摘要：針對現(xiàn)有燃氣熱水器水溫控制的不足之處，介紹一種智能型水溫控制器。采用大火力快速啟動方式縮短加熱時間，溫度反饋及超前控制方式縮小溫度穩(wěn)定時間、減小超調(diào)溫度，還設(shè)有安全保護、壽命均衡及燃燒穩(wěn)定性的控制措施。設(shè)計采用VHDL硬件電路描述語言，利用EDA工具進行電路描述，并通過了仿真測試。
關(guān)鍵詞：燃氣熱水器；水溫控制； EDA；仿真
1 引言
隨著人們生活水平的提高，家用熱水器的應(yīng)用越來越普及。在太陽能熱水器、電熱水器和燃氣熱水器構(gòu)成的熱水器市場中，快速燃氣熱水器因其熱效率高、出熱水快、水量大、可連續(xù)使用、體積小、安裝方便等優(yōu)勢占據(jù)了一定的市場份額。隨著燃氣熱水器安全性能[1]的不斷提高，人們對熱水器使用的舒適性及節(jié)能、環(huán)保提出了新的要求。智能控制型燃氣熱水器越來越受到人們的歡迎。恒定水溫控制是智能控制型燃氣熱水器的基本功能之一，是實現(xiàn)“全自動控制”不可或缺的環(huán)節(jié)。然而目前的燃氣熱水器多采用手動方式調(diào)整進水閥和氣閥來控制燃氣熱水器的出水溫度，難以達到理想的控制效果[2]。本文設(shè)計出一種新型的燃氣熱水器恒定水溫控制方案，可達到理想的恒溫效果。
本設(shè)計采用電子設(shè)計自動化（EDA）技術(shù)，用目前廣泛應(yīng)用的VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)硬件電路描述語言描述電路，VHDL是IEEE工業(yè)標準硬件描述語言，是隨著可編程邏輯器件（PLD）的發(fā)展而發(fā)展起來的，且具有很強的行為描述能力，容易修改和保存；在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開發(fā)環(huán)境下進行綜合、仿真，并下載到可編程邏輯器件EPF10K10TC144-3中，以實現(xiàn)控制功能。
2 控制功能概述
燃氣熱水器的恒溫，就是指在水流量、冷水溫度、燃氣壓力等因素發(fā)生波動的情況下，仍可保持出水溫度達到用戶所要求的水溫并保持基本恒定。通常用四個主要的性能指標來衡量燃氣熱水器的恒溫效果，即加熱時間、熱水溫度穩(wěn)定時間、水溫超調(diào)幅度和恒溫準確度。對于這些性能指標，國家標準GB6932－200l中規(guī)定“加熱時間”不大于45秒，“熱水溫度穩(wěn)定時間”不大于90秒，“水溫超調(diào)幅度”為±5℃（對“恒溫準確度” 國標中尚未明確規(guī)定），而這些不能滿足用戶所要求的便捷性、舒適性。此處設(shè)計的恒溫控制器，其“加熱時間”不大于l2秒， “熱水溫度穩(wěn)定時間”不大于l8秒，“水溫超調(diào)幅度”在設(shè)定水溫的±2℃范圍內(nèi)，恒溫準確度在設(shè)定水溫的±l℃。
恒溫控制的目的是在盡可能短的時間內(nèi)將冷水加熱到設(shè)定溫度，減少用戶等待時間；在波動因素影響下迅速將熱水溫度穩(wěn)定下來，并減少水溫超調(diào)幅度，使用戶感覺不到水溫的變化。具體實現(xiàn)是由系統(tǒng)將冷水溫度、熱水溫度及水流量等的變化信息進行A／D轉(zhuǎn)換等數(shù)據(jù)處理后與用戶所需的水溫信息進行比較及運算，利用運算結(jié)果指令燃氣比例閥動作，通過調(diào)節(jié)流過比例閥的燃氣流量來控制火力大小，達到使熱水溫度基本恒定的目的。為使燃燒穩(wěn)定和有較高的換熱效率，在燃氣流量變化的同時，風機轉(zhuǎn)速也隨之作相應(yīng)調(diào)節(jié)，使燃燒所需空氣流量也作相應(yīng)變化?？刂剖疽鈭D如圖1所示。
圖1 燃氣熱水器恒溫控制示意圖
圖中，設(shè)定水溫一般情況下為滿足洗浴所需，范圍在30～55℃之間可任意設(shè)置。若有特殊需求（比如燙洗餐具）需要高溫熱水，則需在按下特需按鍵的同時，調(diào)節(jié)設(shè)定水溫，可設(shè)置為80℃以內(nèi)的高水溫。為了安全，高溫熱水只連續(xù)產(chǎn)出一次，即再次啟動熱水器時自動回復(fù)為洗浴用水的溫度范圍。分段燃燒控制是為減小加熱時間而設(shè)，將熱水器啟動加熱分為三段運行(各段間平滑過渡)，以在短時間內(nèi)將冷水加熱到設(shè)定的熱水溫度，減少用戶等待時間，同時也便于在冷水溫度變化較大的地區(qū)進行火力調(diào)節(jié)。保護輸出則是在洗浴出水溫度過高或到達燃燒定時時間時關(guān)閉燃氣閥及風機，避免燙傷或熱水器超時工作。
3 部分功能仿真
設(shè)計中采用分層技術(shù)[3]，即先實現(xiàn)某些功能模塊，即底層電路，再由頂層電路將這些功能模塊連接起來，構(gòu)成完整的電路結(jié)構(gòu)。此設(shè)計分溫度顯示、定時、燃氣閥及風機調(diào)節(jié)、分段燃燒控制和保護輸出等五個模塊，其中定時及顯示模塊采用已有的成熟電路[4]，此處不再贅述。下面就其余三個模塊的功能仿真做以介紹。
3.1 分段燃燒控制模塊
為適應(yīng)不同水流量及熱水器不同溫升情況下的燃燒火力控制，燃燒器采用分段形式，此處設(shè)有三個火排。在不同情況下由“分段燃燒控制”信號控制各火排的工作：若水流量較大且冷熱水溫差也較大則所有火排同時工作；若冷熱水溫差不很大或水流量較小，則關(guān)閉其中一個火排；在冷熱水溫差較小時則只由單個火排工作。圖2為分段燃燒控制仿真圖。
圖2 分段燃燒控制仿真波形圖
因篇幅所限，這里只顯示出了直接控制燃燒器的中間信號，水流量檢測結(jié)果shll和冷熱水溫差范圍wch，為便于分析，示以最簡單的模式：水流量、溫差均分大、小兩檔，以高、低電平表示，a、b、c分別表示對應(yīng)火排的工作狀態(tài)，高電平有效。可由圖中可以看出，不同水流量及不同冷熱水溫差下各個燃燒段的工作狀態(tài)。
另外，為使每次啟動熱水器水溫上升得的更快，充分利用燃燒器的分段設(shè)置，將熱水器啟動加熱分為三段運行：起始段開最大火力，即所有燃燒段均工作，當水溫升到一定溫度時關(guān)閉一個火排，而隨著水溫的繼續(xù)上升，為避免因加熱過快造成出水溫度快速沖過設(shè)定水溫，采用適度抑制手段（關(guān)閉一個火排或減小燃氣供應(yīng)量），使升溫速度由快轉(zhuǎn)慢，避免出水溫度過渡超調(diào)現(xiàn)象的發(fā)生。當然，并非每次啟動必經(jīng)過這三段過程，根據(jù)水流量及冷熱水溫差的大小，熱水器可能穩(wěn)定在任意工作段。
以下為熱水器啟動時對各段燃燒控制的部分程序代碼:
… …
if clk'event and clk = '1' then
if (sdsw - csw) > 25 then
a <= '1'; b <= '1'; c <= '1' ; ――起始段所有火排均工作
elsif (sdsw - csw) > 15 then
a <= '0'; b <= '1'; c <= '1' ; ――冷熱水溫差小余25℃時關(guān)閉a段
else a <= '0'; b <= '0'; c <= '1' ; ――冷熱水溫差小余15℃時只有c段工作
end if ;
end if ;
… …
為使各個火排的使用壽命均衡，采用動態(tài)方式控制各燃燒段的工作狀態(tài)：若本次工作燃燒段的優(yōu)先順序為a、b、c，下次便自動轉(zhuǎn)換為b、c、a，依次類推。這樣就可避免一部分燃燒器片大部分時間處于工作狀態(tài)，而另一部分只有在較大熱負荷的燃燒狀態(tài)時才用得上的情況，這會因工作時間差別較大而造成燃燒器片工作壽命相差很大，從而影響熱水器整體的使用壽命。
3.2 燃氣閥及風機調(diào)節(jié)模塊
使用中有多種因素會引起水溫的波動，如水壓、氣壓的變化，用戶人為改變水流量等。為盡可能減小熱水器出水溫度的波動幅度，采取溫度反饋控制方式，即控制器將檢測的出水溫度與設(shè)定溫度進行比較，利用其差別調(diào)整燃氣流量：若出水溫度大于設(shè)定溫度，則減小燃氣比例閥的開度，反之就增加燃氣供應(yīng)量。這種一般的反饋控溫需等水溫發(fā)生變化后才能產(chǎn)生調(diào)控信號，顯然具有一定的滯后性，適用于水溫波動不大的情況。鑒于多數(shù)情況下水流量的變化會引起較大的出水溫度波動，上述控制方式會使得水溫穩(wěn)定時間加長。為使水流量發(fā)生變化時水溫變化及溫度穩(wěn)定時間盡可能小，增加一個控制燃氣供應(yīng)量的因素――水流量的變化：在出水溫度變化之前先由水流量的變化信號同步控制燃氣的供應(yīng)量，再結(jié)合溫度反饋控制，可得到有效的恒溫效果。
燃氣熱水器的一個重要性能指標是熱效率，新的《家用燃氣快速熱水器能效限定值及能效等級》又提高了燃氣熱水器的能效標準。燃燒的穩(wěn)定性是影響熱水器熱效率的主要因素之一。保障燃燒穩(wěn)定進行的措施是盡量使燃氣與助燃空氣充分均勻地混合，這就要求風機轉(zhuǎn)速與燃氣的調(diào)節(jié)同步進行：任何時候調(diào)節(jié)燃氣閥開度時，均同時改變風機轉(zhuǎn)速，如圖3所示。
圖3 燃氣閥及風機控制仿真波形圖
3.3 保護輸出模塊
在洗浴出水溫度過高或到達燃燒定時時間時自動關(guān)閉燃氣閥及風機，以避免洗浴過程中意外事故的發(fā)生。盡管燃氣熱水器已采取了防干燒、防燃氣泄漏等保護措施，為安全起見本設(shè)計又增加了防燙傷功能：除了特殊需要高溫熱水以外，洗浴用水水溫設(shè)置為55℃以內(nèi)，若出現(xiàn)出水溫度過高的情況，保護輸出將自動關(guān)閉燃氣總閥，并在一定延時后關(guān)閉風機。另外熱水器一次工作超過設(shè)定時間，系統(tǒng)也會做相同的保護措施。此模塊的仿真波形如圖4所示。
圖4 保護輸出模塊仿真波形圖
圖中chsh和cswg分別為定時超時和出水溫度過高（如設(shè)為大于60℃）的信號節(jié)點，由各自相關(guān)電路產(chǎn)生，高電平為有效信號；bh則為高電平有效的保護輸出信號。有效輸出信號被時鐘鎖定，直至熱水器停止工作。
4 結(jié)語
該設(shè)計采用了用于電子產(chǎn)品設(shè)計中比較先進的EDA技術(shù)，該技術(shù)具有設(shè)計靈活、修改快捷、調(diào)試方便、研制周期短等優(yōu)點[3]，且設(shè)計出的電子產(chǎn)品具有高可靠性和較高的性能價格比，極具市場競爭力。如本設(shè)計中參數(shù)的改變、增多、調(diào)整等均可以不需要硬件電路的支持而方便地直接從VHDL代碼描述中進行修改。本設(shè)計實現(xiàn)的智能型燃氣熱水器恒溫控制器，可以實現(xiàn)快速加熱，迅速穩(wěn)定，準確恒溫的恒溫效果。該控制器的應(yīng)用將提高燃氣熱水器的市場競爭能力，為人們提供舒適的洗浴條件，讓使用燃氣熱水器成為一種享受，從而提高人們的生活質(zhì)量。
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