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手动升级一款不靠软件与电子控制的“智能”装置

时间:2018-12-07 作者:Bill Schweber, EE Times/EDN/Planet Analog 阅读:
圆形的Honeywell T-86恒温器是在1953年问世,这款产品完全不靠软件与电子来控制,超过半世纪以来已经在全球市场出货上百万个,而且很多都还在使用中...

笔者最近帮某人升级了用Honeywell T-86圆形恒温器控制的暖气系统,换了一个更新、更聪明的装置;这次的升级事实上是好几个等级的跃进,因为旧有的恒温器至少已经存在了30年,搞不好有40或50年。

根据从网络上搜寻的相关数据,Honeywell T-86恒温器是在1953年问世;我不能确定该装置是何时正式停产,但应该是没多久以前。这款恒温器在全球销售了上百万个,其中有很多仍在使用中;因为其基本设计是如此深植人心,Honeywell为喜欢这种简洁设计的使用者提供了外观几乎相同的替代产品,内建的锂电池续航力号称可达10~20年。

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Honeywell T-86闻名市场的圆形恒温器,因为外观与工程设计优雅简洁,自从1953年问世以来已经出货了数百万个,有许多仍在使用中。(来源:Cooper Hewitt Smithsonian Design Museum)

这款恒温器的目标就是简单与可靠:在两条导线──其中一条是「热」(hot)、通常是24VAC,另一条是「一般」(common)──之间提供开关闭合(switch closure),在环境感测到的温度低于阈值设定点时要求加热,在温度高于设定点时则将导线分开。有趣的是,该装置不需要使用任何电子或电气动力,而是采用螺旋状双金属带(spiraled bimetallic strip),随着温度增加或下降而卷曲或伸展,长度也随着拉长或缩短。

在卷曲金属条末端有一个密封玻璃小瓶(即安瓿- ampule),有两条导线穿过玻璃瓶、瓶内则有少许水银;当金属带卷曲/伸展,以及瓶子的方向改变时,水银会形成两条导线之间的电气链接或是断开。此装置的运作原理以及设计带来了可靠度,在其应用领域长时间的表现也证实了这一点;双金属带的微幅卷曲不会导致长时间的金属疲劳,电气触点因为是密封于玻璃瓶中,也不会有锈蚀的问题(但是没错,如果安瓿破裂导致水银外泄就会是个问题)。

不过这种高效率温度控制解决方案的设计者也面临所有开关式(on-off;或称为「双位- two-position」、「bang-bang」)、非比例控制系统的问题:在设定点周遭准确带(accuracy band)以及开关循环率(cycling rate)之间的权衡。

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简单的开关控制系统之挑战,是设定点周遭的颤振(chattering)现象;因为系统会以相当高的频率打开/关闭驱动力,这大部分是以相对于该力道的负载「质量」(mass)为变化因素。(来源:Control System DEM5B)

在设定点周遭更快的开关循环带来准确度,但频率循环(颤振)问题十分恼人,会造成暖气系统零件(如风扇、风箱、点火器、电热器、开关、继电器等等)的过度磨损。循环率随着暖气系统输出功率以及类型(热风、电热或是热水式散热器)变化,还有房屋的热质量(thermal mass)与关联的热时间常数(thermal time constant);这些全都是在恒温器领域以外的因素。

解决这种知名问题的第一步,是为回路添加一点迟滞作用(hysteresis);透过这种方式,恒温器会有由开启与关闭阈值定义的死区(deadband),通常设置在1度左右。不过会有一个问题:你如何精确地在非电子装置上设置这个?没有软件、没有模拟运算放大器(要在运算放大器上加入迟滞是非常简单的)、也没有其他电子组件;事实上这是一个全机械系统,以一条24 VAC线路开关。

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标准的解决方案众所周知:在设定点附近添加一些迟滞作用,但是得付出较广错误带的代价。(来源:Fuji Electric France S.A.S.)

而Honeywell布置的解决方案既简单又巧妙,这种方法也被运用于其他控制装置,但从未用在长寿命、低成本的大众市场产品──他们加入了一个预测器(anticipator;在1924年首度被应用于温度控制装置),也就是一个迷你的加热器、能为恒温器加温来「骗」装置,让恒温器以为温度比实际上高。这会让恒温器把暖气系统在室温实际达到设定点之前「一点点」,就先把系统关闭,以避免过度加热。

该加热器是缠绕在绝缘体上的镍铬合金(nichrome)线,藉由系统导线的24 VAC自供电(是一种能量采集方法),因位置固定所以能为双金属带加热。

 

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恒温器内的预测器是微小的加热线圈,能在环境温度没那么高的时候「骗」双金属带已经达到。(来源:Inspectapedia)

这种架构有两个挑战:首先标称24 VAC系统通常功率没那么高,只有15或12 VAC;因此加热器的输出也会降低。其次暖气系统的上升/下降时间取决于其类型,热水式的温度质量最大、能传递「动能」,而热风式其次、电热式最小。

要克服这些问题,在预测加热器的镍铬合金在线有一个可调整的滑条,能控制通过加热器的电流量──电阻较小的时候电流就越大、发热也更大,依据著名的公式P = I2。 Honeywell也提供了参考设定值(如下表),也就是预测器电流值(安培)。

 

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就算最简单的预测器也需要调整,以搭配热源的温度上升时间;表内的数值是T-86恒温器的建议初始设定。(来源:HVAC School)

虽然预测器缺少现代软件控制暖气系统的灵活度,后者加入了定时还有其他许多编程选项,这种方法还是相当有效、便宜又可靠。当然,这种加热装置为系统添加了复杂度,也降低了长期可靠性,但就算它扮演预测器的功能失效了,系统还是能在一般的开路故障(open-failure)模式下运作,这比恒温器被锁定在全开或全关模式下的故障要好得多。

而尽管微控制器(MCU)组件方便可得,你知道什么其他能解决某个问题的简单、非软件方法吗?对于项目开发团队以及营销人员来说,像这样的方案会「很难卖」吗?或者是人们其实坦承这类解决方案实际上是最有效的?欢迎分享你的看法!

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN美国版;参考原文:Dumb thermostat provides power smarts without software,by Bill Schweber;本文作者为资深EE人,撰写过三本教科书、数以百计的技术文章与评论;编译:Judith Cheng)

 

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