室內(nèi)暖氣智能調(diào)溫器研究

陳方俊 王海波

摘要：文章介紹了一種可以用于家庭的室內(nèi)暖氣智能調(diào)溫器，該設(shè)備利用PLC應(yīng)用技術(shù)和傳感器技術(shù)，分析設(shè)計(jì)出了一款可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)溫的水暖溫控閥控制系統(tǒng)。它集檢測(cè)、控制于一體，具有快速、節(jié)能、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，能有效地根據(jù)用戶需要調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度，節(jié)約熱能，并且滿足不同用戶的舒適度要求。該設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)居家供暖系統(tǒng)實(shí)時(shí)檢測(cè)、分時(shí)定溫、自動(dòng)控制等功能，體現(xiàn)了暖氣自動(dòng)調(diào)溫的人性化、自動(dòng)化，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)調(diào)溫暖氣閥；PLC應(yīng)用技術(shù)；人機(jī)交互界面

在北方地區(qū)，寒冷的冬天一定要有供暖措施，在城市中供暖大部分由供暖公司統(tǒng)一供暖。為了保證溫度，供暖公司必須把供暖水溫適當(dāng)升高，以補(bǔ)償供暖過(guò)程中熱量散失。傳統(tǒng)的供暖氣管提供的是同樣的溫度，由于不同的小區(qū)、不同的樓層、不同采暖材料（傳統(tǒng)的暖氣片、地?zé)幔?，用戶得到的溫度是不同的。因此就?huì)出現(xiàn)有的家庭溫度過(guò)低，不能達(dá)到基本的溫度保障，而相當(dāng)一部分家庭因供暖氣管溫度升高，造成室內(nèi)溫度過(guò)高，給人們生活造成不適的同時(shí)還造成大量的能源浪費(fèi)[1]。

1 背景技術(shù)

為了改善室內(nèi)溫度的控制，現(xiàn)在出現(xiàn)了機(jī)械式暖氣調(diào)溫閥，這種設(shè)備一般都設(shè)有多檔開(kāi)關(guān)，再由多檔開(kāi)關(guān)來(lái)控制閥門(mén)，操作時(shí)通過(guò)手動(dòng)旋轉(zhuǎn)閥門(mén)控制暖氣管熱水流量大小來(lái)調(diào)節(jié)室溫。此裝置基于人工手動(dòng)操作，溫度主要由用戶的主觀感受，且閥門(mén)刻度固定，只要水溫和室內(nèi)環(huán)境發(fā)生變化，就需要時(shí)刻調(diào)節(jié)閥門(mén)，十分繁瑣。既不能精準(zhǔn)控溫也不智能化，不符合當(dāng)代人對(duì)美好生活的要求[2]。基于現(xiàn)在的室內(nèi)暖氣調(diào)溫的現(xiàn)狀，本文研究了一款新的室內(nèi)暖氣調(diào)溫器，它功能強(qiáng)大，操作簡(jiǎn)單，能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)室內(nèi)溫度。

2 PLC的硬件設(shè)計(jì)

室內(nèi)暖氣調(diào)溫器由PLC控制器、溫度轉(zhuǎn)換模塊、輸出模塊和人機(jī)界面等構(gòu)成，硬件原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.1 系統(tǒng)硬件的選擇

基于操作簡(jiǎn)單性和性價(jià)比高的原則，該系統(tǒng)PLC采用日本三菱公司的FX2N型號(hào)；為了獲得快速性能輸出模塊采用晶體管輸出；在溫度轉(zhuǎn)換模塊中，溫度傳感器選擇J型熱電偶，溫度轉(zhuǎn)換器選擇FX2N-4AD/TC，將來(lái)自4個(gè)J型熱電偶傳感器信號(hào)放大，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成12位的可讀數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在PLC的主單元中。

D/A轉(zhuǎn)換器采用三菱FX2N-4DA，該模塊總體精度高、轉(zhuǎn)換速度快，共有四通道的D/A輸出；人機(jī)界面選用三菱觸摸屏GT1055型，該模塊通用型強(qiáng)，畫(huà)面設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單方便，有專(zhuān)門(mén)的編程軟件，而且它還有相應(yīng)的仿真軟件，可以大大縮短編程人員人機(jī)界面設(shè)計(jì)的周期。

2.2 調(diào)溫原理

在室內(nèi)暖氣智能調(diào)溫系統(tǒng)中，工作原理是由溫度傳感器檢測(cè)到的室內(nèi)溫度經(jīng)溫度轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量傳輸?shù)娇删幊炭刂破髦校缓罂删幊炭刂破鲗⑺c溫度設(shè)定值比較并按某種控制規(guī)律對(duì)誤差值進(jìn)行運(yùn)算，將運(yùn)算結(jié)果送給模擬量輸出模塊，最后經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器變成電流信號(hào)和電壓信號(hào)，驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)溫閥門(mén)工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的閉環(huán)控制。

2.3 控制規(guī)律

在該控制系統(tǒng)中采用的控制規(guī)律是PID算法。PID控制器由比例單元（P）、積分單元（I）和微分單元（D）組成。

用可編程控制器對(duì)模擬量進(jìn)行PID控制時(shí)，一般有4種方法，本系統(tǒng)主要使用的是HD指令和模擬量輸入/輸指令等，算法采用的是增量式PID算法，控制算法中使用了反饋量的一階慣性濾波、不完全微分和反饋量微分等措施，使得該指令比普通的PID算法具有更好的控制效果[2]。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過(guò)程中主要是用梯形圖來(lái)設(shè)計(jì)的。主要的程序包括外部數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析和處理，在整個(gè)程序設(shè)計(jì)中最主要的是PID算法的設(shè)計(jì)[3]。

本文以室內(nèi)智能調(diào)溫系統(tǒng)的控制程序?yàn)槔榻BPLC的編程方法，調(diào)溫閥控制程序流程如圖2所示。

該系統(tǒng)程序開(kāi)始進(jìn)行初始化內(nèi)部的參數(shù)；接著判斷特殊功能模塊安裝位置是否正確，如果不正確就要調(diào)整，直到正確再進(jìn)行下一步；然后進(jìn)行溫度設(shè)定值的設(shè)置（這些基本數(shù)據(jù)設(shè)置可以通過(guò)程序進(jìn)行也可以通過(guò)人機(jī)界面進(jìn)行）；然后進(jìn)行判斷，當(dāng)由溫度傳感器傳來(lái)的室內(nèi)溫度大于等于目標(biāo)溫度與偏置溫度之和，且這種狀態(tài)持續(xù)一定時(shí)間后，由PID調(diào)節(jié)輸出數(shù)字量，經(jīng)過(guò)D/A模塊將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量然后驅(qū)動(dòng)調(diào)溫閥打開(kāi)，然后再進(jìn)行溫度的測(cè)量，最后再返回判斷；當(dāng)目標(biāo)溫度與偏置溫度之和再減去滯回帶溫度的值大于室內(nèi)溫度，且這種狀態(tài)持續(xù)規(guī)定的時(shí)間后，經(jīng)PID調(diào)節(jié)輸出數(shù)字量后，經(jīng)由D/A模塊轉(zhuǎn)換成模擬量控制調(diào)溫閥打開(kāi)，然后再返回與溫度設(shè)定值的比較判斷，最后形成了一個(gè)封閉的閉環(huán)控制[4-5]。

4 人機(jī)交互界面

該系統(tǒng)人機(jī)交互界面主要有兩個(gè)方面的功能：實(shí)現(xiàn)參數(shù)人機(jī)界面是指人和機(jī)器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領(lǐng)域或稱界面所說(shuō)人機(jī)結(jié)合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機(jī)器的硬接觸和軟觸，此結(jié)合面不僅包括點(diǎn)線面的直接接觸，還包括遠(yuǎn)距離的信息傳遞與控制的作用空間。它實(shí)現(xiàn)信息的內(nèi)部形式與人類(lèi)可以接受形式之間的轉(zhuǎn)換。凡參與人機(jī)信息交流的領(lǐng)域都存在著人機(jī)界面。大量運(yùn)用在工業(yè)與商業(yè)上，簡(jiǎn)單地區(qū)分為“輸入”（Input）與“輸出”（Output）兩種，輸入指的是由人來(lái)進(jìn)行機(jī)械或設(shè)備的操作，如把手、開(kāi)關(guān)、門(mén)、指令（命令）的下達(dá)或保養(yǎng)維護(hù)等，而輸出指的是由機(jī)械或設(shè)備發(fā)出來(lái)的通知，如故障、警告、操作說(shuō)明提示等，好的人機(jī)接口會(huì)幫助使用者更簡(jiǎn)單、更正確、更迅速地操作機(jī)械，也能使機(jī)械發(fā)揮最大的效能并延長(zhǎng)使用壽命，而市面上所指的人機(jī)接口則指軟件人性化的操作接口。該系統(tǒng)人機(jī)交互界面主要有兩個(gè)方面的功能：實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和室內(nèi)溫度的監(jiān)控。在參數(shù)設(shè)置中可以進(jìn)行目標(biāo)溫度SV、偏置溫度、確認(rèn)時(shí)間和偏置溫度等值的設(shè)置；同時(shí)可以顯示進(jìn)行加熱的總時(shí)間、當(dāng)前狀態(tài)、報(bào)警等信息。該人機(jī)交互界面輕巧、美觀、操作方便，設(shè)計(jì)方便快捷。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)暖氣智能調(diào)溫系統(tǒng)可以快捷方便地控制室內(nèi)的溫度，為人們提供良好的生活環(huán)境，為人們的身體健康提供了保障，也給供熱公司節(jié)約了能源。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，性價(jià)比高，操作方便，具有很好的應(yīng)用前景。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張淑娟，劉典.基于PLC的溫室溫度PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2008（15）：184.

[2]許小剛，謝延昭，翟俊義，等一種分房間控溫的自動(dòng)調(diào)溫閥門(mén)研究與實(shí)現(xiàn)[J].科技信息，2013（10）：134.

[3]陳莉.三菱PLC與變頻器在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中的指令控制[J].機(jī)床電器，2012（4）：37-38， 40.

[4]羅昔柳，邊洪瑞，秦迎梅.基于三菱PLC的智能家居服務(wù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].控制工程，2009（S4）：44-48.

[5]莊漢清.三菱PLC編程實(shí)例的教學(xué)設(shè)計(jì)[J]化學(xué)工程與裝備，2009（3）：122-126.