基于GB 12021.2-2015的冰箱在线自动化测控系统

吴上泉， 梁锦昌， 邹伟

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510000)

0 引 言

GB 12021.2-2015《家用电冰箱耗电量限定值及能效等级》于2015年9月18日公布，并于2016年10月1日正式实施，替换GB 12021.2-2008作为国内家用电冰箱能效等级评价的强制标准，同时GB/T 8059《家用和类似用途制冷器具》性能测试标准也以已于2016年12月30日正式颁布。与旧标准相比，主要区别如表1所示[1]。

表1 耗电量测试方法对比

可以看出，总耗电量不再是简单的测量24 h以上的时间内的能耗，然后折算到24 h作为耗电量指标，而是包括了稳定状态耗电量、化霜及恢复期耗电量增量以及辅助装置的耗电量，而前两者都有相应的判定算法，同时装载部分也有类似的判定算法。

其中稳定状态耗电量判定算法有两种，分别为SS1、SS2，化霜及恢复期耗电量增量也有两种，分别为DF1、DF2，装载判定算法有一种，这几种判定算法采用的主要甄别参数是几段区间内的时间长度、温度偏差、温度变化率、相对功率偏差，相对功率变化率[2]35。而目前国内大多数实验室对这几种算法采用的仍然是现场实时采集数据，然后手动离线统计、搜索、遍历、判断、计算的方法，测试效率极其低下。

本文提出一种三层网络结构的设计理念，将上位机、可编程控制器PLC、高精度控制仪表UT55A、高速数据采集器MX100、高精度功率计WT310以及触摸屏等测试部件有机结合在一起，采用上位机、触摸屏同步集中管理、底层网络分散控制的方式，并在上位机中部署在线测试软件，实现参数设定、数据采集、在线监控、数据分析、判断计算、信息提示、报告生成、数据存储、历史数据查询等功能。

1 测控系统设计

本测控系统主要针对6工位冰箱性能测试实验室进行设计，每个工位配备20个通道热电偶，采用三层结构的控制架构，如图1所示。

图1 系统结构图

其中顶层为PC工控机，主要部署了基于LabVIEW平台自行开发的工控软件，实时监控冰箱性能实验室各个功能部件的工作状况，负责数据的采集、判断、显示、存储等功能。

第二层为EDS交换机实现的局域网络，该局域网络上的设备主要有2个MX100数据采集器、1个串口管理器、1个触摸屏。单个MX100数据采集器最多能采集60通道的热电偶，而6工位需要120个通道热电偶，因此需要2个MX100数据采集器对热电偶进行管理采集；串口管理器负责对串口进行扩展，主要扩展出6路RS232端口，1路RS485总线端口。MI8100触摸屏负责一些简单的人机交互、大功率器件的开停与报警显示。

第三层为6个高精度功率计(WT310)、高精度温湿度控制表(UT55A)、可编程逻辑控制器(PLC)。功率计实现6个工位的电参数采集，主要包括电压、电流、功率、功率因素、电能、频率。UT55A实现房间温度湿度的高精度闭环PID调节，并将实时的温度、湿度数据通过RS485总线发送给PC机。PLC控制器接受PC机的指令，同时也接受MT8100I触摸屏的指令对风机、压缩机、加热器、加湿器等进行开停控制，并搜集报警信号上传。

本在线自动化测控系统程序主要分为三个部分，触摸屏程序、PLC程序以及上位机主控程序，其中触摸屏程序较简单，不予赘述，本文仅讨论PLC程序与上位机主控程序。

1.1 PLC程序设计

PLC程序需要控制和接收的信息主要包括表2所示内容。此外，程序设计需要考虑一些具体的逻辑原则：

表2 报警信号以及控制信号

(1)只有在循环风机开启的状态下，才能开启电加热、电加湿、压缩机1、压缩机2，且后4者中有一个处于开启状态，都不能关停循环风机，否则认为是无效操作；

(2)压缩机的启停距离上一次应该有一定时间的保护延时；

(3)各大功率器件启动的时候，是否有相应类的报警信号输出，如果有，则不予启动；

(4)当有报警信号输出时，检测到危险信号逻辑时，应该自动停止相应的大功率器件。

1.2 主控程序设计

上位机程序主体框架由LabVIEW平台开发，使用Access数据库对历史数据进行列表存储，同时对数据的循环遍历、计算判稳模块采用了基于VS2010编译形成的DLL库。

主控程序整体框架如图2所示，主要包括3部分子模块：设备监控、工位查询、历史数据查询。其中设备监控子模块负责6个工位实时数据查询，各设备的通信状态、运行状态等。工位查询部分包括各工位的各项参数设置、详细运行数据显示、曲线显示、判断计算、数据存储等。

图2 主控程序整体框架结构

测控系统的整体监控界面如图3所示，人机交互中除了包括一些常用功能，比如试验信息设置、数据保存、试验停止和退出外，针对耗电量试验还包括了“空载试验可结束”，“此时可装载”，“装载试验稳定”，“考虑换装载负载”，“耗电量试验可停止”等指示灯，以及“装载”、“换装载”按钮。

历史数据查询主要包括Access数据库查询与历史数据文件读取。LabVIEW平台对Access数据库的调用可以通过NI公司提供的NI_Database_API.lvlib库函数实现[3]，库中主要包括数据库连接的打开、SQL语言运行、数据库的关闭等，如图4所示。由于程序需要对文件进行较频繁的数据写入与读取，因此本测控系统统一采用NI兼容性最好的、最常用存储所采集数据通道的文件格式——技术数据管理流(TDMS)格式。 该文件中的数据关联至3个层次：文件、通道组、通道名称，从而可以将功能类似的数据进行分组、批量快速存储。

图3 测控系统监控界面

图4 程序对Access数据库的调用

1.2.1被试机信息采集与监控

系统需要采集被试机的温度数据以及电参数数据，并对这些数据进行分析，处理，统计，判定等。其中温度数据根据传感器不同，分为热电偶数据与铂电阻干球温度数据。前者通过MX100数据采集器进行信号传输，后者采用温控仪表(UT55A)进行数据的采集与控制。电参量的采集与电能积分控制通过WT310实现。

NI公司开发了一种用来与各种仪器总线进行通信的高级应用编程接口——VISA[4]，可以用来对USB、GPIB、串口、以太网等接口进行通信，在本系统中，只需要简单调用VISA即可对以上的几种仪器进行通信与控制。其中MX100采用的是以太网通信，VISA口格式为TCPIP::addr::port:SOCKET,其中addr表示MX100的主机地址，port为端口号固定为34316。通信程序图如图5所示。

图5 MX100数据采集程序

本系统中UT55A不仅负责环境温度、相对湿度的采集传输，也负责形成现场控制闭环，实现环境温湿度的高精度控制。UT55A智能控制器采用的控制闭环如图6所示，其中UT55A内部自带了模糊控制器，PID参数自整定算法，输入输出十段线性化矫正等功能，因此使用非常方便。

图6 UT55A控制结构框图

1.2.2算法设计

针对文献[2]35中所要求的多种判定算法，本文对其中的温控周期判定算法以及装载能效测算方法进行了自动化程序设计。

(1)温控周期判定

针对具有压缩机启停特性的被试器具，需要判断并划分其温控周期，统计温控周期内的各间室平均温度、平均功耗，进而进行后续的稳态、化霜及恢复期或者装载的判定与计算。因此温控周期的准确判定对计算结果有非常重要的意义。文献[2]35中规定可以采用间室温度的最高点对温控周期进行划分，或者采用压缩机(或化霜加热器)启动对温控周期进行划分，本文采用后一种划分方式，并提出了一种基于状态机的温控周期判断方法，能够精准划分温控周期，同时方法中排除了防凝露加热器、风扇、灯等部件工作可能造成误判的因素。其中，状态迁移图如图7所示。

图7 温控周期状态迁移图

状态机主要包含4种状态，分别为压缩机运行、化霜加热器启动、停止以及等待。其中压缩机运行状态的判定条件为

P≥Plower,φ≤φdf

(1)

其中Plower为功率设定下限值，φdf为功率因素设定上限值。同理，化霜加热器运行状态的判定条件为:

P≥Plower,φ>φdf

(2)

而停止状态判断条件为

P

(3)

此外，I_CompressRun, I_stop, I_heater分别表示压缩机运行判定条件持续时间，停止判定条件持续时间，化霜加热器运行判定条件持续时间。任意2个非等待状态之间切换都需要经过“等待”状态，这是为了滤除由于被试机功能部件启动造成的一些误判因素，“等待”状态需要一直循环，直到待切换的“某状态”持续足够长时间。而一旦完成切换，且程序判定当前为非“停止状态”，则进行温控周期数据统计。

(2)装载判定算法

文献[5]84针对空载期间稳态功率、化霜及恢复期的耗电量增量提出了一种自动寻优、遍历的测算算法，本文基于此，设计了一种针对装载期间耗电量增量的测算方法，如图8所示。空载SS判定算法与装载SS判定算法过程相同，流程如图9所示。具体的SS1、SS2、DF1、DF2判定算法可以参考文献[5]84，本文不予赘述。

图8 装载判定算法流程图 图9 稳态SS判定算法流程图

2 系统测试

应用本自动化测控系统对一款对开门风冷无霜冰箱进行16℃时的耗电量测试，测试结果如表3所示。

通过观察不难发现，“三星”和“四星”级室平均温度为-18.092 6 ℃，冷藏室ta平均温度为3.687 1 ℃，满足间室特性温度的单点测试要求，环境温度15.865 1 ℃也满足16±0.5 ℃的精度要求，此外，系统还根据被试机的各间室容积、环境温度偏差对耗电量进行了修正，修正系数为1.006 7，并对化霜及恢复期的耗电量增量、装载期间的耗电量增量进行了计算，完全满足测试的功能和精度要求。

3 结束语

本文针对GB12021.2-2015中提出的测试要求，提出了一种基于三层网络结构的自动化测控系统，从系统硬件框架设计到PLC程序设计，最后到系统算法实现进行了阐述，最后通过系统测试验证了该系统的功能完整性和可靠性。该系统具有良好的人机交互功能，能够极大程度上减少测试人员对试验的误操作概率，同时省去了繁琐的人工计算、判稳等步骤，能极大程度地提高测试效率。

[1] 赵亚丽，王瑞，邓伯会．IEC新标准对直冷冰箱耗电量评价的研究[C].2013年中国家用电器技术大会，北京：2013:854-858.

[2] 全国能源基础与管理标准化技术委员会(SAC/TC 20),家用电冰箱耗电量限定值及能效等级:GB12021.2-2015[S].北京：中国标准出版社,2015.

[3] 唐亚鹏, 侯媛彬. 基于LabVIEW的实践教学平台与Access数据库的开发[J]. 计算机技术与发展, 2011, 21(5):219-222.

[4] 魏义虎, 陈雷. 基于LabVIEW-VISA方式的串口通信研究[J]. 电子设计工程, 2015,22(24):129-131.

[5] 吴上泉, 邵伟恒, 邹伟. 基于IEC62552:2015的冰箱在线能效测试方法[J]. 流体机械, 2016,43(8):83-88.