家用冷藏冷冻箱性能测试系统的开发与研究

邵伟恒， 陈军， 肖诗满

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)



家用冷藏冷冻箱性能测试系统的开发与研究

邵伟恒， 陈军， 肖诗满

(工业和信息化部电子第五研究所，广东 广州 510610)

针对传统的家用冷藏冷冻箱性能测试系统数据采集量大、测试时间长、系统设计复杂、数据实时监控不便等问题，设计了一套新型四工位家用冷藏冷冻箱性能测试系统。系统采用三层网络管控技术，以LabVIEW作为上位机软件，结合PLC、控制器以及采集仪表实现实验室温湿度控制、系统报警、数据存储和处理及报告生成等功能。在满足GB/T8059.2的基础上，实现了集中高效的数据处理，友好直观的界面操作，快速稳定的系统运行，实时准确的系统监控等目的。

冷藏冷冻箱；温湿度控制； LabVIEW；PLC ；性能测试

0 引 言

随着科学技术的发展和人们生活水平的不断提高，冷藏冷冻箱(以下简称冰箱)已经变得十分广泛。为了保证电冰箱的质量，国家制定了一系列的标准，规定每个厂家在冰箱出厂前必须进行性能测试。加强冰箱产品的性能检测，对规范市场准入制度，保证冰箱产品品质与节能方向有着十分重大的意义。根据标准GBT8059.2，冰箱的测试过程[1]是一个十分耗费时间和人力资源的过程，许多测试项目都需要至少24 h的稳定运行，在此基础上还需要进行1-2天的测试。因此提高冰箱的测试效率和自动化程度是十分必要的。

目前，对电冰箱性能测试的研究中：张立镖等人[2]提出了基于Internet+GSM-SMS技术方案的多工位冰箱性能测试系统。该系统虽然能够降低人力成本，但其系统设计复杂，造价成品高，安全性差，编程语言(VB)相对繁琐，开发周期较长。针对冰箱测试实验室温湿度控制，段雪涛等人[3]提出了基于PID控制的4工位冰箱性能测试实验室。针对温湿度的大滞后系统，传统的PID控制调节时间长。且其采用固态继电器进行调节，不但对电网造成污染，会出现指针打表和指针抖动的问题。葛坦等人[4]设计的冷冻冷藏陈列柜性能试验装置，只是实现了测试功能，对与耗时费力的冰箱测试效率的提升远远不够。

针对冰箱测试系统变量的多样性，编程的复杂性，远程监控的繁琐性以及节约人力资源的迫切需求，本系统设计了基于LabVIEW的冰箱性能测试系统。本系统采用LabVIEW编写上位机监控界面，再配合PLC、调功器、串口管理器和数据采集器等实现了三层工业网络的管理控制系统。该系统具有变量集中控制、较短开发周期、实时远程监控的功能。

1 系统结构设计

冰箱性能测试系统的结构图如图1所示，整个系统由上位机LabVIEW监控部分、下位机触摸屏监控部分、GSM网络短信提醒部分组成。整个系统网络组成包括PC机管理网络，PLC控制网络和温湿度信号采集控制网络。通过三层网络的合理配置，可以更加容易的实现集中管理分散控制的思想[5]。

图1 冰箱性能测试系统的结构图

PC管理网络通过LabVIEW编写程序，对采集的热电偶信息、温湿度信息、报警信息进行分析处理计算和存储。PC管理网络通过以太网和下位机串口管理器相连。串口管理器的引入可以简化上位机的编程，上位机编程只需通过设置相应的串口号即可实现通讯，无论Rs232或者Rs485，均只需要对相应的仪表协议进行编程即可。

PLC和调功器以及各种接触继电器组成了设备管理网络，主要实现仪器设备故障报警、频繁启停保护和误操作保护等功能。

温湿度信号采集控制网络主要包括控制器UT55A对温湿度进行采集控制，MX100的热电偶对温度进行采集，电量表WT310对电参数进行采集。此外，需要设置相关仪表参数对采集的数据进行校准，滤波处理。

2 系统关键点设计

2.1 多进程冰箱数据采集和处理软件研发

图2 冰箱性能测试流程图

本系统采用四工位的设计方式，软件设计时按照冰箱相关国家标准进行设计。软件代码采用虚拟仪器LabVIEW进行编写，对于不同的工位采用并行的编程方式，相当于多线程操作。这种编程手段正好符合冰箱测试系统即要对冰箱性能数据实时采集-分析-报告，又要及时响应实验人员的操作的多线程特点。图2给出了冰箱性能测试流程图。

本系统软件设计采用三层结构，分别是：Main Level、Test level和 Driver Level，其中Main Level主要负责人机接口，可以根据不同的相应时间需求可以设置多个while循环，让使用者在操作仪器设备时能够更加流畅、友好的完成对话操作。Test Level 为连接Main和Driver的桥梁，他们之间不互相影响，每一个Test Level完成一个对应的功能。Driver Level主要实现Labview与下位机的通讯与控制功能，其中包括仪器组态，测量和动作三个部分。

本系统的软件主要包括如下功能：测试设备监控、历史记录查询、报告曲线打印、工况稳定判断、通讯参数设置、管理员登录及数据校准设置界面。图3给出了系统设备监控界面图。系统可以实现冷机、加热器、风机、加湿器和冷却水泵等设备的启停，监视实时采集数据的大小，环境温湿度判稳及报警信息的查看等功能。该设备监控界面友好，直观，具有动态效果，方便操作人员使用。

图3 上位机设备监控图

2.2 温湿度控制器设计

PID控制器是实际应用领域最为常见的一种控制方法。对于未知对象的控制模型，PID控制中参数的调节十分重要[6]。但是对于大滞后系统，PID的控制也会很难达到很好的效果。为了保证控制的快速性和准确度[7]，如今的仪表都加入了智能控制策略。本系统采用横河先进的控制器UT55A作为温湿度控制器。与传统仪表相比，UT55A内部带有模糊推理+PID控制、输入输出十段线性化矫正、系统参数自整定以及简单梯形图编程等功能。UT55A的控制原理图如图4所示。

图4 控制系统原理图

下面简述本系统控制器的原理，公式(1)给出了传统PID控制的原理。

(1)

式中u(t)为控制器输出，e(t)为PID偏差输入，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。将公式(1) 数字化得到公式(2)。

图4中模糊控制器是通过输入偏差信号来进行计算的，根据对象的特点在计算机中预先存储知识库。该模糊控制器可以时刻监视偏差以预先判断是否存在控制量的过冲或震荡危险，通过知识库对推理机的作用进而给出适合的给定量，当过冲或震荡消除以后，会通过选择器逐渐返回至原始的给定值，进而通过PID消除稳态偏差。图5给出了模糊技术的原理。

图5 模糊技术原理图

2.3 基于DTU的短信报警系统的开发

图7 PLC控制流程图 参考文献：

[1] 国际标准委员会. GB/T 8059.2-95. 家用制冷器具冷藏冷冻箱[S]. 北京: 中国标准出版社, 1995.

[2] 张立镖, 张小松, 李舒宏, 等. 多工位冰箱性能测试系统的开发与研究[J]. 流体机械, 2014, 42(9): 77-81.

[3] 段雪涛, 邬志敏, 王芳, 等. 基于PID控制的四工位冰箱性能测试试验室研制[J]. 上海理工大学学报, 2005,27(4):327-330.

[4] 葛坦, 李斯文, 刘贵芳. 冷藏冷冻陈列柜性能试验装置研制[J]. 制冷技术, 2014,34(4): 60-62.

[5] 王延年, 赵莹, 寇国祥. 基于S7-400H冗余控制器的污水处理系统[J]. 自动化与仪表, 2009,29(1):43-47.

[6] 彭云丰, 邬志敏, 龚阳. 新型冷冻集装箱热工性能试验系统研究[J]. 上海理工大学学报, 2000, 22(2): 180-184.

[7] 陈新波, 柳建华, 张良, 等. 冷藏集装箱全自动热动性能测试实验室研制[J]. 流体机械, 2010, 38(7): 78-80.

[8] 余肖勇. 基于GSM的远程监控[D]. 长沙: 中南大学, 2005.

为了减小技术测试人员的工作，对于历时至少24 h的冰箱测试是十分必要的。同时，测试人员高强度的测试工作还容易引起不必要的疏忽。

图6是DTU工作原理图。DTU是一种专门用于将串口数据转换为IP数据或将IP数据转换为网络数据的终端设备。考虑到网络的有无，或者延时性因素，DTU还提供了短信通知功能，通过AT指令[8]可以将测试过程中的重要信息通过短信告知测试员。从而变被动查询故障到主动报警的模式，工作人员可以离开测试环境独立进行其他工作。从而来减小测试人员的负担。

另一方面，测试员可以通过短信访问GSM模块，按照指定的格式进行短信编辑发送给指定的监控手机号，就可以得到冰箱测试的一些信息。在此过程中，数据的收发控制模块对每一次数据的收发都进行身份鉴别，只有指定身份的手机号才可以对信息进行收发，从而保证了信息的安全性。

2.4 基于S7-200的现场设备管理程序设计

本系统通过PLC对现场的设备进行管理和控制，主要包括设备保护，执行报警，与其他设备通讯等功能。

对于空气处理设备，具有制冷、制热、加湿和除湿的功能，需要对各种执行机构进行必要的控制和保护，以防止加热器、加湿器以及冷机损坏。图7给出了PLC保护控制的流程图。

图6 DTU工作原理图

3 结束语

本文根据现有的国家冰箱性能测试标准，提出了基于三层网络的家用冷藏冷冻箱性能测试系统。采用LabVIEW开发上位机监控程序，通过DTU对设备实现远程监控，通过UT55A的模糊推理技术快速实现系统的温湿度精确控制。该系统在满足预期要求的同时，投资成本低，能够有效地降低工作人员的劳动强度，具有较高的实用价值，目前该系统已成功应用于冰箱性能测试且满足预期要求。

Development and Research on a Performance Test System for Household Refrigerator-freezers

Shao Weiheng, Chen Jun, Xiao Shiman

(No.5 Research Institute, Ministry of Industry and Information Technology,Guangzhou Guangdong 510610, China)

To solve such problems as high data acquisition quantity, long test time, complicated system design and inconvenient real-time data monitoring with traditional performance test systems for household refrigerator-freezers, this paper presents a novel four-station performance test system for them. Using three-layer network management and control technology, this system adopts LabVIEW as upper computer software as well as PLC, controller and acquisition instruments to realize laboratory temperature and humidity control, system alarm, data storage interface operation and report generation. In addition to meeting GB/T8059.2, this system realizes highly efficient centralized data processing, friendly and intuitive interface operation, fast stable system operation and accurate real-time system monitoring.

refrigerator-freezer;temperature and humidity control; LabVIEW;PLC;performance test

10.3969/j.issn.1000-3886.2016.03.026

TB657.4

A

1000-3886(2016)03-0082-03

邵伟恒(1989-)，男，河北围场人，硕士，助理工程师，从事电子电器产品可靠性及自动化检测技术的研究。 陈军(1979-)，男，湖南汉寿人，硕士，工程师,从事电器产品安全和性能检测及研究。 肖诗满(1982-)，男，湖南浏阳人，硕士，工程师,从事家用电器检测检测技术的研究。

定稿日期: 2015-11-26