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        燃氣熱水器水溫智能控制系統(tǒng)的設(shè)計與分析

        2019-10-21 16:34:41陽悠悠
        科學導報·科學工程與電力 2019年17期
        關(guān)鍵詞:智能控制

        【摘 ?要】本文對燃氣熱水器水溫控制模型進行研究,依據(jù)燃氣熱水器控制原理,設(shè)計水溫智能控制系統(tǒng)。試驗測試結(jié)果表明,該系統(tǒng)運行效率較高,溫差較小,能夠充分利用水資源,經(jīng)過二次加熱處理,使得水資源利用率提高至100%。

        【關(guān)鍵詞】燃氣熱水器;智能控制;節(jié)約資源

        一、燃氣熱水器水溫控制模型

        1、出水溫度控制模型

        依據(jù)公式(2)中的關(guān)系可知,水流量決定了水加熱耗時,當熱水器出水溫度發(fā)生變化時,即熱水器熱平衡狀態(tài)發(fā)生改變,從當前狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另外一種狀態(tài),容易受到多種因素影響,導致耗時差異性較大。其中,影響因素可以是熱變換效率、機殼尺寸、環(huán)境溫度等。

        2、出水溫度控制特性

        當前設(shè)計的燃氣熱水器水溫控制采用人工控制法,通過直接觀測采集水溫信息,調(diào)節(jié)閥門工作狀態(tài),對冷水進行加溫處理,在閥門控制上出現(xiàn)延后或者提前情況,導致出水溫度未達到標準,浪費了大量水資源[3]。這種操控特性主要體現(xiàn)在兩個方面:(1)人工操控成本較高,缺少智能化控制。(2)出水溫度控制精準度較低,水資源浪費較為嚴重。

        二、智能水溫控制系統(tǒng)設(shè)計

        本文采用智能控制技術(shù),提出智能水溫控制系統(tǒng),依據(jù)燃氣熱水器溫度控制原理,對外圍水路進行設(shè)計,并提出系統(tǒng)軟件開發(fā)方案。

        1、系統(tǒng)組成

        本文設(shè)計的智能水溫控制系統(tǒng)由液晶顯示屏、人機交互、按鍵模塊、傳感器、溫度控制模塊5部分構(gòu)成。如圖1所示為智能水溫控制系統(tǒng)框架。

        在圖1中,人機交互指的是計算機操控終端,按照管理人員需求,下達水溫控制命令;按鍵模塊是操控命令的輸入端;傳感器主要用于采集水溫信息;溫度控制模塊是本系統(tǒng)的核心部分,根據(jù)水溫控制需求,利用恒溫控制裝置設(shè)置需要加熱的溫度值,啟動加熱器開始加熱,與此同時,利用微控制器調(diào)節(jié)水管中冷水回流溫度,使得出口端水溫度均能夠達到標準,提高水資源利用率[4]。

        2、控制原理及操控規(guī)則

        本系統(tǒng)的控制原理是根據(jù)用戶給定溫度值,啟動溫度控制模塊,一次加熱是按照溫度給定值加熱冷水管中的冷水,如果測得溫度達到標準,則從出口流出,反之,采取二次加熱處理[5]。二次加熱是對冷水回流中的溫水進行加熱,利用加熱器進行二次加熱,通過調(diào)節(jié)氣閥控制加熱狀態(tài),當水溫達到給定值時,關(guān)閉閥門停止加熱。以下為水溫控制操控規(guī)則:

        (1)如果水溫未達標準,測得水溫較低,則首先采取調(diào)氣處理,啟動調(diào)氣閥門,加熱水溫;

        (2)如果水溫未達標準,測得水溫較高,則首先采取調(diào)水處理,調(diào)節(jié)冷水管回流溫度控制,向當前水箱中加入冷水,以達最佳溫度。

        3、外圍水路設(shè)計

        與普通的燃氣熱水器相比,本文設(shè)計的智能化控制系統(tǒng)在天然氣接入管道和水管連通兩個方面進行了改進??紤]到壓力變化導致冷水回流問題,本系統(tǒng)通過STM32微控制器控制閥門調(diào)控。如圖2所示為智能化水溫控制系統(tǒng)外圍水路設(shè)計圖。

        (1)天然氣接入管道改造設(shè)計

        在天然氣管道出口安裝氣閥,用于調(diào)節(jié)進氣量,利用模糊PID算法對進氣量進行計算,根據(jù)計算結(jié)果下達氣閥控制命令,這樣可能節(jié)省一部分燃氣資源,以保水溫控制燃氣資源充足[6]。

        (2)水管連通改造設(shè)計

        對于水管通道的改進,本系統(tǒng)將多個水管道連接到一起,采用并聯(lián)方式接通,形成家庭用水管道回路,便于冷水加熱集中控制。

        4、系統(tǒng)軟件開發(fā)流程

        本系統(tǒng)軟件開發(fā)建立在模糊PID算法基礎(chǔ)上,根據(jù)水溫操控需求,對此算法加以修改,得到燃氣熱水器水溫控制算法。

        第一步:對STM32微控制器進行上電初始化處理,設(shè)定溫度值,通過信息采集模塊采集水管中溫度值;

        第二步:判斷當前水溫是否需要加熱或者降溫,如果需要加熱,則執(zhí)行第三步,如果需要降溫,則執(zhí)行第五步,如果溫度達到了設(shè)定值,則執(zhí)行第六步;

        第三步:運行恒溫算法,計算需要升高的溫度;

        第四步:采取調(diào)氣處理,啟動調(diào)氣閥門,加熱水溫,返回第二步;

        第五步:采取調(diào)水處理,調(diào)節(jié)冷水管回流溫度控制,向當前水箱中加入冷水,返回第二步。

        第六步:從出水管中流出熱水。

        三、系統(tǒng)測試分析

        本文選取手動控制作為對照組,智能控制作為實驗組,對水溫控制性能進行對比,得出相應(yīng)結(jié)論,測試性能指標及結(jié)果如表1所示。

        通過觀察表1中的測試結(jié)果可知,智能控制在初始溫度調(diào)節(jié)時間耗費方面優(yōu)勢較大,升溫與降溫調(diào)節(jié)溫差穩(wěn)定在1℃,較手動控制更為穩(wěn)定。另外,智能控制系統(tǒng)可以充分利用水資源,通過二次加熱處理,不浪費水資源,而手動控制水資源利用率僅有78%。

        總結(jié)

        本文圍繞燃氣熱水器水溫控制問題展開研究,選取手工控制為對照組,以本文設(shè)計的智能溫度控制系統(tǒng)作為實驗組,通過對比水溫控制性能,驗證系統(tǒng)設(shè)計方案的可靠性。測試結(jié)果表明,智能控制系統(tǒng)運行效率較高,溫差較小,能夠充分利用水資源。

        參考文獻:

        [1]袁麗麗,戶孝文.基于全自動燃氣熱水器的PID溫度控制參數(shù)整定研究[J].科學技術(shù)創(chuàng)新,2017(32):186-187.

        [2]李榮茂.基于單片機電熱水器液位、溫度檢測控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子制作,2017(15):66-67.

        [3]孫浩文.網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下太陽能熱水器遠程智能控制系統(tǒng)設(shè)計研究[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用,2018,37(11):150-154.

        [4]王驥豪,李莎.基于STC12C5A60S2單片機對智能熱水器的應(yīng)用提高系統(tǒng)[J].山東工業(yè)技術(shù),2017(7):9-9.

        [5]史勇,肉孜·阿木提.一種利用太陽能提升溫室灌溉用井水溫度裝置的設(shè)計與試驗[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學,2018,46(19):265-268.

        作者簡介:

        陽悠悠 ? ? ? 學歷:本科

        (作者單位:廣東萬家樂燃氣具有限公司)

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