室內暖氣智能調溫器研究

陳方俊 王海波

摘要：文章介紹了一種可以用于家庭的室內暖氣智能調溫器，該設備利用PLC應用技術和傳感器技術，分析設計出了一款可實現自動調溫的水暖溫控閥控制系統。它集檢測、控制于一體，具有快速、節能、操作方便等優點，能有效地根據用戶需要調節室內溫度，節約熱能，并且滿足不同用戶的舒適度要求。該設備能夠實現對居家供暖系統實時檢測、分時定溫、自動控制等功能，體現了暖氣自動調溫的人性化、自動化，具有重要的經濟意義和社會意義。

關鍵詞：自動調溫暖氣閥；PLC應用技術；人機交互界面

在北方地區，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一供暖。為了保證溫度，供暖公司必須把供暖水溫適當升高，以補償供暖過程中熱量散失。傳統的供暖氣管提供的是同樣的溫度，由于不同的小區、不同的樓層、不同采暖材料（傳統的暖氣片、地熱），用戶得到的溫度是不同的。因此就會出現有的家庭溫度過低，不能達到基本的溫度保障，而相當一部分家庭因供暖氣管溫度升高，造成室內溫度過高，給人們生活造成不適的同時還造成大量的能源浪費[1]。

1 背景技術

為了改善室內溫度的控制，現在出現了機械式暖氣調溫閥，這種設備一般都設有多檔開關，再由多檔開關來控制閥門，操作時通過手動旋轉閥門控制暖氣管熱水流量大小來調節室溫。此裝置基于人工手動操作，溫度主要由用戶的主觀感受，且閥門刻度固定，只要水溫和室內環境發生變化，就需要時刻調節閥門，十分繁瑣。既不能精準控溫也不智能化，不符合當代人對美好生活的要求[2]。基于現在的室內暖氣調溫的現狀，本文研究了一款新的室內暖氣調溫器，它功能強大，操作簡單，能夠自動調節室內溫度。

2 PLC的硬件設計

室內暖氣調溫器由PLC控制器、溫度轉換模塊、輸出模塊和人機界面等構成，硬件原理結構如圖1所示。

2.1 系統硬件的選擇

基于操作簡單性和性價比高的原則，該系統PLC采用日本三菱公司的FX2N型號；為了獲得快速性能輸出模塊采用晶體管輸出；在溫度轉換模塊中，溫度傳感器選擇J型熱電偶，溫度轉換器選擇FX2N-4AD/TC，將來自4個J型熱電偶傳感器信號放大，并將數據轉換成12位的可讀數據，存儲在PLC的主單元中。

D/A轉換器采用三菱FX2N-4DA，該模塊總體精度高、轉換速度快，共有四通道的D/A輸出；人機界面選用三菱觸摸屏GT1055型，該模塊通用型強，畫面設計簡單方便，有專門的編程軟件，而且它還有相應的仿真軟件，可以大大縮短編程人員人機界面設計的周期。

2.2 調溫原理

在室內暖氣智能調溫系統中，工作原理是由溫度傳感器檢測到的室內溫度經溫度轉換器轉換成數字量傳輸到可編程控制器中，然后可編程控制器將它與溫度設定值比較并按某種控制規律對誤差值進行運算，將運算結果送給模擬量輸出模塊，最后經D/A轉換器變成電流信號和電壓信號，驅動執行機構調溫閥門工作，實現對溫度的閉環控制。

2.3 控制規律

在該控制系統中采用的控制規律是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。

用可編程控制器對模擬量進行PID控制時，一般有4種方法，本系統主要使用的是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 系統軟件設計

該系統在設計過程中主要是用梯形圖來設計的。主要的程序包括外部數據的采集、數據的分析和處理，在整個程序設計中最主要的是PID算法的設計[3]。

本文以室內智能調溫系統的控制程序為例介紹PLC的編程方法，調溫閥控制程序流程如圖2所示。

該系統程序開始進行初始化內部的參數；接著判斷特殊功能模塊安裝位置是否正確，如果不正確就要調整，直到正確再進行下一步；然后進行溫度設定值的設置（這些基本數據設置可以通過程序進行也可以通過人機界面進行）；然后進行判斷，當由溫度傳感器傳來的室內溫度大于等于目標溫度與偏置溫度之和，且這種狀態持續一定時間后，由PID調節輸出數字量，經過D/A模塊將數字量轉化為模擬量然后驅動調溫閥打開，然后再進行溫度的測量，最后再返回判斷；當目標溫度與偏置溫度之和再減去滯回帶溫度的值大于室內溫度，且這種狀態持續規定的時間后，經PID調節輸出數字量后，經由D/A模塊轉換成模擬量控制調溫閥打開，然后再返回與溫度設定值的比較判斷，最后形成了一個封閉的閉環控制[4-5]。

4 人機交互界面

該系統人機交互界面主要有兩個方面的功能：實現參數人機界面是指人和機器在信息交換和功能上接觸或互相影響的領域或稱界面所說人機結合面，信息交換，功能接觸或互相影響，指人和機器的硬接觸和軟觸，此結合面不僅包括點線面的直接接觸，還包括遠距離的信息傳遞與控制的作用空間。它實現信息的內部形式與人類可以接受形式之間的轉換。凡參與人機信息交流的領域都存在著人機界面。大量運用在工業與商業上，簡單地區分為“輸入”（Input）與“輸出”（Output）兩種，輸入指的是由人來進行機械或設備的操作，如把手、開關、門、指令（命令）的下達或保養維護等，而輸出指的是由機械或設備發出來的通知，如故障、警告、操作說明提示等，好的人機接口會幫助使用者更簡單、更正確、更迅速地操作機械，也能使機械發揮最大的效能并延長使用壽命，而市面上所指的人機接口則指軟件人性化的操作接口。該系統人機交互界面主要有兩個方面的功能：實現參數設置和室內溫度的監控。在參數設置中可以進行目標溫度SV、偏置溫度、確認時間和偏置溫度等值的設置；同時可以顯示進行加熱的總時間、當前狀態、報警等信息。該人機交互界面輕巧、美觀、操作方便，設計方便快捷。

5 結語

本文設計的室內暖氣智能調溫系統可以快捷方便地控制室內的溫度，為人們提供良好的生活環境，為人們的身體健康提供了保障，也給供熱公司節約了能源。該系統實現簡單，性價比高，操作方便，具有很好的應用前景。

[參考文獻]

[1]張淑娟，劉典.基于PLC的溫室溫度PID控制系統設計[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調溫閥門研究與實現[J].科技信息，2013（10）：134.

[3]陳莉.三菱PLC與變頻器在運動控制系統中的指令控制[J].機床電器，2012（4）：37-38， 40.

[4]羅昔柳，邊洪瑞，秦迎梅.基于三菱PLC的智能家居服務系統設計[J].控制工程，2009（S4）：44-48.

[5]莊漢清.三菱PLC編程實例的教學設計[J]化學工程與裝備，2009（3）：122-126.