室内暖气智能调温器研究

陈方俊 王海波

摘要：文章介绍了一种可以用于家庭的室内暖气智能调温器，该设备利用PLC应用技术和传感器技术，分析设计出了一款可实现自动调温的水暖温控阀控制系统。它集检测、控制于一体，具有快速、节能、操作方便等优点，能有效地根据用户需要调节室内温度，节约热能，并且满足不同用户的舒适度要求。该设备能够实现对居家供暖系统实时检测、分时定温、自动控制等功能，体现了暖气自动调温的人性化、自动化，具有重要的经济意义和社会意义。

关键词：自动调温暖气阀；PLC应用技术；人机交互界面

在北方地区，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统一供暖。为了保证温度，供暖公司必须把供暖水温适当升高，以补偿供暖过程中热量散失。传统的供暖气管提供的是同样的温度，由于不同的小区、不同的楼层、不同采暖材料（传统的暖气片、地热），用户得到的温度是不同的。因此就会出现有的家庭温度过低，不能达到基本的温度保障，而相当一部分家庭因供暖气管温度升高，造成室内温度过高，给人们生活造成不适的同时还造成大量的能源浪费[1]。

1 背景技术

为了改善室内温度的控制，现在出现了机械式暖气调温阀，这种设备一般都设有多档开关，再由多档开关来控制阀门，操作时通过手动旋转阀门控制暖气管热水流量大小来调节室温。此装置基于人工手动操作，温度主要由用户的主观感受，且阀门刻度固定，只要水温和室内环境发生变化，就需要时刻调节阀门，十分繁琐。既不能精准控温也不智能化，不符合当代人对美好生活的要求[2]。基于现在的室内暖气调温的现状，本文研究了一款新的室内暖气调温器，它功能强大，操作简单，能够自动调节室内温度。

2 PLC的硬件设计

室内暖气调温器由PLC控制器、温度转换模块、输出模块和人机界面等构成，硬件原理结构如图1所示。

2.1 系统硬件的选择

基于操作简单性和性价比高的原则，该系统PLC采用日本三菱公司的FX2N型号；为了获得快速性能输出模块采用晶体管输出；在温度转换模块中，温度传感器选择J型热电偶，温度转换器选择FX2N-4AD/TC，将来自4个J型热电偶传感器信号放大，并将数据转换成12位的可读数据，存储在PLC的主单元中。

D/A转换器采用三菱FX2N-4DA，该模块总体精度高、转换速度快，共有四通道的D/A输出；人机界面选用三菱触摸屏GT1055型，该模块通用型强，画面设计简单方便，有专门的编程软件，而且它还有相应的仿真软件，可以大大缩短编程人员人机界面设计的周期。

2.2 调温原理

在室内暖气智能调温系统中，工作原理是由温度传感器检测到的室内温度经温度转换器转换成数字量传输到可编程控制器中，然后可编程控制器将它与温度设定值比较并按某种控制规律对误差值进行运算，将运算结果送给模拟量输出模块，最后经D/A转换器变成电流信号和电压信号，驱动执行机构调温阀门工作，实现对温度的闭环控制。

2.3 控制规律

在該控制系统中采用的控制规律是PID算法。PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。

用可编程控制器对模拟量进行PID控制时，一般有4种方法，本系统主要使用的是HD指令和模拟量输入/输指令等，算法采用的是增量式PID算法，控制算法中使用了反馈量的一阶惯性滤波、不完全微分和反馈量微分等措施，使得该指令比普通的PID算法具有更好的控制效果[2]。

3 系统软件设计

该系统在设计过程中主要是用梯形图来设计的。主要的程序包括外部数据的采集、数据的分析和处理，在整个程序设计中最主要的是PID算法的设计[3]。

本文以室内智能调温系统的控制程序为例介绍PLC的编程方法，调温阀控制程序流程如图2所示。

该系统程序开始进行初始化内部的参数；接着判断特殊功能模块安装位置是否正确，如果不正确就要调整，直到正确再进行下一步；然后进行温度设定值的设置（这些基本数据设置可以通过程序进行也可以通过人机界面进行）；然后进行判断，当由温度传感器传来的室内温度大于等于目标温度与偏置温度之和，且这种状态持续一定时间后，由PID调节输出数字量，经过D/A模块将数字量转化为模拟量然后驱动调温阀打开，然后再进行温度的测量，最后再返回判断；当目标温度与偏置温度之和再减去滞回带温度的值大于室内温度，且这种状态持续规定的时间后，经PID调节输出数字量后，经由D/A模块转换成模拟量控制调温阀打开，然后再返回与温度设定值的比较判断，最后形成了一个封闭的闭环控制[4-5]。

4 人机交互界面

该系统人机交互界面主要有两个方面的功能：实现参数人机界面是指人和机器在信息交换和功能上接触或互相影响的领域或称界面所说人机结合面，信息交换，功能接触或互相影响，指人和机器的硬接触和软触，此结合面不仅包括点线面的直接接触，还包括远距离的信息传递与控制的作用空间。它实现信息的内部形式与人类可以接受形式之间的转换。凡参与人机信息交流的领域都存在着人机界面。大量运用在工业与商业上，简单地区分为“输入”（Input）与“输出”（Output）两种，输入指的是由人来进行机械或设备的操作，如把手、开关、门、指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由机械或设备发出来的通知，如故障、警告、操作说明提示等，好的人机接口会帮助使用者更简单、更正确、更迅速地操作机械，也能使机械发挥最大的效能并延长使用寿命，而市面上所指的人机接口则指软件人性化的操作接口。该系统人机交互界面主要有两个方面的功能：实现参数设置和室内温度的监控。在参数设置中可以进行目标温度SV、偏置温度、确认时间和偏置温度等值的设置；同时可以显示进行加热的总时间、当前状态、报警等信息。该人机交互界面轻巧、美观、操作方便，设计方便快捷。

5 结语

本文设计的室内暖气智能调温系统可以快捷方便地控制室内的温度，为人们提供良好的生活环境，为人们的身体健康提供了保障，也给供热公司节约了能源。该系统实现简单，性价比高，操作方便，具有很好的应用前景。

[参考文献]

[1]张淑娟，刘典.基于PLC的温室温度PID控制系统设计[J].科技信息，2008（15）：184.

[2]许小刚，谢延昭，翟俊义，等一种分房间控温的自动调温阀门研究与实现[J].科技信息，2013（10）：134.

[3]陈莉.三菱PLC与变频器在运动控制系统中的指令控制[J].机床电器，2012（4）：37-38， 40.

[4]罗昔柳，边洪瑞，秦迎梅.基于三菱PLC的智能家居服务系统设计[J].控制工程，2009（S4）：44-48.

[5]庄汉清.三菱PLC编程实例的教学设计[J]化学工程与装备，2009（3）：122-126.