燃气热水器智能水温控制的EDA实现

摘要：针对现有燃气热水器水温控制的不足之处，介绍一种智能型水温控制器。采用大火力快速启动方式缩短加热时间，温度反馈及超前控制方式缩小温度稳定时间、减小超调温度，还设有安全保护、寿命均衡及燃烧稳定性的控制措施。设计采用VHDL硬件电路描述语言，利用EDA工具进行电路描述，并通过了仿真测试。
关键词：燃气热水器；水温控制； EDA；仿真

1          引言

随着人们生活水平的提高，家用热水器的应用越来越普及。在太阳能热水器、电热水器和燃气热水器构成的热水器市场中，快速燃气热水器因其热效率高、出热水快、水量大、可连续使用、体积小、安装方便等优势占据了一定的市场份额。随着燃气热水器安全性能[1]的不断提高，人们对热水器使用的舒适性及节能、环保提出了新的要求。智能控制型燃气热水器越来越受到人们的欢迎。恒定水温控制是智能控制型燃气热水器的基本功能之一，是实现“全自动控制”不可或缺的环节。然而目前的燃气热水器多采用手动方式调整进水阀和气阀来控制燃气热水器的出水温度，难以达到理想的控制效果[2]。本文设计出一种新型的燃气热水器恒定水温控制方案，可达到理想的恒温效果。

本设计采用电子设计自动化（EDA）技术，用目前广泛应用的VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language)硬件电路描述语言描述电路，VHDL是IEEE工业标准硬件描述语言，是随着可编程逻辑器件（PLD）的发展而发展起来的，且具有很强的行为描述能力，容易修改和保存；在Altera公司的MAX＋PLUSⅡ集成开发环境下进行综合、仿真，并下载到可编程逻辑器件EPF10K10TC144-3中，以实现控制功能。

2        控制功能概述  

燃气热水器的恒温，就是指在水流量、冷水温度、燃气压力等因素发生波动的情况下，仍可保持出水温度达到用户所要求的水温并保持基本恒定。通常用四个主要的性能指标来衡量燃气热水器的恒温效果，即加热时间、热水温度稳定时间、水温超调幅度和恒温准确度。对于这些性能指标，国家标准GB6932－200l中规定“加热时间”不大于45秒，“热水温度稳定时间”不大于90秒，“水温超调幅度”为±5℃（对“恒温准确度” 国标中尚未明确规定），而这些不能满足用户所要求的便捷性、舒适性。此处设计的恒温控制器，其“加热时间”不大于l2秒， “热水温度稳定时间”不大于l8秒，“水温超调幅度”在设定水温的±2℃范围内，恒温准确度在设定水温的±l℃。

恒温控制的目的是在尽可能短的时间内将冷水加热到设定温度，减少用户等待时间；在波动因素影响下迅速将热水温度稳定下来，并减少水温超调幅度，使用户感觉不到水温的变化。具体实现是由系统将冷水温度、热水温度及水流量等的变化信息进行A／D转换等数据处理后与用户所需的水温信息进行比较及运算，利用运算结果指令燃气比例阀动作，通过调节流过比例阀的燃气流量来控制火力大小，达到使热水温度基本恒定的目的。为使燃烧稳定和有较高的换热效率，在燃气流量变化的同时，风机转速也随之作相应调节，使燃烧所需空气流量也作相应变化。控制示意图如图1所示。

                        图1  燃气热水器恒温控制示意图

图中，设定水温一般情况下为满足洗浴所需，范围在30～55℃之间可任意设置。若有特殊需求（比如烫洗餐具）需要高温热水，则需在按下特需按键的同时，调节设定水温，可设置为80℃以内的高水温。为了安全，高温热水只连续产出一次，即再次启动热水器时自动回复为洗浴用水的温度范围。分段燃烧控制是为减小加热时间而设，将热水器启动加热分为三段运行(各段间平滑过渡)，以在短时间内将冷水加热到设定的热水温度，减少用户等待时间，同时也便于在冷水温度变化较大的地区进行火力调节。保护输出则是在洗浴出水温度过高或到达燃烧定时时间时关闭燃气阀及风机，避免烫伤或热水器超时工作。

3        部分功能仿真

设计中采用分层技术[3]，即先实现某些功能模块，即底层电路，再由顶层电路将这些功能模块连接起来，构成完整的电路结构。此设计分温度显示、定时、燃气阀及风机调节、分段燃烧控制和保护输出等五个模块，其中定时及显示模块采用已有的成熟电路[4]，此处不再赘述。下面就其余三个模块的功能仿真做以介绍。

3.1 分段燃烧控制模块

为适应不同水流量及热水器不同温升情况下的燃烧火力控制，燃烧器采用分段形式，此处设有三个火排。在不同情况下由“分段燃烧控制”信号控制各火排的工作：若水流量较大且冷热水温差也较大则所有火排同时工作；若冷热水温差不很大或水流量较小，则关闭其中一个火排；在冷热水温差较小时则只由单个火排工作。图2为分段燃烧控制仿真图。

图2 分段燃烧控制仿真波形图

因篇幅所限，这里只显示出了直接控制燃烧器的中间信号，水流量检测结果shll和冷热水温差范围wch，为便于分析，示以最简单的模式：水流量、温差均分大、小两档，以高、低电平表示，a、b、c分别表示对应火排的工作状态，高电平有效。可由图中可以看出，不同水流量及不同冷热水温差下各个燃烧段的工作状态。

另外，为使每次启动热水器水温上升得的更快，充分利用燃烧器的分段设置，将热水器启动加热分为三段运行：起始段开最大火力，即所有燃烧段均工作，当水温升到一定温度时关闭一个火排，而随着水温的继续上升，为避免因加热过快造成出水温度快速冲过设定水温，采用适度抑制手段（关闭一个火排或减小燃气供应量），使升温速度由快转慢，避免出水温度过渡超调现象的发生。当然，并非每次启动必经过这三段过程，根据水流量及冷热水温差的大小，热水器可能稳定在任意工作段。

以下为热水器启动时对各段燃烧控制的部分程序代码:

… …

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' ; ――冷热水温差小余25℃时关闭a段

   else a <= '0'; b <= '0'; c <= '1' ;  ――冷热水温差小余15℃时只有c段工作

   end if ;

 end if ;

… …

为使各个火排的使用寿命均衡，采用动态方式控制各燃烧段的工作状态：若本次工作燃烧段的优先顺序为a、b、c，下次便自动转换为b、c、a，依次类推。这样就可避免一部分燃烧器片大部分时间处于工作状态，而另一部分只有在较大热负荷的燃烧状态时才用得上的情况，这会因工作时间差别较大而造成燃烧器片工作寿命相差很大，从而影响热水器整体的使用寿命。

3.2 燃气阀及风机调节模块

使用中有多种因素会引起水温的波动，如水压、气压的变化，用户人为改变水流量等。为尽可能减小热水器出水温度的波动幅度，采取温度反馈控制方式，即控制器将检测的出水温度与设定温度进行比较，利用其差别调整燃气流量：若出水温度大于设定温度，则减小燃气比例阀的开度，反之就增加燃气供应量。这种一般的反馈控温需等水温发生变化后才能产生调控信号，显然具有一定的滞后性，适用于水温波动不大的情况。鉴于多数情况下水流量的变化会引起较大的出水温度波动，上述控制方式会使得水温稳定时间加长。为使水流量发生变化时水温变化及温度稳定时间尽可能小，增加一个控制燃气供应量的因素――水流量的变化：在出水温度变化之前先由水流量的变化信号同步控制燃气的供应量，再结合温度反馈控制，可得到有效的恒温效果。

燃气热水器的一个重要性能指标是热效率，新的《家用燃气快速热水器能效限定值及能效等级》又提高了燃气热水器的能效标准。燃烧的稳定性是影响热水器热效率的主要因素之一。保障燃烧稳定进行的措施是尽量使燃气与助燃空气充分均匀地混合，这就要求风机转速与燃气的调节同步进行：任何时候调节燃气阀开度时，均同时改变风机转速，如图3所示。

图3 燃气阀及风机控制仿真波形图

3.3 保护输出模块

在洗浴出水温度过高或到达燃烧定时时间时自动关闭燃气阀及风机，以避免洗浴过程中意外事故的发生。尽管燃气热水器已采取了防干烧、防燃气泄漏等保护措施，为安全起见本设计又增加了防烫伤功能：除了特殊需要高温热水以外，洗浴用水水温设置为55℃以内，若出现出水温度过高的情况，保护输出将自动关闭燃气总阀，并在一定延时后关闭风机。另外热水器一次工作超过设定时间，系统也会做相同的保护措施。此模块的仿真波形如图4所示。

图4 保护输出模块仿真波形图

图中chsh和cswg分别为定时超时和出水温度过高（如设为大于60℃）的信号节点，由各自相关电路产生，高电平为有效信号；bh则为高电平有效的保护输出信号。有效输出信号被时钟锁定，直至热水器停止工作。

4        结语

该设计采用了用于电子产品设计中比较先进的EDA技术，该技术具有设计灵活、修改快捷、调试方便、研制周期短等优点[3]，且设计出的电子产品具有高可靠性和较高的性能价格比，极具市场竞争力。如本设计中参数的改变、增多、调整等均可以不需要硬件电路的支持而方便地直接从VHDL代码描述中进行修改。本设计实现的智能型燃气热水器恒温控制器，可以实现快速加热，迅速稳定，准确恒温的恒温效果。该控制器的应用将提高燃气热水器的市场竞争能力，为人们提供舒适的洗浴条件，让使用燃气热水器成为一种享受，从而提高人们的生活质量。