壁挂炉控制器前沿技壁挂炉控制器前沿技 术研讨术研讨深圳市合信达控制系统有限公司深圳市合信达控制系统有限公司深圳市合信达控制系统有限公司深圳市合信达控制系统有限公司 20122012年年1010月月引子引子引子引子 为何而来为何而来? ? 为何而去为何而去? ? 如何是好如何是好? ?问题的提出问题的提出问题的提出问题的提出 一、安全要求：一、安全要求：中国壁挂炉产品的市场销量突破100万 台/年，并以年30%的增速在发展，市场保有量将便突破 千万台。倘若安全控制电路的失效事件为0.1PPM/年， 每年将发生1起安全事故，对人民的生命财产将造成巨大 的伤害。因此壁挂炉安全控制电路的要求必须提到更高 的安全要求上。 二、效率要求效率要求：按中国壁挂炉市场保有量1千万台，倘 若壁挂炉的燃烧效率能提高3%，节省的能源可供30万个 新用户使用。 三、环保要求：环保要求：全球对石化燃料的燃烧排放标准要求越 来越高,因此对壁挂炉废气排放有着越来越高的要求。问题的对策问题的对策问题的对策问题的对策 一、安全要求：一、安全要求：提高安全控制电路的要求等级，按照即 将发布的新版燃气燃烧控制CE标准要求。 二、效率要求效率要求：全预混冷凝壁挂炉是提高效率的最有效 途径和方向，然而由于我国燃气质量的差异，全预混冷 凝壁挂炉在实际使用上遭遇短期内便出现腐蚀、堵塞严 重，造成产品不能正常使用等问题。因此普通壁挂炉仍 将主导我国的壁挂炉市场，如何提高普通壁挂炉的燃烧 效率，实现燃气与风机风量的最佳配比燃烧为对策方向。 三、环保要求：环保要求：燃烧废气的主要成份为CO，NOX等， 与燃烧控制好坏相关，采用气体传感器检测壁挂炉废气 排放是解决对策之一，然而气体传感器普遍存在成本 高，寿命短等问题，针对国情，目前难以承担此检测重 任。因此：寻求一种低成本的检测方法为对策的方向。安全控制安全控制安全控制安全控制( ( ( (要点要点要点要点) ) ) ) 燃气壁挂炉控制器为智能控制器，可划分为硬件和软件 两大部份。 硬件：涉及燃气燃烧安全的相关电路为关键，其中MCU 的内部电路单元正常工作必须纳入监测体系，采用双容 错控制，双路系统可将安全等级提高到原有单路安全等 级的平方数。 软件：软件为壁挂炉的核心控制内容，为了提高软件控 制质量：软件采用结构程序设计，严格执行CE的控制要 求，做到所有状态（软、硬件：涉及安全的相关电路）、 全程软件自校验。 壁挂炉控制器的EMC测试标准按国标四级执行（新版CE 标准由过去的三级提到四级）。1001MCU1MCU2稳压器1稳压器2截止阀开关电源NL检测反馈安全控制（硬件）安全控制（硬件）安全控制（硬件）安全控制（硬件） 硬件：双MCU容错控制结构图安全控制（软件）安全控制（软件）安全控制（软件）安全控制（软件） 软件：为了提高软件控制质量：软件采用结构程序设计，划分如下： 各层涉及安全的软件模块可分由多个软件工程师负责编写和维护，并 由专人负责审核总调。 软件自校验：程序代码或数据出错时，软件即时进入安全保护状态。 软件对安全电路校验：安全电路出错即进入安全保护状态。应用层任务层（进程控制）驱动层硬 件效率提高（要点）效率提高（要点）效率提高（要点）效率提高（要点） 壁挂炉产品应用技术现状:现许多厂家纷纷推出风机调速控制技术， 追求燃气量与风量的配比燃烧，有效提高壁挂炉燃烧的热效率。 现应用的风机调速控制：多采用风机恒转速控制方式，通过风机电 机轴上的转速传感器实测的转速值作为目标控制值，实现恒速控制。 恒转速控制存在的问题：在排气逆风的状况下，由于风机的进风口 与出风口的压差减少，造成风机的空气流速减少，风机的出风量减 少。风机的负载功率降低，风机电机的输出功率降低，风机在同样 的工作电压下，风机的工作电流降低，此时风机转速反而增加。倘 若按风机恒转速的控制方式，为了达到恒转速控制，需降低风机的 工作电压，使得风机转速降低，反而造成风量更少，燃烧工况恶化。 转速传感器为磁感应霍尔传感结构，而应用场合为燃烧尾气排放高 温环境，因此存在传感失效的极大概率。 对策:寻找风机堵风时能自动检测、补偿的方法，并且不用转速传感 器。效率提高（效率提高（效率提高（效率提高（解决方法） 风机恒有功功率调节系统便是当排气环境发生变化时， 风机输出的有功功率不变，保证风量稳定，实现燃气量 与风量的最佳配比燃烧控制，更好地提高壁挂炉的燃烧 效率和提高废气排放标准。 风机电机的有功功率：P有= P轴/tr =Q*H/（t *tr） 式中：Q为风机风量,H为风机全压 ,t为风机全压效率, tr为风机的传动效率。 罩极电机有功功率公式： P电机=1/T0T u(t)i(t)dt 离散化后的计算公式: P电机 =1/N m N =1 umim 效率提高（效率提高（效率提高（效率提高（系统信号图） 控制信号流图如下图 根据当前比例阀的开度对应风机有功功率的需求， MCU对风 机的工作电压及电流进行取样，算出风机当前实际工作的有功 功率，此信号作为反馈信号构成闭环的PID控制，达到风机恒 有功功率控制目的。风机驱动电路电压电流取样有功功率计算风机功率需求风机输出功率效率提高（控制系统的结构图 ）风机电压电流检测交流电源驱动电路电压过零检测+5V电源 MCU驱动电路电压电流检测水泵效率提高（风机调速控制） 风机恒有功功率控制：由电压过零检测、风机电压、电流 检测、风机驱动电路组成。通过对交流电源的电压、风机 电流的检测，算出风机电机的有功功率。当风机的排气环 境发生变化时，造成风机的输出风量发生变化时，风机的 负载功率相应发生变化，为了确保燃气量所需对应的风 量，此时MCU将现实测到的风机有功功率与燃气量及燃烧 工况合计所需的风机的有功功率值通过PID算法算出新的风 机驱动值，进行风机驱动调节，实现燃气量与风机有功功 率成对应关系的控制。 燃烧工况检测：通过火焰离子电流大小的检测实现。效率提高（水泵调速控制） 换热效率与用热环境、换热器、热介质的热焓相关。 热水的热焓与温度、热水的质量（对应于体积，对应于 流速）相关。 热水流速与水泵转速相关。 壁挂炉通过与OT温控器相连时，OT温控器根据用户设定 的房间温度与房间实际的温度值的差值向壁挂炉发出不 同的热负荷需求，此时壁挂炉需通过调节供暖水的温度 或水泵的水流量来满足房间热负荷的需求。因此通过水 泵调速控制整合壁挂炉换热效率与房间换热器效率的最 佳交点，达到提高供暖系统热效率的目的。效率提高（水泵堵转检测） 水泵堵转检测和报警 ：根据在同样的工作电压下，电机 负载越重则电机电流越大的特性，电机堵转时电流最大。 然而水泵在250VAC时正常工作电流与水泵在180VAC时 卡泵电流基本相同，因此只通过简单的电流检测判断不 能实现全工作电压范围内判断水泵是否卡泵，必须通过 水泵的工作电压与电流才能作出可靠的水泵卡泵检测和 报警。然而水泵的电压、电流检测在水泵调速控制中是 现存的，因此不需增加任何成本，便可实现水泵堵转的 检测及报警。 环境要求（要点） 燃气定义为清洁能源，然而在缺氧状态下不充分燃烧， 仍旧产生大量的CO和NOX。 壁挂炉的燃烧控制是通过调节燃气量与风量（氧量）的 配比寻求最佳燃烧效果。 风机风量受自然逆风的影响，也受电网电压波动的影响。 正常燃烧时，火焰离子电流随火焰大小变化而变化。 燃烧风量不够时，火焰离子电流会比变小。环境要求（解决方法） 火焰离子电流的单向导通特性：有燃烧火焰时，负离子 随火焰热量从燃烧器向检火针跃迁。 火焰离子电流的可量化特点：负离子数量与跃迁场的电 压相关，与火焰的大小相关。 火焰离子电流微弱性：在目前使用的检测技术、检测用 电源的电压为百伏级，火焰离子电流为微安级。 使用交流电源施加到负离子跃迁场，充分利用火焰离子 电流的单向导通特性。 采用高阻电路，尽可能反映出离子电流的变化。环境要求（结构图） 交流电源：可直接使用或经隔离的电网交流电源，也可 自产生的交变电源。 耦合回路的作用：构成离子电流回路及电压检测回路。MCU AD交流电源阻容耦合检火针滤波电路机壳电流/电压转换耦合电路环境要求(测试结果1) 气阀：三国阀 检火针：检火针表面碳化严重，表面很黑 检火针检火部分长13.5mm，检火针离火排高度为3.9 mm环境要求(测试结果2) 检火针检火部分长为13.5mm ，检火针离火排距离（检 火针上的最低点）为12.2mm。BGL288控制器 按新2012版CE要求设计。 风机、水泵按给定功率调速控制。 水泵卡泵检测报警。 火焰离子电流大小检测。 采用适用过高电网电压的开关电源(西北地区和俄罗斯等地) ，并预 留有TFT显示面板所需的驱动功率。 OT通讯接口。 采用三核结构（主控安全使用二个MCU，显示用一个MCU）结构如下：风机、水泵调速控 制MCU主控（温度控制） MCU燃气安全控制 电路OT（或开关型） 室内温度控制器用 户 界 面 控 制 MCU稳 压 器 +5V稳 压 器 +5V开关电源快速燃气热水器控制器 新2012版CE要求。 风机按给定功率调速控制方法。 火焰离子电流大小检测。研发质量（要点） 产品需求：国外产品严格、充分；国内大公司相对有讨论评估过的 文档，国内小公司随意性大些。应避免不经推敲的改动。产品需求 对研发质量、实现时间影响大。 方案评估和研发计划：方案实现的全面评估是对产品需求理解，质 量 标准的确立，技术实现的可行性，实现时间计划的依据。 硬件开发：尽量使用成熟电路，推荐电路需验证，自行设计电路必 须经计算、全面测试、寿命考证。 软件开发：模块程序设计，通用模块不轻易改动，安全模块专人负 责，专人审核。黑盒测试的必须的，最好经白盒测试。 实验室测试：电常规、环境、EMC、元器件、电路失效、寿命等测 试。 用户样品确认：尽可能做全面测试。 认证：第三方认证专业，质量把控严格。感谢感谢各位来宾的厚爱与理解！