性测试系统研究*

张 立，王万成，赵凯挺

（1.余姚出入境检验检疫局，浙江余姚 315400；2.宁波出入境检验检疫局，浙江宁波 315000）

快热式热水器超温保护耐久性测试系统研究*

张 立1，王万成2，赵凯挺1

（1.余姚出入境检验检疫局，浙江余姚 315400；2.宁波出入境检验检疫局，浙江宁波 315000）

超温保护装置的可靠性对快热式热水器安全运行起到了关键的保障作用，IEC标准和GB国标均规定了相关耐久性测试项目，以确保热水器在整个寿命期间安全使用。介绍了一个能够实现对用于超温保护的热断路器和泄压保护装置在标准规定条件下进行耐久性试验的一体化测试系统，包括该系统基本功能及硬件架构、PLC控制流程和应用LabVIEW编写的操作界面及其程序框图细节，并给出了测试数据曲线，为实施该检测项目提供了一种有效方法。

快热式热水器；超温保护；耐久性测试系统；LabVIEW；应用

0 引言

与储水式热水器相比，快热式热水器具有小巧美观，升温速度快等优点，但其瞬时发热功率很大，一旦温度控制失效，可产生超温超压异常情况并可造成使用者烫伤甚至电热管爆裂引起触电等事故，因此其保护装置的可靠性、稳定性和耐久性显得尤为重要，其安全标准[1-2]规定了温度及压力保护装置在经受耐久性循环测试后，保护性能参数不应出现明显的偏离。但目前尚无专用试验设备来实现此项测试要求，通常采用手动调节流量人工读取数据及高低温交变试验箱等替代方法来进行测试，存在着测试条件与热水器产品实际使用条件差异大、不能真实反映保护装置实际工作状态且测试精度低、可靠性、一致性差的问题，而本测试系统能够模拟快热式热水器在实际工作状态下所经历的温度与压力波动过程，对上述保护装置进行高效自动化地测试，具有显著的实际应用意义。

1 测试系统工作原理

本项目所研发系统集成了温度和压力两种测试模式，由同一操作软件实现监控。根据标准规定，在测试初始5次热断路器动作温度和泄压保护装置压力动作值的基础上，可分别自动地进行5万次温度变化和压力变化耐久性测试。在测试热断路器动作温度之前，将热水器正常运行期间动作的控制器短路，自动调节流量使出水口水温不断升高，当达到动作温度时，热断路器瞬间切断热水器电源，此时电流互感器输出一个信号给下位机，下位机立即记录动作时热断路器温度值，同时增大流量对热水器进行冷却。上位机读取由下位传来的动作温度并在数据框中显示相应测试结果。

耐久性温度变化循环是模拟热水器在正常使用期间流量反复变化而引起的温度波动。在温度测试模式下，通过对流经快热式热水器的水流量及样品供电电源进行自动调节和控制，从而使出水口温度随之发生变化来达到标准所规定温度变化循环周期。其循环变化的温度上下限分别是热水器在额定功率下工作时，水流量调节到水流开关或压力开关处于动作临界状态时测得的出水口水温及该温度的中间值。经受耐久性试验后，重复测量热断路器动作20次的平均值。对前后两个平均值进行比较即可做出符合性判定。

压力测试模式则相对简单，通过控制增压泵和泄压阀的交替通断，来实现规定的动作压力值的测量和压力变化循环周期试验过程。

2 测试系统硬件架构及通信方式

本系统是一个集成了供水系统、电气硬件和工控电脑操作界面的机电一体化综合体。

2.1 硬件架构

本系统硬件主要由测试主机和控制柜两大部分构成，其构成如图1所示。

图1 快热式热水器超温保护耐久性测试系统硬件组成

一是测试主机，主要设置了控制被测快热式热水器工作状态的供水系统，包括压力驱动增压泵、各类传感器（流量、压力、水位、水温）及用于执行流量控制的比例调节阀等部件。

二是控制柜，主要包括用于主界面控制的工控机、PLC控制器、模拟量输入/输出模块、智能流量计及压力计、变频器等。模拟量输入模块FX2N-4AD-TC主要是采集进水口、出水口水温以及热断路器温度。模拟量输出模块FX2N-2DA直接控制比例调节阀。PLC使用FX3U-485-BD通信功能扩展板通过RS485总线获取流量和压力实时测试数据，并将控制数据直接输出到变频器，与比例阀配合工作实现对所测样品流量、温度和压力的控制。

2.2 计算机与PLC控制器的串行通信

本测试系统中工控机界面LabVIEW与PLC之间的串行通信是通过OPC方式［3］实现的，其优点在于利用硬件开发商提供的OPC Server，软件开发人员无需编写低层驱动程序，通过用户软件的OPC Client即可与之进行数据交互，只需要对OPC服务器进行相关设置就可以实现连接。

LabVIEW DSC数据记录与监控模块提供了数据管理工具，利用其与OPC Server通讯的方式简化通过LabVIEW与OPC Server通讯。本测试系统通过创建共享变量，将各共享变量例如测试设定流量、设定水压、断路器温度、进水温度等参数绑定相应的OPC标签，并将其载入到多变量编辑器中，以OPC.lvlib为文件名保存在指定文件夹中。LabVIEW将需要发布的数据送到OPC服务器后，通过串口传给底层设备（PCC）；PCC的数据传到OPC服务器，LabVIEW读取数据并在前面板中显示出来，从而得到现场数据。

3 软件设计

本系统控制软件总体由两部分构成，下位机为三菱公司FX3U-16MR-ES微型可编程控制器，其程序通过GX Developer V8.86Q开发，按照工作流程设计梯形图程序［4］；上位机工控电脑主界面采用LabVIEW图形化程序进行编制。

3.1 下位机程序概述

本系统的测试功能流程主要由PLC来执行，以温度测试模式为例，其主要流程如图2。

图2 温度试验模式测试流程图

该流程执行的关键在于对测试精确度的控制。以温度循环测试模式为例，由于热断路器温度的变化并不是直接由发热元件本身来控制，而是通过自动调节流量来间接控制，因此若采用开环方式调节流量容易造成实际温度超出设定温度循环变化范围上下限的情况。为了解决这个问题，在梯形图程序中引入了PID指令进行闭环控制，该指令的格式（功能指令编号为FNC 88）为：

经调试，确定合适的采样时间Ts(S3)，比例增益Kp(S3+3)、积分时间Ti(S3+4)、微分增益KD（S3+ 5）、输出上下限等参数，并保存到相应的数据寄存器中，而PID输出则用于控制供水水泵变频器工作频率和电动比例调节阀工作状态，执行该指令后使控制精度得到明显提高。

3.2 LabVIEW及功能模块概述

LabVIEW是虚拟仪器领域最具代表性的图形化编程软件，广泛应用于测控领域［5］。本系统操作界面控制软件基于LabVIEW 2014版本开发，主要由压力试验模式、温度试验模式、测试数据曲线查询及共享界面共4个功能模块及其子VI组成，见图3。

图3 上位机软件功能模块

3.2.1 程序概述

进入测试系统后，程序界面如图4所示。

整个程序主要是基于LabVIEW的While循环结构和条件结构[6]进行编制的，由嵌套条件结构或事件结构的While循环组成。循环按等待函数指定时间重复执行循环结构内部的程序框图，直到接线端(输入端)接到特定退出While循环的布尔值，事件驱动结构可以使LabVIEW程序在空闲时处于休息状态，直到前面板中有新的事件发生。

图4 测试系统上位机界面

3.2.2 数据曲线实时显示子VI

为了便于观测过程状态，本软件具有测试数据曲线实时显示功能。以温度试验模式为例，这是一个嵌套条件结构的While循环，执行过程为：通过获取日期/时间（秒）函数读取系统时间，并与从下位机读取的进水、出水口温度、当前流量、热断路器温度等参数以局部变量的形式通过捆绑函数使各独立元素组合为簇，存放到指定盘数据库文件中，供前面板下方实时数据表格读取并显示。

根据波形显示要求，X轴为当前时间，Y轴分别置于波形图两边，左边Y1轴为当前流量值，右边Y2轴为出水口温度和热断路器当前温度。通过获取日期/时间（秒）函数读取系统时间，由格式化日期/时间字符串函数按照时间格式代码指定格式，使时间标识的值或数值显示为时间（X轴）。同时从下位机读取的模拟量出水口水温、热断路器温度和当前流量输入数值至十进制数字符串转换函数，将数字转换为十进制数组成的字符串，与上述时间数值一起创建数组并写入电子表格文件VI。

利用LabVIEW的XY波形图表控件来实现对温度、流量曲线的同步显示。XY波形图表是一个图形显示控件，可以同时选择多个参数作为特性曲线的纵坐标。出水口水温、热断路器温度和当前流量值分别与系统时间通过捆绑函数并形成各自的数组，再次捆绑后合成为一个数组输入到波形显示控件实现实时波形显示[7]。

3.2.3 测试数据曲线保存与查询VI

为了对测试过程作进一步分析与研究，本系统设置了测试数据曲线保存与查询功能。

数据保存模块是一个嵌套条件结构的While循环，点击该按钮时，程序执行当前VI路径函数确定保存数据文件的路径，在报表生成选板中的新建报表，指定报表类型为Excel文件，窗口状态为最小化，设置报表字体VI，设置所保存信息文字的字体字号等，转到添加表格至报表VI设置行首列首标题以及行宽列宽等参数，同时将数据库中的数值数据(二维数组)一并输入至报表。

查询模块下的前面板设置了曲线查询、数据删除和波形清空三个功能按钮。以曲线查询功能为例，程序为平铺式程序结构，点击该按钮，进入第一帧程序，打开对话框，要求输入需要查询的文件路径或目录，然后由文件I/O VI和函数选板下的读取电子表格文件VI在数值文本文件中从指定字符偏移量开始读取指定数量的行或列，并使数据转换为双精度二维数组，然后连线至二维数组转置函数，重新排列二维数组的元素，使二维数组[i，j]变为已转置的数组[j，i]。转入下一步索引数组函数，函数可自动调整大小，在数组中显示各个维度的索引输入，索引输入端的数量与数组的维数匹配。

该函数输出分为三项：一是进入FOR循环，扫描字符串函数，将输入的字符串依据格式转换成年月日时分秒(时间标识只能按照时间格式，否则返回错误)，分别输入到按名称捆绑函数，用于X轴时间显示。另一方面，其余两项如出水口水温、热断路器温度和水流量分别输入到十进制数字符串至数值转换函数，使字符串中的数字字符转换为十进制整数，分别与上述X时间轴经捆绑函数并创建数组后，在前面板中显示对应的波形曲线。查询结束时，程序第二帧是一个单按钮对话框函数，给出数据查询完成信息。

3.2.4 共享界面VI

LabVIEW程序启动后，系统对各相关数据状态以100 ms的周期进行扫描，扫描主要涉及三种类型的数据：一是32位整数，例如在温度测试模式下，热断路器上限报警温度设定值、测试初始流量设定值、温度变化周期循环数等；二是双精度浮点数，如当前流量值、进水口和出水口温度等；三是布尔量，如高低水位指示、水箱加热指示及急停锁定等，在共享界面上进行实时显示。

4 测试验证实例

以测试对象某快热式热水器样品为例，对系统进行验证。该快热式热水器的热断路器标称动作温度为80℃。根据标准规定，分别测量耐久性试验前后的动作温度，中间阶段经受出水口温度上限与其中间值之间的耐久性试验过程，测试数据曲线如图5所示。由于是模拟测试，5万次循环缩短为10次，实时显示的曲线与数据表明本测试系统较好地实现了对产品超温保护性能的自动化测试过程。

图5 动作温度测试数据及温度变化循环曲线

通过对不同型号快热式热水器使用本测试系统进行超温、超压保护耐久性测试，测试过程各循环均具有良好的一致性，整机测试精度能满足相关标准及CTL决议［8］要求，表明该系统工作状态具有较高的稳定性和可靠性。

5 结论

基于LabVIEW软件开发的快热式热水器超温保护耐久性综合测试系统，充分体现了软件操作界面设置的灵活性。该系统的显著特点是：再现了快热式热水器实际工作状态，界面功能齐全，输入参数设置方便，测试过程数据曲线直观明了；充分发挥自动化控制的优势，测控精度高，大大提高了测试效率，能够满足家电安全标准相关测试规定，达到了预期的设计要求，为热水器产品制造企业以及相关认证检测机构进行质量把关提供了一种有效的测试方法。

［1］GB 4706.11-2008家用和类似用途电器的安全快热式热水器的特殊要求［S］.北京：中国标准出版社，2008（07）：7-8.

［2］IEC 60335-2-35：2012 Household and similar electri⁃cal appliances-Safety-Part 2-35： Particular require⁃ments for instantaneous water heaters［S］.Geneva 20，Switzerland， InternationalElectrotechnicalCommis⁃sion，2012.11：19.

［3］王建勋，沈胜利.基于OPC技术的FX_（2N） PLC和PC数据通信实现［J］.实验室研究与探索，2014（01）：119-122.

［4］秦常贵.GX Developer在学习PLC技术中的应用［J］.电脑学习，2011（02）：7-9.

［5］曾珞亚.基于OPC技术的PLC与LabView通信实现［J］.微计算机信息：测控自动化，2009，25（6-1）：52-53。

［6］林静，林振宇，郑福仁.LabVIEW虚拟仪器程序设计从入门到精通：第二版［M］.北京：人民邮电出版社，2013.

［7］易驰，文小玲，李凤旭.基于LabVIEW的温度压力采集系统的设计［J］.微型机与应用，2013（17）：5-8.

［8］International Electrotechnical Commission.PDSH 251E，Instrument Accuracy Limits［EB/OL］.2015-01-23. http：//decisions.iecee.org/iecee/SearchCMC.nsf/de_h. xsp？v=ctl#。

Research on Testing System for Instantaneous Water Heaters Over-Temperature Protective Device Endurance

ZHANG Li1，WANG Wan-cheng2，ZHAO Kai-ting1
（1.Yuyao Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Yuyao315400，China；2.Ningbo Entry-Exit Inspection and Quarantine Bureau，Ningbo315000，China）

The reliability of the Over-temperature protective device is a vital safeguard for safe operation of instantaneous water heaters; IEC&GB standards specify the related endurance test to ensure the safety during the whole useful life period of the water heaters.It introduces an integrative test system performing the test under the conditions specified in the standards，including details of the test system including hardware architecture，PLC control process and test operating interface and block diagrams based on LabVIEW，and gives test curve&data;it provides an effective means for the endurance test.

instantaneous water heaters；over-temperature protective；endurance test system；LabVIEW；application

TM93

B

1009－9492(2015)10－0010－05

10.3969/j.issn.1009-9492.2015.10.003

张 立，男，1967年生，浙江余姚人，大学本科，工程师。研究领域：机电产品认证、检测与设计。

(编辑：阮 毅)

*国家质检总局科技计划项目（编号：2014IK201）

2015－08－10