燃氣熱水器智能水溫控制的EDA實(shí)現

摘要：針對現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(dòng)方式縮短加熱時(shí)間，溫度反饋及超前控制方式縮小溫度穩定時(shí)間、減小超調溫度，還設有安全保護、壽命均衡及燃燒穩定性的控制措施。設計采用VHDL硬件電路描述語(yǔ)言，利用EDA工具進(jìn)行電路描述，并通過(guò)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(zhù)人們生活水平的提高，家用熱水器的應用越來(lái)越普及。在太陽(yáng)能熱水器、電熱水器和燃氣熱水器構成的熱水器市場(chǎng)中，快速燃氣熱水器因其熱效率高、出熱水快、水量大、可連續使用、體積小、安裝方便等優(yōu)勢占據了一定的市場(chǎng)份額。隨著(zhù)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能、環(huán)保提出了新的要求。智能控制型燃氣熱水器越來(lái)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(shí)現“全自動(dòng)控制”不可或缺的環(huán)節。然而目前的燃氣熱水器多采用手動(dòng)方式調整進(jìn)水閥和氣閥來(lái)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。

本設計采用電子設計自動(dòng)化（EDA）技術(shù)，用目前廣泛應用的VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)硬件電路描述語(yǔ)言描述電路，VHDL是IEEE工業(yè)標準硬件描述語(yǔ)言，是隨著(zhù)可編程邏輯器件（PLD）的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的，且具有很強的行為描述能力，容易修改和保存；在A(yíng)ltera公司的MAX＋PLUSⅡ集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行綜合、仿真，并下載到可編程邏輯器件EPF10K10TC144-3中，以實(shí)現控制功能。

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(dòng)的情況下，仍可保持出水溫度達到用戶(hù)所要求的水溫并保持基本恒定。通常用四個(gè)主要的性能指標來(lái)衡量燃氣熱水器的恒溫效果，即加熱時(shí)間、熱水溫度穩定時(shí)間、水溫超調幅度和恒溫準確度。對于這些性能指標，國家標準GB6932－200l中規定“加熱時(shí)間”不大于45秒，“熱水溫度穩定時(shí)間”不大于90秒，“水溫超調幅度”為±5℃（對“恒溫準確度” 國標中尚未明確規定），而這些不能滿(mǎn)足用戶(hù)所要求的便捷性、舒適性。此處設計的恒溫控制器，其“加熱時(shí)間”不大于l2秒， “熱水溫度穩定時(shí)間”不大于l8秒，“水溫超調幅度”在設定水溫的±2℃范圍內，恒溫準確度在設定水溫的±l℃。

恒溫控制的目的是在盡可能短的時(shí)間內將冷水加熱到設定溫度，減少用戶(hù)等待時(shí)間；在波動(dòng)因素影響下迅速將熱水溫度穩定下來(lái)，并減少水溫超調幅度，使用戶(hù)感覺(jué)不到水溫的變化。具體實(shí)現是由系統將冷水溫度、熱水溫度及水流量等的變化信息進(jìn)行A／D轉換等數據處理后與用戶(hù)所需的水溫信息進(jìn)行比較及運算，利用運算結果指令燃氣比例閥動(dòng)作，通過(guò)調節流過(guò)比例閥的燃氣流量來(lái)控制火力大小，達到使熱水溫度基本恒定的目的。為使燃燒穩定和有較高的換熱效率，在燃氣流量變化的同時(shí)，風(fēng)機轉速也隨之作相應調節，使燃燒所需空氣流量也作相應變化?？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，設定水溫一般情況下為滿(mǎn)足洗浴所需，范圍在30～55℃之間可任意設置。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(shí)，調節設定水溫，可設置為80℃以?xún)鹊母咚疁?。為了安全，高溫熱水只連續產(chǎn)出一次，即再次啟動(dòng)熱水器時(shí)自動(dòng)回復為洗浴用水的溫度范圍。分段燃燒控制是為減小加熱時(shí)間而設，將熱水器啟動(dòng)加熱分為三段運行(各段間平滑過(guò)渡)，以在短時(shí)間內將冷水加熱到設定的熱水溫度，減少用戶(hù)等待時(shí)間，同時(shí)也便于在冷水溫度變化較大的地區進(jìn)行火力調節。保護輸出則是在洗浴出水溫度過(guò)高或到達燃燒定時(shí)時(shí)間時(shí)關(guān)閉燃氣閥及風(fēng)機，避免燙傷或熱水器超時(shí)工作。

3 部分功能仿真

設計中采用分層技術(shù)[3]，即先實(shí)現某些功能模塊，即底層電路，再由頂層電路將這些功能模塊連接起來(lái)，構成完整的電路結構。此設計分溫度顯示、定時(shí)、燃氣閥及風(fēng)機調節、分段燃燒控制和保護輸出等五個(gè)模塊，其中定時(shí)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(gè)模塊的功能仿真做以介紹。

3.1 分段燃燒控制模塊

為適應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，此處設有三個(gè)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(shí)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(gè)火排；在冷熱水溫差較小時(shí)則只由單個(gè)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，水流量檢測結果shll和冷熱水溫差范圍wch，為便于分析，示以最簡(jiǎn)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分別表示對應火排的工作狀態(tài)，高電平有效?？捎蓤D中可以看出，不同水流量及不同冷熱水溫差下各個(gè)燃燒段的工作狀態(tài)。

另外，為使每次啟動(dòng)熱水器水溫上升得的更快，充分利用燃燒器的分段設置，將熱水器啟動(dòng)加熱分為三段運行：起始段開(kāi)最大火力，即所有燃燒段均工作，當水溫升到一定溫度時(shí)關(guān)閉一個(gè)火排，而隨著(zhù)水溫的繼續上升，為避免因加熱過(guò)快造成出水溫度快速沖過(guò)設定水溫，采用適度抑制手段（關(guān)閉一個(gè)火排或減小燃氣供應量），使升溫速度由快轉慢，避免出水溫度過(guò)渡超調現象的發(fā)生。當然，并非每次啟動(dòng)必經(jīng)過(guò)這三段過(guò)程，根據水流量及冷熱水溫差的大小，熱水器可能穩定在任意工作段。

以下為熱水器啟動(dòng)時(shí)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' ; DD起始段所有火排均工作

elsif (sdsw - csw) > 15 then

a = '0'; b = '1'; c = '1' ; DD冷熱水溫差小余25℃時(shí)關(guān)閉a段

else a = '0'; b = '0'; c = '1' ; DD冷熱水溫差小余15℃時(shí)只有c段工作

end if ;

end if ;

… …