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、減小超調溫度，還設有安全保護、壽命均衡及燃燒穩(wěn)定性的控制措施。設計采用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，家用熱水器的應用越來越普及。在太陽能熱水器、電熱水器和燃氣熱水器構成的熱水器市場中，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“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化（EDA）技術，用目前廣泛應用的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間內將冷水加熱到設定溫度，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，并減少水溫超調幅度，使用戶感覺不到水溫的變化。具體實現是由系統(tǒng)將冷水溫度、熱水溫度及水流量等的變化信息進行A／D轉換等數據處理后與用戶所需的水溫信息進行比較及運算，利用運算結果指令燃氣比例閥動作，通過調節(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，風機轉速也隨之作相應調節(jié)，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，調節(jié)設定水溫，可設置為80℃以內的高水溫。為了安全，高溫熱水只連續(xù)產出一次，即再次啟動熱水器時自動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間而設，將熱水器啟動加熱分為三段運行(各段間平滑過渡)，以在短時間內將冷水加熱到設定的熱水溫度，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

設計中采用分層技術[3]，即先實現某些功能模塊，即底層電路，再由頂層電路將這些功能模塊連接起來，構成完整的電路結構。此設計分溫度顯示、定時、燃氣閥及風機調節(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定水溫，采用適度抑制手段（關閉一個火排或減小燃氣供應量），使升溫速度由快轉慢，避免出水溫度過渡超調現象的發(fā)生。當然，并非每次啟動必經過這三段過程，根據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定溫度進行比較，利用其差別調整燃氣流量：若出水溫度大于設定溫度，則減小燃氣比例閥的開度，反之就增加燃氣供應量。這種一般的反饋控溫需等水溫發(fā)生變化后才能產生調控信號，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量，再結合溫度反饋控制，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，這就要求風機轉速與燃氣的調節(jié)同步進行：任何時候調節(jié)燃氣閥開度時，均同時改變風機轉速，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，洗浴用水水溫設置為55℃以內，若出現出水溫度過高的情況，保護輸出將自動關閉燃氣總閥，并在一定延時后關閉風機。另外熱水器一次工作超過設定時間，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（如設為大于60℃）的信號節(jié)點，由各自相關電路產生，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        結語

該設計采用了用于電子產品設計中比較先進的EDA技術，該技術具有設計靈活、修改快捷、調試方便、研制周期短等優(yōu)點[3]，且設計出的電子產品具有高可靠性和較高的性能價格比，極具市場競爭力。如本設計中參數的改變、增多、調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。本設計實現的智能型燃氣熱水器恒溫控制器，可以實現快速加熱，迅速穩(wěn)定，準確恒溫的恒溫效果。該控制器的應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量。