ЭЛЕКТРОННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДВУХСТУПЕНЧАТОГО ВОДОНАГРЕВАТЕЛЯ В АВТОМАТЕ ДЛЯ ПРОДАЖИ ГОРЯЧИХ НАПИТКОВ
ELECTRONIC CONTROL SYSTEM OF TWO-STAGE WATER HEATER IN VENDING MACHINE FOR HOT DRINKS

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится, в общем, к автоматам для продажи горячих напитков и, в частности, к электронной системе управления двухступенчатым водонагревателем для использования в автоматах для продажи горячих напитков, таких как напитки на основе кофе, например, кофе эспрессо (ES), растворимый кофе (INST) и/или свежесваренный кофе (FB).
Уровень техники
Известно, что автоматы для продажи горячих напитков снабжены одноступенчатыми водонагревателями, то есть одним баком для воды и одним водонагревателем, как правило, электрическим водонагревателем резистивного типа, размещенным внутри бака для воды, или водонагревателями с двумя ступенями нагрева, то есть с двумя последовательно соединенными баками для воды, расположенными один внутри другого, и с двумя водонагревателями, связанными с этими двумя баками для воды.
Пример двухступенчатого водонагревателя описан в документах DE 3218442 и US 2004/0079749. В этих примерах водонагреватель содержит основной бак для воды, снабженный первым нагревателем, выполненным с возможностью нагревания и поддержания воды при первой заданной температуре в режиме ожидания, и меньший по объему вторичный бак для воды, расположенный внутри основного бака, теплоизолированный от него и снабженный вторым нагревателем, выполненным с возможностью нагревания и поддержания воды при второй заданной температуре в режиме ожидания, превышающей первую температуру.
Другой пример двухступенчатого водонагревателя для автоматов для продажи горячих напитков описан в документе СН 367610, в котором второй водонагреватель работает только тогда, когда он должен вырабатывать пар. В этом примере предусмотрен клапан, который в ответ на повышение давления во вторичном баке прерывает гидравлическую связь между двумя баками для воды, так что в пар преобразуется только в такое количество воды, которое содержится во вторичном баке.
В вышеприведенных примерах два водонагревателя относятся к типу хранения, то есть, когда определенное количество воды хранится в баке для воды, нагревается и поддерживается при требуемой температуре, и когда водонагреватель необходим для подачи определенного количества горячей воды для приготовления напитка, забранная вода пополняется пресной водой, и затем вода в баке для воды нагревается и снова достигает требуемой температуры.
Заявитель обнаружил, что одноступенчатые или двухступенчатые накопительные водонагреватели, описанные в вышеуказанных документах, имеют многочисленные недостатки, основными из которых являются:
1) относительно высокая температура в режиме ожидания, до такой степени, что исключает, либо непосредственно из-за нее, либо из-за высокого давления, использование пластиковых материалов для конструкции бака для воды, который обычно изготавливается из металлического материала, предпочтительно из стали;
2) низкая тепловая эффективность, которая является результатом высоких потерь тепла наружу из-за относительно высокой температуры в режиме ожидания и металлического материала, используемого для конструкции бака для воды;
3) небольшая гибкость использования, поскольку даже при модуляции электрических сопротивлений невозможно изменить температуру всей воды, содержащейся в баке для воды, за относительно короткое время; следовательно, торговый автомат, осуществляющий розлив с дозированием различных горячих напитков с разной температурой, должен обычно иметь несколько водонагревателей, предпочтительно столько нагревателей, сколько типов разливаемых напитков.
Двухступенчатый водонагреватель для автоматов для продажи горячих напитков, способный преодолеть вышеупомянутые недостатки, описан в документе WO 2014/027310 А1, автором которого является Заявитель, где первая стадия нагрева относится к типу хранения воды, в то время как вторая стадия нагрева относится к типу непрерывного потока, то есть, когда вода нагревается до требуемой температуры при ее протекании на второй стадии нагрева после выбора напитка, то есть только тогда, когда вода забирается для удовлетворения потребности в воде, необходимой для приготовления напитка.
Сущность изобретения
Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы выполнить электронную систему управления для двухступенчатого водонагревателя типа, описанного в документе WO 2014/027310 A1, которая позволила бы эффективно, точно и надежно регулировать температуру воды, подаваемой двухступенчатым водонагревателем.
Согласно настоящему изобретению предусмотрена электронная система управления для двухступенчатого водонагревателя в автомате для продажи горячих напитков и двухступенчатый водонагреватель, снабженный такой электронной системой управления, как заявлено в прилагаемой формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 схематично показан двухступенчатый водонагреватель и соответствующий гидравлический контур в автомате для продажи горячих напитков.
На фиг.2 схематично показана конструкция двухступенчатого водонагревателя и блок-схема электронной системы управления двухступенчатым водонагревателем.
На фиг.3 показана блок-схема управления двухступенчатым водонагревателем.
На фиг.4 показана функциональная блок-схема высокого уровня управления двухступенчатым водонагревателем.
На фиг.5 показана функциональная блок-схема управления водогрейным котлом в двухступенчатом водонагревателе.
На фиг.6 показана функциональная блок-схема управления нагревателем для ускорения нагрева воды в двухступенчатом водонагревателе.
На фиг.7 показана функциональная блок-схема блока планирования, реализованного для управления нагревателем для ускорения нагрева воды.
На фиг.8-12 показаны функциональные блок-схемы блока управления электропитанием, реализованного для управления двухступенчатым водонагревателем.
На фиг.13 показано изменение во времени требуемой температуры в нагревателе для ускорения нагрева воды двухступенчатого водонагревателя.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение будет теперь подробно описано со ссылкой на прилагаемые фигуры таким образом, чтобы специалист в данной области техники мог осуществить и использовать его. Специалист в данной области техники сразу заметит различные модификации описанных вариантов осуществления, и описанные общие принципы могут быть применены к другим вариантам осуществления и приложениям, оставаясь в пределах объема настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не следует рассматривать как ограниченное описанными и показанными вариантами осуществления, а следует рассматривать с учетом более широкого объема защиты в соответствии с описанными и заявленными признаками.
На фиг.1 схематично показан и обозначен, в общем, ссылочной позицией 1 двухступенчатый водонагреватель для автомата 2 для продажи горячих напитков (который также показан схематично).
Водонагреватель 1 имеет одно впускное отверстие 3 для холодной воды, связанное по текучей среде с гидравлическим контуром 5, выполненным с возможностью подачи холодной воды (при комнатной температуре) во впускное отверстие 3 для холодной воды, и одно выпускное отверстие 4 для горячей воды, связанное по текучей среде с блоком для приготовления напитка ( не показан).
Гидравлический контур 5 содержит водяной насос 6 с впускным отверстием, связанным по текучей среде с источником холодной воды (не показан) через подходящий фильтр 7 для воды, и подачу воды, связанную по текучей среде с впускным отверстием 3 для холодной воды водонагревателя 1 через клапан 8 регулировки давления, откалиброванный таким образом, чтобы рециркулировать в направлении впускного отверстия водяного насоса 6 через перепускной патрубок 9 и Т-образное соединение 10, при этом вода подается водяным насосом 6 тогда, когда давление воды в водонагревателе 1 превышает максимальное давление.
В одном варианте осуществления гидравлический контур 5 также традиционно выполнен с возможностью выполнения двух дополнительных функций смешивания горячей воды, подаваемой водонагревателем 1, с холодной водой, чтобы вызвать быстрое охлаждение горячей воды, подаваемой водонагревателем 1, и обхода водонагревателя 1. В частности, для этого гидравлический контур 5 выполнен с возможностью разбиения подачи холодной воды, подаваемой в водонагреватель 1, таким образом, чтобы одна часть подавалась во впускное отверстие 3 для холодной воды, а другая часть подавалась в выпускное отверстие 4 для горячей воды для ее смешивания с горячей водой, и при необходимости обеспечения, как указано выше, быстрого охлаждения горячей воды, что будет описано более подробно ниже.
Для достижения этих дополнительных функций гидравлический контур 5 содержит Т-образное соединение 11, имеющее порт ввода-вывода, связанный по текучей среде с клапаном 8 регулировки давления, порт ввода-вывода, связанный по текучей среде с впускным отверстием 3 для холодной воды водонагревателя 1 через первый электромагнитный клапан EV1 12, и порт ввода-вывода, связанный по текучей среде с впускным отверстием 13 для холодной воды смесителя 14 воды через второй электромагнитный клапан EV2 15 и перепускной патрубок 16. Смеситель 14 воды также имеет впускное отверстие 17 для горячей воды, связанное по текучей среде с выпускным отверстием 4 для горячей воды водонагревателя 1 и выпускным отверстием 18 для смешанной воды.
При нормальных условиях работы управление первым электромагнитным клапаном EV1 12 осуществляется таким образом, чтобы он находился в открытом состоянии, обеспечивая подачу холодной воды во впускное отверстие 3 для холодной воды водонагревателя 1. С другой стороны, управление вторым электромагнитным клапаном EV2 15 осуществляется с использованием соответствующей широтно-импульсной модуляции (ШИМ, PWM) для регулировки периода открытия и, следовательно, охлаждение воды, подаваемой водонагревателем 1.
В альтернативном варианте осуществления гидравлический контур 5 выполнен с возможностью выполнять только функцию подачи холодной воды во впускное отверстие 3 для холодной воды водонагревателя 1, а не две дополнительные функции смешивания горячей воды, подаваемой водонагревателем 1 с холодной водой, и обхода водонагревателя 1.
В одном варианте осуществления предусмотрен водонагреватель 1 традиционного типа, который описан и показан в документе WO 2014/027310 А1, автором которого является Заявитель и содержание которого следует считать включенным в данный документ во всей своей полноте, и который схематично показан на фиг.2.
В частности, водонагреватель 1, который будет описан ниже и который ограничен только признаками, необходимыми для понимания настоящего изобретения, содержит:
- ступень накопительного водонагревателя, для краткости в дальнейшем называемую водогрейным котлом 20, и
- ступень водонагревателя с непрерывным потоком, для краткости в дальнейшем называемую нагревателем 21 для ускорения нагрева воды, который размещен в водогрейном котле 20 и последовательно связан с ним по текучей среде.
Водогрейный котел 20 содержит:
- внешний бак 22 для воды, в котором предусмотрены впускное отверстие 3 для холодной воды и выпускное отверстие 4 для горячей воды водонагревателя 1, и
- первый электрический нагреватель 23, размещенный во внешнем баке 22 для воды и выполненный с возможностью нагрева воды, содержащейся во внешнем баке 22 для воды, и поддержания ее при температуре, находящейся в первом температурном диапазоне, например, от 70 до 80℃, типично 75℃.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, впускное отверстие 3 для холодной воды водонагревателя 1 традиционно выполнено в нижней части внешнего бака 22 для воды, тогда как выпускное отверстие 4 для горячей воды водонагревателя 1 традиционно выполнено в верхней части внешнего бака 22 для воды.
Нагреватель 21 для ускорения нагрева воды содержит:
- внутреннее тело 24, размещенное во внешнем баке 22 для воды и ограничивающее канал 25 для воды с впускным отверстием для воды, связанным по текучей среде с внутренним объемом внешнего бака 22 для воды, чтобы принимать содержащуюся в нем горячую воду, и с выпускным отверстием для воды, связанным по текучей среде с выпускным отверстием 4 для воды водонагревателя 1, и
- второй электрический нагреватель 26, связанный с внутренним телом 24 и традиционно расположенный в нем, и выполненный с возможностью нагрева воды, протекающей во внутреннем теле 24, до температуры, находящейся во втором температурном диапазоне, превышающем первый температурный диапазон, например, от 75 до 110°C.
В примере, показанном на фиг.2, внешний бак 22 для воды традиционно имеет форму коробчатого тела, имеющего продольную ось и образованного из двух полусферических оболочек, тогда как внутреннее тело 24 традиционно имеет, в общем, форму цилиндрического трубчатого тела, расположенного во внешнем баке 22 для воды соосно его продольной оси.
В другом варианте осуществления, который не показан, внешний бак 22 для воды может иметь форму коробчатого тела, образованного чашеобразным телом, закрытым крышкой, тогда как внутреннее тело может снова иметь, в общем, форму цилиндрического трубчатого тела, но расположенного во внешнем баке 22 для воды поперек его продольной оси.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, первый электрический нагреватель 23 традиционно содержит первый и второй электрические резисторы 27, 28, которые имеют электрические сопротивления, которые в дальнейшем упоминаются как R1 и R2, соответственно, имеют разные значения и независимое управление, размещаются один в нижней части и другой в верхней части водогрейного котла 20 и по этой причине в дальнейшем также упоминаются как более низкое сопротивление водогрейного котла и более высокое сопротивление водогрейного котла, тогда как второй электрический нагреватель 26 традиционно содержит третий электрический резистор 29 с электрическим сопротивлением, которое в дальнейшем упоминается как R3 и именуется термином сопротивление нагревателя 22 для ускорения нагрева воды.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, первый и второй электрические резисторы 27 спирально намотаны вокруг внутреннего тела 24, в то время как третий электрический резистор 29 имеет прямолинейную форму и соосно установлен на продольной оси внутреннего тела 24 и продолжается по существу вдоль всей его длины.
Водонагреватель 1 дополнительно содержит электронную систему 30 управления, содержащую:
- систему 31 с сенсорным управлением, поддерживаемую внешним баком 22 для воды, для измерения температуры воды в определенных зонах водонагревателя 1 и для вывода электрических сигналов, указывающих измеренные температуры, и
- электронный блок 32 управления, электрически соединенный с системой 31 с сенсорным управлением и с первым и вторым электрическими нагревателями 23, 26 и запрограммированный для приема электрических сигналов, поступающих из системы 31 с сенсорным управлением и для управления первым и вторым электрическими нагревателями 23, 26 на основе принимаемых электрических сигналов способом, подробно описанным ниже.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, система 31 с сенсорным управлением содержит:
- первый датчик 33 температуры, выполненный с возможностью измерения температуры воды, которая в дальнейшем упоминается как Text_m, в водогрейном котле 20,
- второй датчик 34 температуры, выполненный с возможностью измерения температуры воды, которая в дальнейшем упоминается как Tbooster_m, в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды, и
- третий датчик 35 температуры, расположенный в выпускном отверстии 4 для горячей воды, которая в дальнейшем также упоминается как точка выдачи водонагревателя 1, для измерения температуры, которая в дальнейшем упоминается как Tout_m, горячей воды, подаваемой водонагревателем 1.
Традиционно первый датчик 33 температуры выполнен с возможностью измерения температуры воды на концевой части водогрейного котла 20, расположенной напротив впускного отверстия 3 для холодной воды водонагревателя 1, в примере, показанном на фиг.2, на верхней части водогрейного котла 20, тогда как второй датчик 34 температуры выполнен с возможностью измерения температуры воды на концевой части нагревателя 21 для ускорения нагрева воды, расположенной напротив концевой части первого датчика 33 температуры, в примере, показанном на фиг.2, на нижней части нагревателя 22 для ускорения нагрева воды, то есть на впускном отверстии для воды нагревателя 21 для ускорения нагрева воды.
В другом варианте осуществления, который не показан, система 31 с сенсорным управлением может содержать только первый и третий датчики 33 и 35 температуры, но не второй датчик 34 температуры, чтобы измерять только температуру воды в водогрейном котле 20 и в выпускном отверстии 4 для горячей воды водонагревателя 1.
В дополнительном варианте осуществления, который не показан, система 31 с сенсорным управлением может содержать только первый и второй датчики 33 и 34 температуры, но не третий датчик 35 температуры, чтобы измерять только температуру воды в водогрейном котле 20 и в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды. В данном варианте осуществления второй датчик 34 температуры может быть традиционно расположен в верхней части нагревателя 21 для ускорения нагрева воды, то есть в выпускном отверстии для воды нагревателя 21 для ускорения нагрева воды, чтобы измерять и, таким образом, указывать температуру воды очень близко к температуре воды в выпускном отверстии 4 для горячей воды.
В варианте осуществления, показанном на фиг.2, электронный блок 32 управления запрограммирован для управления первым и вторым электрическими нагревателями 27, 28 в соответствии со схемой логического управления, показанной на блок-схеме, не требующей пояснений, которая показана на фиг.3.
Задача управления состоит в том, чтобы регулировать температуру воды в водогрейном котле 20 и в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды таким образом, чтобы они максимально точно соответствовали следующим двум контрольным температурам:
- Text_d: требуемая температура воды в водогрейном котле 20, типично 75°C;
- Tout_d: требуемая температура воды в точке 4 выдачи, которая варьируется в зависимости от выбранного напитка, в рассматриваемом примере от 75 до 110°C.
Электронный блок 32 управления запрограммирован для достижения этой спецификации за счет работы на основе математической модели водонагревателя 1 в целом и первого и второго электрических нагревателей 27, 28 и на основе измеренных температур воды Text_m, Tbooster_m и Tout_m.
Электронный блок 32 управления запрограммирован для сравнения измеренных температур воды Text_m и Tout_m с контрольными температурами воды Text_d и Tout_d, чтобы вычислить значения отклонения температуры, на основе которых вырабатываются управляющие сигналы для трех электрических резисторов 27, 28 и 29, и, в частности:
R_Boiler_Low: электрический управляющий сигнал для более низкого сопротивления R1 водогрейного котла 20,
R_Boiler_Hi: электрический управляющий сигнал для более высокого сопротивления R2 водогрейного котла 20,
R_Booster: электрический управляющий сигнал для сопротивления R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды, и
EV_bypass(t): электрический управляющий сигнал для электромагнитного клапана EV2 15.
В варианте осуществления, в котором третий датчик 35 температуры не предусмотрен для измерения температуры Tout_m воды в выпускном отверстии 4 для горячей воды водонагревателя 1, ее можно оценить на основе измеренной температуры TBoost_m воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды, измеренной вторым датчиком 34 температуры, традиционно расположенным в выпускном отверстии для воды нагревателя 21 для ускорения нагрева воды.
Однако контрольная температура воды Tbooster_d не является требуемым значением, сохраняемым оператором в электронном блоке 32 управления или системе управления более высокого уровня, но является значением, вычисленным блоком планирования, который описан ниже.
На фиг.4 показана функциональная блок-схема управления, выполняемого электронным блоком 32 управления. Блок управления может быть по существу разделен на три макроблока:
- блок 36 управления водогрейным котлом,
- блок 37 управления нагревателем для ускорения нагрева воды, и
- блок 38 управления электропитанием, выполненный с возможностью управления потребностями в электрической мощности для блока 36 управления водогрейным котлом и блока 37 управления нагревателем для ускорения нагрева воды.
Значения входных и выходных переменных блоков, показанных на фиг.4, представлены в таблицах 1 и 2, соответственно, в конце этого описания.
1. Блок управления водогрейным котлом
Блок 36 управления водогрейного котла действует так, как показано на функциональной блок-схеме, показанной на фиг.5. Работа блока 36 управления водогрейным котлом по существу основана на одном ПИД-регуляторе 39 (пропорционально-интегрально-дифференциальном регуляторе), который принимает отклонение eText=Text_d-Text_m температуры воды, обеспечивает питание блока 38 управления электропитанием с учетом потребности в электрической мощности PwRboiler_r для сопротивлений R1 и R2 водогрейного котла 20 и выполняет расчеты в соответствии с пропорциональными, производными и интегральными членами.
2. Блок планирования и блок управления нагревателем для ускорения нагрева воды
Блок 37 управления нагревателем для ускорения нагрева воды действует так, как показано на функциональной блок-схеме, показанной на фиг.6.
Блок 37 управления нагревателем для ускорения нагрева воды является более сложным, чем блок 36 управления водогрейным котлом, и содержит:
- блок 40 планирования, выполненный с возможностью вычисления требуемой температуры TBoost_d воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды на основе температуры Tdel_des=Tout_d воды,
- два ПИД-регулятора, которые упоминаются в дальнейшем как «ПИД-регулятор 41 для включения регулировки потока» и «ПИД-регулятор 42 для выключения регулировки потока», предназначенные для попеременного включения/ выключения в зависимости от наличия или отсутствия потока воды с целью компенсации различного поведения системы в двух режимах функционирования (с потоком воды или без него), и
- компонент 43 положительной обратной связи (kFFW),
каждый из которых действует согласованно для питания блока 38 управления электропитанием в связи с потребностями в электрической мощности PW-R3 для сопротивления R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды.
На основании измеренной температуры TBoost_m воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды и требуемой температуры TBoost_d воды, рассчитанной блоком 40 планирования, затем вычисляется отклонение температуры воды eTbooster=Tbooster_d-Tbooster_m, чтобы получить один из вкладов в потребность в электрической мощности PW-R3 для сопротивления R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды в соответствии с пропорциональным, производным и интегральным членами.
В варианте осуществления, в котором не предусмотрен второй датчик 34 температуры для измерения температуры TBoost_m воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды, это может быть оценено на основе температуры Tout_m воды, измеренной в выпускном отверстии 4 для горячей воды водонагревателя 1.
Другим вкладом в потребность в электрической мощности PW-R3 для сопротивления R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды является компонент 43 положительной обратной связи (KFFW), который действует как коэффициент пропорциональности на этапе температуры воды от температуры воды в водогрейном котле 20 до температуры воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды.
Для нагревателя 21 для ускорения нагрева воды, как и для водогрейного котла 20, управление электрической мощностью PwBooster_r, запрошенной для сопротивления R3, осуществляется блоком 38 управления электропитанием, который на основе всех потребностей в электрической мощности определяет, какие элементы необходимо включить, а какие нет.
2.1. Блок планирования
Блок 40 планирования действует так, как показано на функциональной блок-схеме, показанной на фиг.7, в то время как назначение входных переменных блока 40 планирования и входных переменных, которые описаны на последующих чертежах, представлено в таблицах 3 и 4 в конце этого описания.
Блок 40 планирования выполнен с возможностью вычисления изменения во времени требуемой температуры TBoost_d воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды. Основываясь на времени физического реагирования системы, инерции сопротивлений и задействованных масс, блок 40 планирования выполняется с возможностью прогнозирования действий, которые необходимо предпринять для требуемой температуры TBoost_d воды, чтобы попытаться компенсировать внутреннюю задержку тепловой системы. Таким образом, водонагреватель 1 может управлять внезапными изменениями требуемой температуры Tout_d воды в точке 4 выдачи на основе принципа предварительной подготовки водонагревателя 1 для последующей стадии.
Например, для приготовления смешанного напитка, такого как капучино, если нагреватель 21 для ускорения нагрева воды не нагревается во время розлива с дозированием молока, кофе будет холодным, так как нагревателю 21 для ускорения нагрева воды требуется много времени, чтобы нагреть воду в нем во время стадии потока. Аналогичным образом, для приготовления мокачино, чтобы переключать розлив с дозированием с кофе на шоколад, водонагреватель 1 должен быть подготовлен к раннему охлаждению до окончания розлива с дозированием кофе.
Блок 40 планирования реагирует в ответ на выбор напитка сначала на этапе приготовления, а затем на этапе розлива с дозированием кофе. В частности, как показано на фиг.7, блок 40 планирования может быть схематизирован как сумма следующих трех вкладов, которые описаны по отдельности более подробно ниже:
- блок 44 ПИД-регулятора разности температур: вклад температуры, вычисленный в этом блоке, представляет собой разность температур, необходимую для нагрева системы ниже по потоку от водогрейного котла 20,
- блок 45 прогнозирования: вклад температуры, вычисленный в этом блоке, представляет собой изменение во времени, которому должна следовать требуемая температура TBoost_d воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды, этот выбор необходим в смешанных напитках для ускорения изменений температуры между дополнительными напитками различных типов, например, между молоком и кофе или кофе и шоколадом, и
- стадия 46: в зависимости от стадии приготовления или розлива с дозированием напитка предусмотрены стадии предварительного нагрева и предварительного охлаждения, чтобы спрогнозировать задержки, присущие тепловой системе.
2.1.1. Блок ПИД-регулятора разности температур (Delta Temp)
Вклад 44 температуры блока ПИД-регулятора разности температур вычисляется только один раз в начале стадии приготовления каждого дополнительного напитка. Таким образом, если напиток содержит три дополнительных напитка, этот вклад температуры рассчитывается три раза. Этот вклад температуры представляет собой требуемую температуру TBoost_d воды в нагревателе 21 для ускорения нагрева воды, чтобы иметь требуемую температуру Tout_d в точке 4 выдачи. В частности, этот вклад температуры представляет собой разность температур, необходимую для нагрева системы ниже по потоку от водогрейного котла 20, между нагревателем 21 для ускорения нагрева воды и выпускным отверстием 18 для смешанной воды из смесителя 14 воды. Этот вклад рассчитывается на основе следующей формулы:
OutПИД=ACT_PHASE.Tout_d - ParTar.th_soglia_pid - Tout_a)* KpOut
где:
- ACT_PHASE.Tout_d: элемент структуры ACT_PHASE, который соответствует требуемой температуре в точке выдачи напитка при приготовлении и розливе с дозированием;
- ParTar.th_soglia_pid: элемент структуры ParTar: это константа, позволяющая установить температуру, при которой делается нулевой вклад;
- Tout_a: температура воды измеряется датчиком температуры воды в точке выдачи.
- KpOut: пропорциональный коэффициент ПИД;
- OutПИД: вклад температуры от ПИД Delta Temp 44.
Этот вклад температуры является очень переменным в зависимости от начальной температуры системы, то есть от температуры воды, измеренной, когда система является холодной и далека от требуемой температуры воды в точке подачи. Этот вклад температуры важен для ускорения нагрева системы ниже по потоку от нагревателя, в то время как, когда система уже горячая, этот вклад принимает почти нулевые, если не отрицательные значения для противодействия инерции повышению температуры воды.
2.1.2. Блок прогнозирования
Спрогнозированный вклад температуры блока 45 прогнозирования представляет собой требуемую температуру данного дополнительного напитка во время его выдачи. Этот вклад температуры необходим в удвоенных по объему напитках, чтобы учесть следующий напиток и спрогнозировать нагрев или охлаждение. Этот вклад температуры вычисляется так, как определено следующим функциональным кодом:
Если напиток является одиночным, то есть (Single == true)
- Во время окончательной части стадии розлива с дозированием
(cdv > ACT_PHASE.cdv* ParTar.p4_cdv_ero),
или когда стадия розлива с дозированием уже закончилась
- OutPr=Text_d; // отслеживает температуру водогрейного котла
- в противном случае
- OutPr=ACT_PHASE.Tout_d // отслеживает температуру текущего напитка
Если напиток является смешанным напитком
- После первой части стадии розлива с дозированием, если следующая температура выше, то есть когда (cdv > ACT_PHASE.cdv * ParTar.p3_cdv_ero && ACT_PHASE.Tout_d < NEXT_PHASE.Tout_d)
- outPr=NEXT_PHASE.Tout_d; // начинается нагрев до окончания текущего розлива с дозированием
- После второй части стадии розлива с дозированием, если следующая температура ниже, то есть когда (cdv > ACT_PHASE.cdv * ParTar.p4_cdv_ero && ACT_PHASE.Tout_d > NEXT_PHASE.Tout_d)
- outPr=NEXT_PHASE.Tout_d; // начинается охлаждение до окончания текущего розлива с дозированием
- в противном случае
- outPr=ACT_PHASE.Tout_d; // отслеживает температуру напитка
где:
- ACT_PHASE.Tout_d: элемент структуры ACT_PHASE, который соответствует требуемой температуре в точке выдачи напитка во время приготовления или розлива с дозированием;
- NEXT_PHASE.Tout_d: элемент структуры NEXT_PHASE, который соответствует требуемой температуре в точке выдачи напитка после его приготовления или розлива с дозированием;
- ParTar.p3_cdv_ero: элемент структуры ParTar, представляющий собой его процентное значение, используемое для вычисления характеристической точки, называемой p3 (представлен на фиг.5 5 и подробно описан в пункте 2.1.3);
- ParTar.p4_cdv_ero: элемент структуры ParTar, представляющий собой его процентное значение, используемое для вычисления характеристической точки, называемой p4 (представлен и подробно описан в пункте 2.1.3);
- cdv: импульсы волюметрического счетчика, измерение дозируемого потока
- Одиночный: описательная характеристика напитка, если одиночный, то это «ИСТИНА», в противном случае «ЛОЖЬ».
- Text_d: требуемая температура воды в водогрейном котле 20.
- OutPr: вклад температуры из блока 45 прогнозирования.
2.1.3. Стадия
Вклад 46 фазовой температуры представляет собой сущность блока 40 планирования, так как путем приготовления или розлива с дозированием напитка можно изменить поведение водонагревателя, заставляя его следовать за непостоянным повышением температуры с течением времени.
Вклад температуры делится для каждого дополнительного напитка на пять периодов:
- два периода на стадии приготовления;
- два периода на стадии розлива с дозированием;
- промежуточный период между этапами приготовления и розлива с дозированием.
Для каждого периода вклад температуры зависит от некоторых констант, определенных во время стадии калибровки (элементы структуры ParTar в таблице 3), эти вклады являются специфическими для каждого дополнительного напитка.
Для каждой отдельной выдачи дополнительного напитка пять периодов определяются следующим образом, как также схематично показано на фиг.13, где показано изменение во времени Tboost_d:
- Период 1: приготовление: от выбора напитка до t1 (теоретическое время приготовления *%1)
- Период 2: приготовление: от t1 до t2 (теоретическое время приготовления *%2)
- Период 3: промежуточный: от t2 до p3 (теоретический объем (ожидаемый cdv) *%3)
- Период 4: дозирование: от p3 до p4 (теоретический объем (ожидаемый cdv) *%4)
- Период 5: дозирование: от p4 до конца стадии розлива с дозированием.
В смешанных напитках разные выдачи чередуются с периодами приготовления, поэтому диаграмма, показанная на фиг.13, повторяется столько раз, сколько существует типов состава напитка. Этот вклад температуры вычисляется так, как определено следующим функциональным кодом:
- На первом этапе приготовления, когда (t_selection < ACT_PHASE.delay*ParTar.p1_t_pre)
◦ outPhase=ParTar.th1_c
- На втором этапе приготовления, когда (t_selection < ACT_PHASE.delay*ParTar.p2_t_pre)
◦ outPhase=ParTar.th2_c
- На первом этапе розлива с дозированием, когда (cdv < ACT_PHASE.cdv*ParTar.p3_cdv_ero), и розлив с дозированием еще не завершен
◦ outPhase=ParTar.th3_c
- На втором этапе розлива с дозированием, когда (cdv < ACT_PHASE.cdv* ParTar.p4_cdv_ero)
◦ outPhase=ParTar.th4_c
- В конце стадии розлива с дозированием
◦ outPhase=0
где:
- t_selection: измерение времени между текущим временем и началом приготовления дополнительного напитка;
- cdv: импульсы волюметрического счетчика, измерение потока при розливе с дозированием;
- ACT_PHASE.delay_d: элемент структуры ACT_PHASE (справочная таблица 4), который соответствует теоретическому времени приготовления дополнительного напитка;
- ACT_PHASE.cdv: элемент структуры ACT_PHASE (смотри таблицу 4), который соответствует общему значению импульсов волюметрического счетчика, установленному во время калибровки для этого дополнительного напитка;
- ParTar.p1_t_pre: элемент структуры ParTar (справочная таблица 4), представляющий собой процентное значение, используемое для расчета первой стадии приготовления, называемой t1;
- ParTar.th1_c: элемент структуры ParTar (справочная таблица 4), представляющий собой разность температур;
- ParTar.p2_t_pre: элемент структуры ParTar (справочная таблица 4), представляющий собой процентное значение, используемое для расчета второй стадии приготовления, называемой t2;
- ParTar.th2_c: элемент структуры ParTar (таблица 4), представляющий собой разность (дельту) температур;
- ParTar.p3_cdv_ero: элемент структуры ParTar (справочная таблица 4), в которой представлены процентные значения, используемые для расчета первой стадии розлива с дозированием, называемой p3;
- ParTar.th3_c: элемент структуры ParTar (справочная таблица 4), представляющий собой разность температур;
- ParTar.p4_cdv_ero: элемент структуры ParTar (справочная таблица 4), представляющий собой процентное значение, используемое для расчета второй стадии розлива с дозированием, называемой p4;
- ParTar.th4_c: элемент структуры ParTar (справочная таблица 4), представляющий собой разность температур;
- OutPhase: вклад температуры на выходе блока «Стадия».
3. Блок управления электропитанием
Блок 38 управления электропитанием выполнен с возможностью управления следующими тремя характеристиками:
1) максимальная электрическая мощность: максимальная электрическая мощность, которая может быть подана системой, является разной, в частности, меньше суммы электрической мощности, передаваемой всеми электрическими сопротивлениями при одновременном включении
2) контроль скачков мощности: включение/выключение электрических сопротивлений должно быть под контролем, как указано в IEC-61000-3-3.
3) электрические сопротивления имеют фиксированную электрическую мощность.
Блок 38 управления электропитанием, блок-схема которого показана на фиг.8, имеет своей целью определить, может ли быть реализована электрическая мощность, требуемая для управления, в соответствии со спецификацией, или ее необходимо регулировать и чередовать между различными электрическими сопротивлениями.
Сопротивление R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды имеет приоритет над двумя сопротивлениями R1 и R2 водогрейного котла 20, и когда все три сопротивления R1, R2 и R3 должны быть включены, два сопротивления R1 и R2 водогрейного котла 20 включаются поочередно.
Для управления колебаниями мощности предусмотрен блок 38 управления электропитанием, который предназначен для того, чтобы электрическая мощность никогда не изменялась в пределах, превышающих определенную пороговую мощность.
Внедрена также система регенерации недоставленной энергии. Например, если электрическое сопротивление способно потреблять электрическую мощность 1000 Вт, если требуется трехкратная подача 400 Вт, то при третьем запросе сопротивление включается, обеспечивая 1000 Вт.
Решения, которые принимает блок 38 управления электропитанием, могут быть подразделены на концептуальном уровне на три уровня, как показано на блок-схеме, показанной на фиг.9:
- Уровень 1 47: переход от идеальных требуемых значений электрической мощности к реальным значениям электрической мощности, достигаемым электрическим сопротивлением (спецификация 3),
- Уровень 2 48: регулировка включения и выключения электрических сопротивлений в соответствии с заданными приоритетами, так как максимальная электрическая мощность, которая может быть подана, не соответствует сумме электрических мощностей, подаваемых тремя сопротивлениями (спецификация 1),
- Уровень 3 49: контроль времени включения и выключения электрических сопротивлений во избежание скачков электрической мощности выше определенного порогового значения электрической мощности (спецификация 2).
3.1. Уровень 1
Уровень 1 47 используется для разделения потребности в электрической мощности PwRboiler_r на PwR_Low_1 и PwR_High_1 для двух сопротивлений R1 и R2 водогрейного котла 20 в соответствии со схемой, показанной на фиг.10. Вычисленная таким образом потребность в электрической мощности PwR_High_1 более высокого сопротивления (PwR_High_1) фильтруется через функцию двойного порога (реле (Relay)). Отклонение мощности, потребляемой более высоким сопротивлением, восстанавливается путем прибавления ее к потребности в электрической мощности PwR_Low_1 более низкого сопротивления перед прохождением через реле 1.
Блок управления сопротивлением R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды использует способ, который отличается от способа использования сопротивлений R1 и R2 водогрейного котла 20: рабочий цикл ШИМ, используемой для управления электрическим сопротивлением (установлен на частоте 1,5 Гц), рассчитывается на основе потребности в электрической мощности. Для рекуперации недоставленной электрической мощности интеграл от отклонения электрической мощности, поданной на предыдущем этапе, прибавляется к электрической мощности, требуемой в этот момент. Значения скважности фиксируются на трех постоянных значениях, чтобы не увеличивать риск скачка мощности, как определено следующим функциональным кодом:
- Если требуемая электрическая мощность составляет менее одной трети от максимальной мощности (PBooster_d< PboilerMax/3):
◦ duty_cycle=0;
- Если требуемая электрическая мощность составляет от одной трети до двух третей максимальной мощности:
◦ duty_cycle=0.5;
- В противном случае:
◦ duty_cycle=0;
3.2. Уровень 2
Уровень 2 48 имеет целью регулировку подаваемой электрической мощности в соответствии со схемой, показанной на фиг.11, так как максимальная электрическая мощность не соответствует сумме электрических мощностей, вырабатываемых тремя сопротивлениями R1, R2 и R3. Чтобы определить, какое сопротивление имеет приоритет для включения по сравнению с другим, используется правило, описанное следующим функциональным кодом (функция приоритета). Наивысший приоритет отдается сопротивлению R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды в том случае, если в период запуска торгового автомата, в котором сопротивление R3 нагревателя 21 для ускорения нагрева воды не включено, водогрейный котел 20 не достигнет (почти) требуемой температуры.
- Если сумма трех требуемых электрических мощностей превышает максимальную выходную электрическую мощность (PwR_Low_1+ PwR_High_1+PwR_booster_1) > PboilerMax
◦ включение двух сопротивлений водогрейного котла чередуется, следуя уровню прямоугольного сигнала, генерируемого «Генератором 1 импульсов» и подаваемого в блок:
▪ PwR_High_2=PulseGenerator*PwR_High_1;
▪ PwR_Low_2 = (1-PulseGenerator)*PwR_Low_1;
- В противном случае обе электрические мощности электрических сопротивлений водогрейного котла могут продолжать принимать значение электрической мощности, рассчитанное на «уровне I»:
▪ PwR_High_2=PwR_High_1;
▪ PwR_Low_2=PwR_Low_1;
Прямоугольный сигнал, генерируемый блоком «Генератором 1 импульсов», имеет следующие характеристики: амплитуда 1, период 4 сек, из которых в течении 1 сек импульсы имеют высокий уровень, и в течении 3 сек импульсы имеют низкий уровень.
3.3. Уровень 3
Уровень 3 49 направлен на то, чтобы избежать скачков электрической мощности выше определенного порогового значения электрической мощности путем управления разницей по мощности «DeltaP», которую система должна выполнять в соответствии со схемой, показанной на фиг.12, и с помощью критерия, изложенного в следующем функциональном коде (функция подавления колебаний мощности):
DeltaP
function [PwR_Low_3,PwR_High_3] = fcn(DeltaPTot, PwR_Low_2,PwR_High_2)
PLow=1000;% Вт
PHigh=1100;% Вт
PBoost=1000;% Вт
%, если три сопротивления должны быть запитаны вместе, нагреватель для ускорения нагрева воды имеет наивысший приоритет
%, таким образом, это сопротивление запитано, в то время как два других сопротивления котла запитываются почередно
if(abs(DeltaPTot)> max(PLow, PHigh, PBoost)) % подача или отключение питания для двух или более сопротивлений одновременно
if ((PwR_Low_2+ PwR_High_2)==(PLow +PHigh)) % если они принадлежат к котлу
PwR_High_3=0; % высокое снижается
PwR_Low_3=PwR_Low_2; % низкое повышается
else % если нагреватель для ускорения нагрева воды также хочет включиться, он имеет приоритет
PwR_High_3=0; % оба снижаются
PwR_Low_3=0; % сопротивления котла
end
else% если включено только одно сопротивление, значение не изменяется
PwR_High_3=PwR_High_2;
PwR_Low_3=PwR_Low_2;
End.
Таблица 1
Название
Описание
<b>TCW</b>
Измеренная температура холодной воды
<b>VolConter</b>
Объемный расходомер
<b>Выбор</b>
Численный идентификатор выбора (между одним выбором и следующим: -1).Используется только для определения пауз
<b>FlowOn</b>
Включение/выключение потока
<b>Text_d</b>
Требуемая температура
<b>Text_a</b>
Измеренная температура воды в водогрейном котле
<b>Tboost_a</b>
Измеренная температура воды в нагревателе для ускорения нагрева воды
<b>Tout_a</b>
Измеренная температура воды в точке выдачи
<b>CVP</b>
Измеренные импульсы волюметрического расходомераизмеритель объемного расхода
<b>KpOut</b>
Kp, блок планирования ПИД-регулятора
<b>KdOut</b>
Kd, блок планирования ПИД-регулятора
<b>KpFON</b>
Kp, ПИД-регулятора потока включен
<b>KdFON</b>
Kd, ПИД-регулятора потока включен
<b>kpFOFF</b>
Kp, ПИД-регулятора потока выключен
<b>KdFOFF</b>
Kd, ПИД-регулятора потока выключен
<b>pkFFW</b>
Kp FF
Таблица 2
Название
Описание
<b>Plow</b>
Более низкое сопротивление водонагревателя
<b>Phigh</b>
Более высокое сопротивление водонагревателя
<b>Pboost</b>
Добавочное сопротивление
<b>ev_p</b>
Байпас
<b>вер</b>
Номер версии (соответствующий дате и времени последнего изменения)
<b>Tboost_dc</b>
Вычисленная требуемая температура воды в нагревателе для ускорения нагрева воды
<b>Pboost_FFW</b>
Вклад электрической мощности FFW
Таблица 3
Структура
Название
Описание
<b>Одиночный</b>
(Boolean) = TRUE, если розлив с дозированием в процессе выполнения или в процессе приготовления принадлежит к одиночному напитку, то есть текущая выдача является только выдачей напитка
<b>ACT_PHASE</b>
<b>ACT_PHASE.Tout_d</b>
Желаемая температура в «точке выдачи» напитка на стадии приготовления или розлива с дозированием
<b>ACT_PHASE.cdv</b>
Ожидаемые импульсы волюметрического расходомера во время розлива с дозированием или приготовления
<b>ACT_PHASE.delay</b>
Расчетное время приготовления перед выдачей
<b>NEXT_PHASE</b>
<b>NEXT_PHASE.Tout_d</b>
Желаемая температура в точке выдачи напитка во время выдачи после выполнения процесса или приготовления
<b>NEXT_PHASE.cdv</b>
Ожидаемые импульсы волюметрического расходомера для выдачи после выполнения процесса или приготовления
<b>NEXT_PHASE.delay</b>
Расчетное время приготовления после выполнения процесса или приготовления
<b>ParTar</b>
<b>th_soglia_pid</b>
Смещение, влияет на расчет желаемой температуры воды в нагревателе для ускорения нагрева воды
<b>p1_t_pre</b>
Процентное значение используется для вычисления t1
<b>th1_c</b>
Разность температур используется в течение периода от начала выбора до t1
<b>p2_t_pre</b>
Процентное значение используется для вычисления t2
<b>th2_c</b>
Разность температур используется в течение периода от t1 до t2.
<b>p3_cdv_ero</b>
Процентное значение используется для вычисления p3
<b>th3_c</b>
Разность температур используется в течение периода от t2 стадии приготовления до p3 стадии выдачи.
<b>p4_cdv_ero</b>
Процентное значение используется для вычисления p4
<b>th4_c</b>
Разность температур используется в течение периода от p3 до p4 стадии розлива с дозированием
Таблица 4
Название
Описание
<b>Single</b>
(Boolean) = TRUE, если розлив с дозированием в процессе выполнения или в процессе приготовления принадлежит к одиночному напитку, то есть текущая выдача является только выдачей напитка.
<b>Toud_d_a</b>
Желаемая температура в «точке выдачи» напитка вовремя розлива с дозированием или приготовления
<b>cdv_p_a</b>
Ожидаемые импульсы волюметрического расходомера во время розлива с дозированием или приготовления
<b>delay_a</b>
Расчетное время приготовления перед выдачей
<b>Toud_d_s</b>
Желаемая температура в «точке выдачи» напитка во время выдачи после выполнения процесса или приготовления
<b>cdv_p_s</b>
Импульсы волюметрического счетчика, ожидаемые для выдачи после выполнения процесса или приготовления
<b>delay_s</b>
Расчетное время приготовления после выполнения процесса или приготовления
<b>th_soglia_pid</b>
Смещение, влияет на расчет желаемой температуры воды в нагревателе для ускорения нагрева воды. Используется для определения начальной точки системы, будь то в горячем или холодном состоянии. Offset_in = (Tout_d - th_ПИД - Tout_a) * KpOut
<b>p1_t_pre</b>
Процентное значение используется для вычисления t1
<b>th1_c</b>
Разность температур прибавляется к Tboost_m и к Offset_in в течение периода от начала выбора до t1.
<b>Tbooster_d=Tboost_m+th1_c+Offset_in;</b>
<b>p2_t_pre</b>
Процентное значение используется для вычисления t2
<b>th2_c</b>
Разность температур прибавляется к Tboost_m и Offset_in в течение периода от t1 до t2
<b>Tbooster_d=Tboost_m+th2_c+Offset_in;</b>
<b>p3_cdv_ero</b>
Процентное значение используется для вычисления p3
<b>th3_c</b>
Разность температур прибавляется к Tboost_m и Offset_in в течение периода от t2 стадии приготовления до p3 стадии выдачи
<b>Tbooster_d=Tboost_m+th3_c+Offset_in</b>
<b>p4_cdv_ero</b>
Процентное значение используется для вычисления p4
<b>th4_c</b>
Разность температур прибавляется к Tboost_m и к Offset_in в течение периода от p3 до p4 стадии выдачи.
<b>Tbooster_d=Tboost_m+th4_c+Offset_in</b>