能效燃气热水器运动控制恒温设计
发布时间：2014-11-27 点击率：2617
Tags(关键词): 运动控制技术 传感器 伺服电机 运动控制器 能效燃气热水器 调节燃气阀 软件编程
核心提示： 本文推介一种能效燃气热水器。用运动控制技术伺服控制燃气—空气—水的智能燃气热水器，实现全自动IC智能恒温。能效燃气热水器以运动控制器为核心，其它控制元件和传感器等为组件，具有IC智能恒温运动控制功能，节能环保。能效燃气热水器不仅能计算燃气、空气、水的最佳使用量和控制量，而且还实时检测和监控各种参数的变化，用闭环控制方式时时修正控制结果，达到最佳的控制效果，实现能效管理。
1．引言
本文论述能效燃气热水器的运动控制技术一体化设计方案。能效燃气热水器是一款高科技、高性能、高控制精度、高产品档次和使用方便的IC智能燃气热水器。
1.1．运动控制技术的简单论述
运动控制技术简单说就是控制运动的技术，是控制复杂运动和综合性多学科的交叉技术。不是几种技术简单的应用和叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机的整体，是现代控制理论在机电一体化控制技术中的工程化、系统化、通信信息化和实用化。系统总体技术包含伺服传动技术、精密机械技术、检测传感技术、自动控制技术、计算机与信息处理技术和能效管理技术等。系统总体技术以系统整体的概念组织应用各种相关技术，从系统总体目标出发，协调计算各系统中的各种参数和通信信息，达到统一一体的能效管理控制的技术。运动控制技术体现在提高产品的档次、控制精度、控制效果和节能环保。
运动控制技术不再是用电子装置对机械的简单控制，而是一种复合技术。运动控制技术的发展趋势是高性能化、小型化、软件化、网络化和对环境的更加适应性。其发展主要有以下三方面：①性能上向高精度、高效率、高性能、高档次、智能化、网络化方向发展。②功能上向小型化、轻型化、人性化、多功能方向发展。③使用层次上向系统化、复合集成化、使用更安全方向发展。随着科学技术的发展，各种控制技术和工具有了巨大的进步。运动控制技术与其它控制技术相互融合也越来越强，不断的完善现代控制技术。
1.2．影响燃气热水器的因素
能效燃气热水器的燃气—空气燃烧控制技术是热水器的关键和重要技术。影响燃气热水器的工作效率有以下因素；燃气燃烧的量、空气的温度（环境）、空气在热水器中的流速、被加热水的温度、被加热水的流量、热交换的材料和面积等。
其中燃气燃烧的量、空气在热水器中的流速和被加热水的流量是可以通过系统总体设计和系统控制。图中的量被指控制体积，质量和体积成正比。热交换材料和面积是指间壁式换热器，影响换热器工作效率是传热面积和传热推动力等。在热水器中，水走反复折流的管路，燃烧尾气走壳路，现在已经使用强化换热技术设计。
2．能效燃气热水器的运动控制技术设计
2.1．现状
是微电脑控制燃气热水器的电磁比例燃气阀，图中看出它是由多个电磁阀线圈组成的磁控制，不能使用电机伺服控制。微电脑热水器是可编程微电脑顺序控制系统，采用开环控制方式，没有自动修正偏差的能力，无法实现准确控制。热水器在控制方面有传统的家用燃气热水器（人工调节三个旋扭；火力、流量、冬夏）和微电脑控制家用燃气热水器。
2.2．运动控制技术设计
2.2.1．系统总体技术的能效结构及硬件设计
本文对整个热水器进行控制系统总体技术设计和各功能的一体化设计。包含功能强大的运动控制器为核心，还有各种功能的电路模块和元件组成。热水器中设计了燃气运动控制技术、空气运动控制技术、水控制技术和点火、熄火、声光报警、功能显示等安全功能。一体化系统中把各个功能组成方案组，通过分析、评价、优选组成系统总体技术。运动控制技术经过近二十年的发展，已经有了成熟的系统总体技术设计，达到了能效管理水平。本文主要是燃气—空气—水的控制系统设计。
是系统总体技术能效结构
受火排稳定燃烧影响分A区和C区，其中A区是常温下燃气运动控制图，C区是低温下（入水温度18℃以下）燃气运动控制图。B区是水流量运动控制器图。D区是空气流量运动控制图。角度传感器、测速电机和变送器是反馈装置。主控阀门电位器是用户设定温度传感器，燃气压力传感器是测定燃气压力大小的，传感器是测量温度传感器的装置，火焰传感器是熄火保护装置，蜂鸣器是安全报警装置，电磁安全阀是断气保护装置。
2.2.1.1．运动控制器（微处理器）的选择
运动控制器及各种元件的生产厂家很多，这里运动控制器选择固高科技（深圳）有限公司生产的 GO-400系列运动控制器为代表。GO-400是一款多功能的开放式运动控制器，它具备模拟量和数字量输入/输出、高精度四倍频增量式编码器接口、用于实时操作和外部事件计数的定时器/计数器。GO-400可提供简洁的位置和速度控制方式。可同时控制1～4个伺服电机，或1～3个步进电机，是四轴运动控制器。还可以根据需要选GM系列、GT系列、GE系列等运动控制器。人们可以结合燃气热水器的特点研发燃气热水器运动控制器。
2.2.1.2．电机的选择
热水器运动控制的电机主要是控制位置的伺服电机和控制转速的风机伺服电机。伺服电机的选择；①确定系统的控制要求：位置控制或速度控制。②确定系统的技术要求：位置控制精度（精度达0.09°转角）、最大转速、速度位置曲线。③确定电机机械传动结构与减速比。④计算机械参数和特征参数。⑥验证温升，确定其冷却方式。伺服电机最好选带检测装置的，风机电机也是带测速电机的。
2.2.1.3．其他
热水器运动控制器选定后，根据接口技术选择相匹配的各种部件和配置各种元件。GO-400系列具备模拟量和数字量输入/输出不需要A/D转换数据的处理。各种传感器要选择性能好相匹配的等等。零配件的制作过程中，应将伺服电机和调节燃气阀配套制作，形成一体化便于安装和使用方便。
2.2.1.4．影响控制系统的因素
影响热水器的伺服控制有以下因素；①电机：影响伺服系统的控制特征和精度。②传感器和编码器：是数据收集、采样和通信的环节。③运动控制器和驱动器：包含系统的通信、运算等，与驱动器组成控制整个热水器的核心。④机械传动和负载：是连接电机和负载的传动元件。⑤安装和系统的成套性：是保证系统的连贯性，配置中最好采用同一个厂的产品，避免连接、配置、通信等方面的问题。
2.2.2．燃气运动控制技术的设计理论（系统总体技术结构的A区,C区
）
燃气热水器的燃气燃烧是水获得能量的唯一来源，燃气燃烧量的控制技术是燃气热水器的重要控制技术，控制元件的选择必将影响整个热水器的工作效率和控制精度。现在以调节燃气阀设计控制技术。
被测量是指出水温度和入水温度。受火排稳定燃烧的影响分常温下和低温下。传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的易于精确处理和测量的某种物理量部件或装置。一般是由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部份组成。测量反馈的质量体现在反应的准确性和实时性等一系列静态和动态指标上，测量反馈的结果在时间响应和准确度上，与被控参数越接近就越有效地协助控制器达到期望的控制效果。测量反馈由测速电机（角度测量）和编码器组成，比较电路是把测量元件检测的被控量实际值与给定给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差进入控制器。控制器由驱动器等元件组成，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑/数字运算，为电机或其他动力和执行装置提供正确的控制信号。
热水器应建立多轴运动控制系统，对每个轴的运动可以实施不同的控制功能由运动系统总体技术控制。GO-400系列运动控制器具备此功能，是四轴运动控制器。
2.2.3．空气运动控制技术的设计理论（系统总体技术结构的D区）
空气在热水器中的流速是指在风机的作用下，空气的流动对加热水的温度有一定影响。主要是空气量的影响，空气多或空气少都影响燃烧的温度，控制好空气的量是热水器必须考虑的问题，也是热水器实现最佳能效管理的途径。空气的多少应根据燃气燃烧的量来计算，经过实验比较对比分析，在燃气—空气的比例中，燃气在5%左右的过量空气（0.9%左右的过量氧气）下燃烧的效果最好。
空气控制信号是指给定燃气量的总信号，它由主控阀门的电位传感器检测信号、出水温度传感器检测信号和入水温度传感器检测信号进行控制器综合运算，得出反映用气量的综合信号。
2.2.4．水控制技术的设计（系统总体技术结构的B区）
水量伺服控制技术主要是恒值控制技术设计其给定量或参据量是一个常值，如6升、8升、10升、12升等等热水器，要求被控量也是常值，由运动控制器系统控制。
2.2.5．其它控制技术的设计
其它控制技术的设计，主要是安全、点火、熄火、声光报警、液晶显示器和节能环保等设施元件的设计，可以插入或嵌入到运动控制系统中。应建立一个能效管理平台将各个系统设计联系起来，达到最佳能效管理。
2.2.6．燃气的压力传感器检测控制理论
燃气压力的大小影响燃气燃烧的量，燃气压力由于受温度、减压阀、燃气使用时段的峰值等的影响，燃气压力大小会改变。燃气压力大经过阀门释放的燃气燃烧的量也多。燃气压力的检测控制也间接影响水温的控制。能效热水器中检测燃气压力的大小可以控制主控阀门的孔径，达到全自动。
2.3．燃气热水器的运动控制系统软件设计
热水器的运动控制软件程序的设计，应结合GO-400系列运动控制器和各种功能的电路模块，及元件的硬件原理图编排程序和软件设计。系统软件要采用模块化设计，由主程序、子程序和中断服务程序等组成，设计要便于程序的调试和维护等。模块中有主程序（含主控阀门设定温度）、燃气控制软件程序、空气控制软件程序、水控制软件程序和其它控制软件程序等多个程序和设计软件。中断服务程序是CPU执行主程序任务过程中，被某个事件打断转去执行一段事先编好的程序，执行完后又回来继续执行主程序。
3．结束语
运动控制技术是一个系统的和综合的控制技术，热水器的运动控制技术应建立一个多轴的系统总体技术和一体化能效管理平台。虽然普通民众对热水器的要求在控制方面不是很精密，但是人们对加热的热水要求是稳定的、舒适的、易操作性的和安全环保的。随着生活品质的不断提高，大家对家用燃气热水器的性能和品质也会跟着不断提高，档次也不断提高，种类也不断增加。能效燃气热水器的运动控制技术，是完全解决燃气热水器燃气—空气—水的精确控制燃烧的有效途径，是提高产品档次的技术措施。
核心提示： 本文推介一种能效燃气热水器。用运动控制技术伺服控制燃气—空气—水的智能燃气热水器，实现全自动IC智能恒温。能效燃气热水器以运动控制器为核心，其它控制元件和传感器等为组件，具有IC智能恒温运动控制功能，节能环保。能效燃气热水器不仅能计算燃气、空气、水的最佳使用量和控制量，而且还实时检测和监控各种参数的变化，用闭环控制方式时时修正控制结果，达到最佳的控制效果，实现能效管理。
1．引言
本文论述能效燃气热水器的运动控制技术一体化设计方案。能效燃气热水器是一款高科技、高性能、高控制精度、高产品档次和使用方便的IC智能燃气热水器。
1.1．运动控制技术的简单论述
运动控制技术简单说就是控制运动的技术，是控制复杂运动和综合性多学科的交叉技术。不是几种技术简单的应用和叠加，而是通过系统总体设计使它们形成一个有机的整体，是现代控制理论在机电一体化控制技术中的工程化、系统化、通信信息化和实用化。系统总体技术包含伺服传动技术、精密机械技术、检测传感技术、自动控制技术、计算机与信息处理技术和能效管理技术等。系统总体技术以系统整体的概念组织应用各种相关技术，从系统总体目标出发，协调计算各系统中的各种参数和通信信息，达到统一一体的能效管理控制的技术。运动控制技术体现在提高产品的档次、控制精度、控制效果和节能环保。
运动控制技术不再是用电子装置对机械的简单控制，而是一种复合技术。运动控制技术的发展趋势是高性能化、小型化、软件化、网络化和对环境的更加适应性。其发展主要有以下三方面：①性能上向高精度、高效率、高性能、高档次、智能化、网络化方向发展。②功能上向小型化、轻型化、人性化、多功能方向发展。③使用层次上向系统化、复合集成化、使用更安全方向发展。随着科学技术的发展，各种控制技术和工具有了巨大的进步。运动控制技术与其它控制技术相互融合也越来越强，不断的完善现代控制技术。
1.2．影响燃气热水器的因素
能效燃气热水器的燃气—空气燃烧控制技术是热水器的关键和重要技术。影响燃气热水器的工作效率有以下因素；燃气燃烧的量、空气的温度（环境）、空气在热水器中的流速、被加热水的温度、被加热水的流量、热交换的材料和面积等。
其中燃气燃烧的量、空气在热水器中的流速和被加热水的流量是可以通过系统总体设计和系统控制。图中的量被指控制体积，质量和体积成正比。热交换材料和面积是指间壁式换热器，影响换热器工作效率是传热面积和传热推动力等。在热水器中，水走反复折流的管路，燃烧尾气走壳路，现在已经使用强化换热技术设计。
2．能效燃气热水器的运动控制技术设计
2.1．现状
是微电脑控制燃气热水器的电磁比例燃气阀，图中看出它是由多个电磁阀线圈组成的磁控制，不能使用电机伺服控制。微电脑热水器是可编程微电脑顺序控制系统，采用开环控制方式，没有自动修正偏差的能力，无法实现准确控制。热水器在控制方面有传统的家用燃气热水器（人工调节三个旋扭；火力、流量、冬夏）和微电脑控制家用燃气热水器。
2.2．运动控制技术设计
2.2.1．系统总体技术的能效结构及硬件设计
本文对整个热水器进行控制系统总体技术设计和各功能的一体化设计。包含功能强大的运动控制器为核心，还有各种功能的电路模块和元件组成。热水器中设计了燃气运动控制技术、空气运动控制技术、水控制技术和点火、熄火、声光报警、功能显示等安全功能。一体化系统中把各个功能组成方案组，通过分析、评价、优选组成系统总体技术。运动控制技术经过近二十年的发展，已经有了成熟的系统总体技术设计，达到了能效管理水平。本文主要是燃气—空气—水的控制系统设计。
是系统总体技术能效结构
受火排稳定燃烧影响分A区和C区，其中A区是常温下燃气运动控制图，C区是低温下（入水温度18℃以下）燃气运动控制图。B区是水流量运动控制器图。D区是空气流量运动控制图。角度传感器、测速电机和变送器是反馈装置。主控阀门电位器是用户设定温度传感器，燃气压力传感器是测定燃气压力大小的，传感器是测量温度传感器的装置，火焰传感器是熄火保护装置，蜂鸣器是安全报警装置，电磁安全阀是断气保护装置。
2.2.1.1．运动控制器（微处理器）的选择
运动控制器及各种元件的生产厂家很多，这里运动控制器选择固高科技（深圳）有限公司生产的 GO-400系列运动控制器为代表。GO-400是一款多功能的开放式运动控制器，它具备模拟量和数字量输入/输出、高精度四倍频增量式编码器接口、用于实时操作和外部事件计数的定时器/计数器。GO-400可提供简洁的位置和速度控制方式。可同时控制1～4个伺服电机，或1～3个步进电机，是四轴运动控制器。还可以根据需要选GM系列、GT系列、GE系列等运动控制器。人们可以结合燃气热水器的特点研发燃气热水器运动控制器。
2.2.1.2．电机的选择
热水器运动控制的电机主要是控制位置的伺服电机和控制转速的风机伺服电机。伺服电机的选择；①确定系统的控制要求：位置控制或速度控制。②确定系统的技术要求：位置控制精度（精度达0.09°转角）、最大转速、速度位置曲线。③确定电机机械传动结构与减速比。④计算机械参数和特征参数。⑥验证温升，确定其冷却方式。伺服电机最好选带检测装置的，风机电机也是带测速电机的。
2.2.1.3．其他
热水器运动控制器选定后，根据接口技术选择相匹配的各种部件和配置各种元件。GO-400系列具备模拟量和数字量输入/输出不需要A/D转换数据的处理。各种传感器要选择性能好相匹配的等等。零配件的制作过程中，应将伺服电机和调节燃气阀配套制作，形成一体化便于安装和使用方便。
2.2.1.4．影响控制系统的因素
影响热水器的伺服控制有以下因素；①电机：影响伺服系统的控制特征和精度。②传感器和编码器：是数据收集、采样和通信的环节。③运动控制器和驱动器：包含系统的通信、运算等，与驱动器组成控制整个热水器的核心。④机械传动和负载：是连接电机和负载的传动元件。⑤安装和系统的成套性：是保证系统的连贯性，配置中最好采用同一个厂的产品，避免连接、配置、通信等方面的问题。
2.2.2．燃气运动控制技术的设计理论（系统总体技术结构的A区,C区
）
燃气热水器的燃气燃烧是水获得能量的唯一来源，燃气燃烧量的控制技术是燃气热水器的重要控制技术，控制元件的选择必将影响整个热水器的工作效率和控制精度。现在以调节燃气阀设计控制技术。
被测量是指出水温度和入水温度。受火排稳定燃烧的影响分常温下和低温下。传感器是一种以一定的精确度将被测量转换为与之有确定对应关系的易于精确处理和测量的某种物理量部件或装置。一般是由敏感元件、转换元件和基本转换电路三部份组成。测量反馈的质量体现在反应的准确性和实时性等一系列静态和动态指标上，测量反馈的结果在时间响应和准确度上，与被控参数越接近就越有效地协助控制器达到期望的控制效果。测量反馈由测速电机（角度测量）和编码器组成，比较电路是把测量元件检测的被控量实际值与给定给出的参据量进行比较，求出它们之间的偏差进入控制器。控制器由驱动器等元件组成，以电机/动力装置和执行单元为控制对象的一种控制装置，根据作业的要求和传感器件的信号进行必要的逻辑/数字运算，为电机或其他动力和执行装置提供正确的控制信号。
热水器应建立多轴运动控制系统，对每个轴的运动可以实施不同的控制功能由运动系统总体技术控制。GO-400系列运动控制器具备此功能，是四轴运动控制器。
2.2.3．空气运动控制技术的设计理论（系统总体技术结构的D区）
空气在热水器中的流速是指在风机的作用下，空气的流动对加热水的温度有一定影响。主要是空气量的影响，空气多或空气少都影响燃烧的温度，控制好空气的量是热水器必须考虑的问题，也是热水器实现最佳能效管理的途径。空气的多少应根据燃气燃烧的量来计算，经过实验比较对比分析，在燃气—空气的比例中，燃气在5%左右的过量空气（0.9%左右的过量氧气）下燃烧的效果最好。
空气控制信号是指给定燃气量的总信号，它由主控阀门的电位传感器检测信号、出水温度传感器检测信号和入水温度传感器检测信号进行控制器综合运算，得出反映用气量的综合信号。
2.2.4．水控制技术的设计（系统总体技术结构的B区）
水量伺服控制技术主要是恒值控制技术设计其给定量或参据量是一个常值，如6升、8升、10升、12升等等热水器，要求被控量也是常值，由运动控制器系统控制。
2.2.5．其它控制技术的设计
其它控制技术的设计，主要是安全、点火、熄火、声光报警、液晶显示器和节能环保等设施元件的设计，可以插入或嵌入到运动控制系统中。应建立一个能效管理平台将各个系统设计联系起来，达到最佳能效管理。
2.2.6．燃气的压力传感器检测控制理论
燃气压力的大小影响燃气燃烧的量，燃气压力由于受温度、减压阀、燃气使用时段的峰值等的影响，燃气压力大小会改变。燃气压力大经过阀门释放的燃气燃烧的量也多。燃气压力的检测控制也间接影响水温的控制。能效热水器中检测燃气压力的大小可以控制主控阀门的孔径，达到全自动。
2.3．燃气热水器的运动控制系统软件设计
热水器的运动控制软件程序的设计，应结合GO-400系列运动控制器和各种功能的电路模块，及元件的硬件原理图编排程序和软件设计。系统软件要采用模块化设计，由主程序、子程序和中断服务程序等组成，设计要便于程序的调试和维护等。模块中有主程序（含主控阀门设定温度）、燃气控制软件程序、空气控制软件程序、水控制软件程序和其它控制软件程序等多个程序和设计软件。中断服务程序是CPU执行主程序任务过程中，被某个事件打断转去执行一段事先编好的程序，执行完后又回来继续执行主程序。
3．结束语
运动控制技术是一个系统的和综合的控制技术，热水器的运动控制技术应建立一个多轴的系统总体技术和一体化能效管理平台。虽然普通民众对热水器的要求在控制方面不是很精密，但是人们对加热的热水要求是稳定的、舒适的、易操作性的和安全环保的。随着生活品质的不断提高，大家对家用燃气热水器的性能和品质也会跟着不断提高，档次也不断提高，种类也不断增加。能效燃气热水器的运动控制技术，是完全解决燃气热水器燃气—空气—水的精确控制燃烧的有效途径，是提高产品档次的技术措施。
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