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燃气热水器水温智能控制系统的设计与分析

2019-10-21阳悠悠

科学导报·科学工程与电力 2019年17期
关键词:节约资源智能控制

【摘  要】本文对燃气热水器水温控制模型进行研究,依据燃气热水器控制原理,设计水温智能控制系统。试验测试结果表明,该系统运行效率较高,温差较小,能够充分利用水资源,经过二次加热处理,使得水资源利用率提高至100%。

【关键词】燃气热水器;智能控制;节约资源

一、燃气热水器水温控制模型

1、出水温度控制模型

依据公式(2)中的关系可知,水流量决定了水加热耗时,当热水器出水温度发生变化时,即热水器热平衡状态发生改变,从当前状态转变到另外一种状态,容易受到多种因素影响,导致耗时差异性较大。其中,影响因素可以是热变换效率、机壳尺寸、环境温度等。

2、出水温度控制特性

当前设计的燃气热水器水温控制采用人工控制法,通过直接观测采集水温信息,调节阀门工作状态,对冷水进行加温处理,在阀门控制上出现延后或者提前情况,导致出水温度未达到标准,浪费了大量水资源[3]。这种操控特性主要体现在两个方面:(1)人工操控成本较高,缺少智能化控制。(2)出水温度控制精准度较低,水资源浪费较为严重。

二、智能水温控制系统设计

本文采用智能控制技术,提出智能水温控制系统,依据燃气热水器温度控制原理,对外围水路进行设计,并提出系统软件开发方案。

1、系统组成

本文设计的智能水温控制系统由液晶显示屏、人机交互、按键模块、传感器、温度控制模块5部分构成。如图1所示为智能水温控制系统框架。

在图1中,人机交互指的是计算机操控终端,按照管理人员需求,下达水温控制命令;按键模块是操控命令的输入端;传感器主要用于采集水温信息;温度控制模块是本系统的核心部分,根据水温控制需求,利用恒温控制装置设置需要加热的温度值,启动加热器开始加热,与此同时,利用微控制器调节水管中冷水回流温度,使得出口端水温度均能够达到标准,提高水资源利用率[4]。

2、控制原理及操控规则

本系统的控制原理是根据用户给定温度值,启动温度控制模块,一次加热是按照温度给定值加热冷水管中的冷水,如果测得温度达到标准,则从出口流出,反之,采取二次加热处理[5]。二次加热是对冷水回流中的温水进行加热,利用加热器进行二次加热,通过调节气阀控制加热状态,当水温达到给定值时,关闭阀门停止加热。以下为水温控制操控规则:

(1)如果水温未达标准,测得水温较低,则首先采取调气处理,启动调气阀门,加热水温;

(2)如果水温未达标准,测得水温较高,则首先采取调水处理,调节冷水管回流温度控制,向当前水箱中加入冷水,以达最佳温度。

3、外围水路设计

与普通的燃气热水器相比,本文设计的智能化控制系统在天然气接入管道和水管连通两个方面进行了改进。考虑到压力变化导致冷水回流问题,本系统通过STM32微控制器控制阀门调控。如图2所示为智能化水温控制系统外围水路设计图。

(1)天然气接入管道改造设计

在天然气管道出口安装气阀,用于调节进气量,利用模糊PID算法对进气量进行计算,根据计算结果下达气阀控制命令,这样可能节省一部分燃气资源,以保水温控制燃气资源充足[6]。

(2)水管连通改造设计

对于水管通道的改进,本系统将多个水管道连接到一起,采用并联方式接通,形成家庭用水管道回路,便于冷水加热集中控制。

4、系统软件开发流程

本系统软件开发建立在模糊PID算法基础上,根据水温操控需求,对此算法加以修改,得到燃氣热水器水温控制算法。

第一步:对STM32微控制器进行上电初始化处理,设定温度值,通过信息采集模块采集水管中温度值;

第二步:判断当前水温是否需要加热或者降温,如果需要加热,则执行第三步,如果需要降温,则执行第五步,如果温度达到了设定值,则执行第六步;

第三步:运行恒温算法,计算需要升高的温度;

第四步:采取调气处理,启动调气阀门,加热水温,返回第二步;

第五步:采取调水处理,调节冷水管回流温度控制,向当前水箱中加入冷水,返回第二步。

第六步:从出水管中流出热水。

三、系统测试分析

本文选取手动控制作为对照组,智能控制作为实验组,对水温控制性能进行对比,得出相应结论,测试性能指标及结果如表1所示。

通过观察表1中的测试结果可知,智能控制在初始温度调节时间耗费方面优势较大,升温与降温调节温差稳定在1℃,较手动控制更为稳定。另外,智能控制系统可以充分利用水资源,通过二次加热处理,不浪费水资源,而手动控制水资源利用率仅有78%。

总结

本文围绕燃气热水器水温控制问题展开研究,选取手工控制为对照组,以本文设计的智能温度控制系统作为实验组,通过对比水温控制性能,验证系统设计方案的可靠性。测试结果表明,智能控制系统运行效率较高,温差较小,能够充分利用水资源。

参考文献:

[1]袁丽丽,户孝文.基于全自动燃气热水器的PID温度控制参数整定研究[J].科学技术创新,2017(32):186-187.

[2]李荣茂.基于单片机电热水器液位、温度检测控制系统的设计[J].电子制作,2017(15):66-67.

[3]孙浩文.网络环境下太阳能热水器远程智能控制系统设计研究[J].自动化技术与应用,2018,37(11):150-154.

[4]王骥豪,李莎.基于STC12C5A60S2单片机对智能热水器的应用提高系统[J].山东工业技术,2017(7):9-9.

[5]史勇,肉孜·阿木提.一种利用太阳能提升温室灌溉用井水温度装置的设计与试验[J].江苏农业科学,2018,46(19):265-268.

作者简介:

阳悠悠       学历:本科

(作者单位:广东万家乐燃气具有限公司)

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