CN110998475A - 热饮自动售卖机中双级水加热器的电子控制 - Google Patents

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Abstract

由双级水加热器输送的水的温度控制，双级水加热器包括具有作为第一级的第一加热器的外部烧水器和具有作为第二级的第二加热器的内部管道(水增压器)。一种基于烧水器中测量的水温并控制第一加热器的控制回路。第二回路基于出口处的温度误差(测量的出口水温和参考出口水温之间的差)计算参考增压器水温，并基于参考增压器水温和测量的增压器水温之间的误差控制第二加热器。参考出口水温取决于饮料的类型(例如浓缩咖啡、卡布奇诺)，并且包括不同子饮料(例如咖啡、牛奶)的不同温度的温度曲线。考虑物理响应时间、加热器惯性，并预测热水出口处参考水温的突然变化。

Description

热饮自动售卖机中双级水加热器的电子控制
技术领域
本发明总体涉及热饮自动售卖机，并且尤其涉及用于诸如基于咖啡的饮料(例如，浓缩咖啡(ES)、速溶咖啡(INST)和/或新鲜冲泡咖啡(FB))的热饮自动售卖机的双级水加热器的电子控制。
背景技术
已知热饮自动售卖机配备有单级水加热器，即，配备有放置在水箱内、通常是电阻型的单个水箱和单个水加热器，或者配备有双加热级水加热器，即，两个串联的水箱(一个布置在另一个内部)和与两个水箱相关联的两个水加热器。
在DE 3218442或US 2004/0079749中描述了一种双级水加热器的示例。在这些示例中，水加热器包括主水箱和较小的副水箱，主水箱设置有可运行以将水加热并保持在第一预定备用温度的第一加热器，副水箱布置在主水箱内部，与主水箱绝热，并设置有可运行以将水加热并保持在高于第一温度的第二预定备用温度的第二加热器。
CH 367610中描述了一种用于热饮自动售卖机的双级水加热器的另一示例，其中第二水加热器仅在产生蒸汽时才运行。在该示例中，提供了阀，该阀响应于副水箱中的压力增加，中断两个水箱之间的流体连通，使得仅包含在副水箱中的水量转变为蒸汽。
在以上示例中，两个水加热器都是储存型的，即，给定量的水被储存在水箱中并被加热且保持在期望温度下，并且当需要水加热器分配给定量的热水以制备饮料时，抽出的水被新鲜水补充，然后加热水箱中的水并被恢复到期望温度。
申请人已经发现上述文件中描述的单级或双级储存型水加热器具有许多缺点，其中主要的缺点有：
i)相对高的备用温度，以至于直接或由于产生的压力而排除使用塑料来建造水箱，水箱通常由金属材料制成，优选地为钢；
ii)热效率低，这是由于相对高的备用温度和用于建造水箱的金属材料导致的向外部的高热量散失的结果；
iii)使用灵活性小，因为即使通过调节电阻，也不可能在相对短的时间内改变水箱中包含的所有水的温度；因此，能够在不同温度下分配不同热饮的自动售卖机通常必须配备有多个水加热器，优选地与分配的饮料类型一样多的加热器。
在以申请人的名义的WO 2014/027310 A1中描述了一种能够克服上述缺点的用于热饮自动售卖机的双级水加热器，其中第一加热级是储水型的，而第二加热级是连续流动型的，即当饮料被选择时(即仅当抽取水以满足制备饮料所需的水需求时)，水在流经第二加热级的同时被加热到期望温度。
发明内容
本发明的目的是提供一种电子控制系统，该系统是在WO 2014/027310 A1中描述的类型的双级水加热器，并且能够有效地、准确地以及可靠地控制由双级水加热器提供的水的温度。
根据本发明，如所附权利要求中所要求的，提供了一种用于热饮自动售卖机中的双级水加热器的电子控制系统，和设置有这种电子控制系统的双级水加热器。
附图说明
图1示意性地示出了热饮自动售卖机中的双级水加热器和相关的液压回路。
图2示意性地示出了双级水加热器的结构和双级水加热器的电子控制系统的框图。
图3示出了双级水加热器的控制的流程图。
图4示出了双级水加热器的控制的高级功能框图。
图5示出了双级水加热器中的烧水器的控制的功能框图。
图6示出了双级水加热器中的水增压器的控制的功能框图。
图7示出了执行以控制水增压器的规划器的功能框图。
图8至图12示出了执行以控制双级水加热器的能量管理器的功能框图。
图13示出了双级水加热器的水增压器中期望温度的时间发展。
具体实施方式
在现将参考附图详细描述本发明，以使本领域技术人员能够制造和使用本发明。对所描述的实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是立刻清楚明白的，并且所描述的一般原理可以应用于其他实施例和应用，同时仍然在由所附权利要求限定的本发明的范围内。因此，本发明不应被认为局限于所描述和示出的实施例，而是根据所描述和要求保护的特征给出了更广泛的保护范围。
图1示意性地示出了用于热饮自动售卖机2(也被示意性地示出)的双级水加热器，并且水加热器整体用附图标记1表示。
水加热器1具有单个冷水入口3和单个热水出口4，冷水入口3流体连接到液压回路5，液压回路5被配置为向冷水入口3提供冷水(在室温下)，热水出口4流体连接到饮料生产单元(未示出)。
液压回路5包括水泵6，该水泵6具有通过合适的水过滤器7流体连接到冷水源(未示出)的进水口，以及通过压力控制阀8流体连接到水加热器1的冷水入口3的供应口，该压力控制阀8被校准，以便当水加热器1中的水压超过最大压力时，通过旁路支路9和T型接头10向水泵6的进水口再循环由水泵6输送的水。
在一个实施例中，液压回路5还合宜地被配置成执行两个附加功能，即将由水加热器1分配的热水和冷水混合以使由水加热器1分配的热水快速冷却，以及绕过水加热器1。具体地，为了实现这一点，液压回路5被配置成使供应到水加热器1的冷水可局部化的供应，一部分供应到冷水入口3并且一部分供应向热水出口4以将其与热水混合，如所述，当需要时，使得热水快速冷却，这将在下面更详细地描述。
为了实现这些附加功能，液压回路5包括T型接头11，该T型接头11具有可流体连接到压力控制阀8的I/O端口、通过第一电磁阀EV1 12流体连接到水加热器1的冷水入口3的I/O端口、以及通过第二电磁阀EV2 15和旁路支路16流体连接到水混合器14的冷水入口13的I/O端口。水混合器14还具有与水加热器1的热水出口4流体连接的热水入口17和混合水出口18。
在正常运行条件下，第一电磁阀EV1 12被控制为打开以使冷水被供应到水加热器1的冷水入口3。相反，第二电磁阀EV2 15由适当的脉宽调制(PWM)来控制以调节打开周期，并因此调节由水加热器1供应的水的冷却。
在替代实施例中，液压回路5被配置成仅执行向水加热器1的冷水入口3供应冷水的功能，而不执行将水加热器1分配的热水与冷水混合和绕过水加热器1的两个附加功能。
在一个实施例中，水加热器1合宜地是以申请人的名义在WO 2014/027310 A1中描述和示出的类型，其全部内容被认为并入本文中，并且水加热器1在图2中示意性示出。
具体地，下面将描述的仅限于理解本发明所需要的特征的水加热器1包括：
-储存型水加热器级，为简洁起见，在下文中称为烧水器(water boiler)20，和
-连续流动型水加热器级，为简洁起见，在下文中称为水增压器(water booster)21，其容纳在烧水器20中并流体串联到烧水器20。
烧水器20包括：
-外部水箱22，在外部水箱22中设置有水加热器1的冷水入口3和热水出口4，以及
-第一电加热器23，容纳在外部水箱22中，并可运行以加热外部水箱22中包含的水，并将水保持在第一温度范围内的温度下，例如在70℃和80℃之间，通常为75℃。
在图2所示的实施例中，水加热器1的冷水入口3合宜地设置在外部水箱22的底部，而水加热器1的热水出口4合宜地设置在外部水箱22的顶部。
水增压器21包括：
-内部主体24，容纳在外部水箱22中并限定水管25，水管25具有与外部水箱22的内部容积流体连通的进水口以接收包含在外部水箱22中的热水、和与水加热器1的热水出口4流体连接的出水口，以及
-第二电加热器26，与内部主体24相关联并且合宜地布置在内部主体24中，并且可运行用于将内部主体24中流动的水加热到包括在高于第一温度范围的第二温度范围内的温度，例如在75℃和110℃之间。
在图2所示的示例中，外部水箱22合宜地为具有纵轴的箱形主体的形式，并且由两个耦接的半壳形成，而内部主体24合宜地为大体上圆柱形管状主体的形式、与外部水箱22的纵轴同轴地布置在外部水箱22中。
在未示出的不同实施例中，外部水箱22可以为被盖子封闭的杯形主体形成的箱形主体的形式，而内部主体也可以仍然为大体上圆柱形管状主体的形式、但是横向于外部水箱22的纵轴布置在外部水箱22中。
在图2所示的实施例中，第一电加热器23合宜地包括第一电阻器27和第二电阻器28，这两个电阻器分别具有下文中称为R1和R2的电阻，它们是不同的和独立可控的，并且一个布置在烧水器20的下部，另一个布置在烧水器20的上部，为此，在下文中也称为烧水器的较低电阻和烧水器的较高电阻，同时第二电加热器26合宜地包括第三电阻器29，其具有下文中称为R3的电阻，并且也称为水增压器电阻。
在图2所示的实施例中，第一电阻器和第二电阻器27都螺旋缠绕在内部主体24上，而第三电阻器29是直线形的并且同轴安装到内部主体24的纵轴上并且基本上沿着内部主体的整个长度延伸。
水加热器1还包括电子控制系统30，该电子控制系统30包括：
-传感系统31，由外部水箱22承载，以测量水加热器1的特定区域中的水温并输出指示所测量的温度的电信号，以及
-电子控制单元32，电连接到传感系统31和第一电加热器23、第二电加热器26，并且被编程为从传感系统31接收电信号，并且以下面详细描述的方式基于接收到的电信号控制第一电加热器23和第二电加热器26。
在图2所示的实施例中，传感系统31包括：
-第一温度传感器33，被布置成测量烧水器20中的水温，下文中称为Text_m，
-第二温度传感器34，被布置成测量水增压器21中的水温，下文中称为Tbooster_m，以及
-第三温度传感器35，被布置在水加热器1的热水出口4处(下文中称为输送点)，以测量由水加热器1分配的热水的温度，下文中称为Tout_m。
合宜地，第一温度传感器33被布置成测量与水加热器1的冷水入口3相对的烧水器20的一端处的水温，在图2所示的示例中处于烧水器20的顶部，而第二温度传感器34被布置成测量与第一温度传感器33相对的水增压器21的一端处的水温，在图2所示的示例中处于水增压器22的底部，即在水增压器21的进水口。
在未示出的不同实施例中，传感系统31可以仅包括第一温度传感器33和第三温度传感器35，而不包括第二温度传感器34，以便仅测量烧水器20中的水温和水加热器1的热水出口4处的水温。
在未示出的另一实施例中，传感系统31可以仅包括第一温度传感器33和第二温度传感器34，而不包括第三温度传感器35，以便仅测量烧水器20和水增压器21中的水温。在该实施例中，第二温度传感器34可以合宜地布置在水增压器21的顶部，即，在水增压器21的出水口处，以便测量非常接近于热水出口4处水温的水温，从而指示热水出口4处的水温。
在图2所示的实施例中，电子控制单元32被编程为根据图3所示的明显的流程图中所示的逻辑控制方案来控制第一电加热器27和第二电加热器28。
控制的目的是控制烧水器20和水增压器21中的水温，使得它们尽可能接近以下两个参考温度：
-Text_d：烧水器20中的期望水温，通常为75℃；
-Tout_d：输送点4处的期望水温，该水温基于选择的饮料而变化，在示例中被认为在最小75℃与例如最大110℃之间。
电子控制单元32被编程为通过基于水加热器1整体以及第一电加热器27和第二电加热器28的数学模型、并且基于测量的水温Text_m、Tbooster_m以及Tout_m运行来实现这种规范。
电子控制单元32被编程为将测量的水温Text_m和Tout_m与参考水温Text_d和Tout_d进行比较，以便计算误差温度，基于该误差温度为三个电阻器27、28以及29产生控制信号，并且具体地：
R_Boiler_Low：烧水器20的较低电阻R1的电气控制信号，
R_Boiler_Hi：烧水器20的较高电阻R2的电气控制信号，
R_Booster：水增压器21的电阻R3的电气控制信号，以及
EV_bypass(t)：电磁阀EV2 15的电气控制信号。
在没有设置第三温度传感器35来测量水加热器1的热水出口4处的水温Tout_m的实施例中，水温Tout_m可以基于由合宜地布置在水增压器21的出水口处的第二温度传感器34测量的水增压器21中的测量水温TBoost_m来估计。
然而，参考水温Tbooster_d不是由操作员存储在电子控制单元32中或由更高的控制存储的期望值，而是由下面所述的规划器(planner)计算的值。
图4示出了由电子控制单元32执行的控制的功能框图。该控制本质上被分为三大块：
-烧水器控制36，
-水增压器控制37，以及
-能量管理器(energy manager)38，被设计成管理烧水器控制36和水增压器控制37的电功率需求。
图4中示出的块的输入和输出变量的含义分别如本说明书底部的表1和表2中示出。
1.烧水器控制
烧水器控制36如图5所示的功能框图所示运行。烧水器控制36本质上是基于单个PID(比例积分微分)控制器39，该控制器接收水温误差eText＝Text_d-Text_m，并为能量管理器38提供烧水器20的电阻R1和R2的电功率需求PwRboiler_r，并根据比例、微分以及积分项进行计算。
2.规划器和水增压器控制
水增压器控制37如图6所示的功能框图所示运行。
水增压器控制37比烧水器控制36更复杂，并且水增压器控制37是基于：
-规划器40，被设计成基于水温Tdel_des＝Tout_d来计算水增压器21中的期望水温TBoost_des，
-两个PID，在下文中被称为PID流动开(PID flow on)41和PID流动关(PID flowoff)42，被设计成基于水流的存在或不存在交替地干预，以补偿系统在两种功能模式(有水流或没有水流)下的不同行为，以及
-前馈分量(kFFW)43，
所有这些都将水增压器21的电阻R3的电功率需求PW-R3提供给能量管理器38。
基于水增压器21中测量的水温TBoost_m和由规划器40计算的期望水温TBoost_d，然后根据比例、微分以及积分项计算水温误差eTbooster＝Tbooster_d-Tbooster_m，以获得水增压器21的电阻R3对电功率需求PW-R3的贡献。
在没有设置第二温度传感器34来测量水增压器21中的水温TBoost_m的实施例中，水温TBoost_m可以基于水加热器1的热水出口4处测量的水温Tout_m来估计。
对水增压器21的电阻R3的电功率需求PW-R3的另一贡献是前馈分量(KFFW)43，前馈分量作为从烧水器20中的水温到水增压器21中的水温的水温阶跃(water temperaturestep)的比例因子。
同样，对于水增压器21，如同对于烧水器20，电阻R3所请求的电功率PwBooster_r由能量管理器38管理，能量管理器38基于所有电功率需求来确定哪些需要通电，哪些不需要通电。
2.1规划器
规划器40如图7所示的功能框图所示运行，而规划器40的输入变量和下一附图中描述的那些变量的含义在本说明书底部的表3和表4中示出。
规划器40被设计成计算水增压器21中期望水温TBoost_d的时间发展。基于系统的物理响应时间、电阻的惯性以及所涉及的质量，规划器40被设计成预测为了试图消除固有热系统延迟而在期望水温TBoost_d上将要采取的动作。以此方式，水加热器1可以基于为下一阶段预先准备水加热器1的原理来管理输送点4处期望水温Tout_d的突然变化。
例如，对于诸如卡布奇诺的混合饮料的制备，如果水增压器21在牛奶分配期间没有预热，那么咖啡将是凉的，因为水增压器21在流动阶段需要很长时间来加热其中的水。同样地，对于摩卡的制备，从咖啡切换到巧克力分配，水加热器1必须在咖啡分配结束之前为早期冷却做好准备。
规划器40响应于饮料选择而动作，首先在制备阶段，然后在分配阶段。具体地，如图7所示，规划器40可以被图示为以下三个贡献的总和，这将在下面单独更详细地描述：
-PID增量温度(PID delta temp)44：在该块中计算的温度贡献代表加热烧水器20的下游系统所需的温度增量，
-预测(predictive)45：在该块中计算的温度贡献代表水增压器21中的期望水温TBoost_d必须遵循的时间发展，这种选择在混合饮料中是需要的，以加速不同类型的子饮料之间的温度变化，例如牛奶和咖啡之间，或者咖啡和巧克力之间，以及
-阶段46：根据饮料制备或分配阶段，提供预热和预冷阶段来预测固有热系统延迟。
2.1.1PID增量温度
仅在每种子饮料的制备阶段开始时，计算一次PID增量温度块温度贡献44。因此，如果饮料包含三种子饮料，则该温度贡献被计算三次。该温度贡献代表水增压器21中的期望水温TBoost_d，以在输送点4处具有期望温度Tout_d。具体地，该温度贡献代表加热水增压器21和水混合器14的混合水出口18之间的烧水器20的下游系统所需的温度增量。该贡献是基于以下公式计算的：
OutPID＝ACT_PHASE.Tout_d-ParTar.th_soglia_pid-Tout_a)*KpOut
其中：
-ACT_PHASE.Tout_d：ACT_PHASE结构的元素，对应于制备或分配时饮料的输送点的期望温度；
-ParTar.th_soglia_pid：ParTar结构的元素：它是一个常数，允许在零贡献时设定温度；
-Tout_a：水温传感器在输送点测量的水温。
-KpOut：PID比例系数；
-OutPID：来自PID增量温度44的温度贡献。
基于系统初始温度(即，当系统冷时且与输送点的期望水温相差甚远时测量的水温)，该温度贡献变化很大。为加速加热器下游系统的加热，该温度贡献是很重要的，而当系统已经很热时，如果不是负的话，该贡献几乎用作零值以抵消水温上升的惯性。
2.1.2预测
预测温度贡献45代表给定的子饮料在其输送过程中的期望温度。该温度贡献在双份饮料以考虑下一饮料并预测加热或冷却中是必要的。该温度贡献按照以下功能代码定义进行计算：
如果饮料是单一的，即如果(单一＝＝是)
■在分配阶段的最后部分
(cdv>ACT_PHASE.cdv*ParTar.p4_cdv_ero)
或者分配阶段已经结束
●OutPr＝Text_d；//遵循烧水器的温度
■否则
●OutPr＝ACT_PHASE.Tout_d//遵循当前饮料的温度
如果饮料是混合饮料
■在分配阶段的第一部分之后，如果下一温度更高，即当(cdv>ACT_PHASE.cdv*ParTar.p3_cdv_ero&&ACT_PHASE.Tout_d<NEXT_PHASE.Tout_d)
●outPr＝NEXT_PHASE.Tout_d；//在当前分配结束前开始加热
■在分配阶段的第二部分之后，如果下一温度更低，即当(cdv>ACT_PHASE.cdv*ParTar.p4_cdv_ero&&ACT_PHASE.Tout_d>NEXT_PHASE.Tout_d)
●outPr＝NEXT_PHASE.Tout_d；//在当前分配结束前开始冷却
■否则
●outPr＝ACT_PHASE.Tout_d；//遵循饮料的温度
其中：
-ACT_PHASE.Tout_d：ACT_PHASE结构的元素，对应于制备或分配期间饮料的输送点的期望温度；
-NEXT_PHASE.Tout_d：NEXT_PHASE结构的元素，对应于遵循制备或分配中的饮料的输送点处的期望温度；
-ParTar.p3_cdv_ero：ParTar结构的元素，代表用于计算特征点的百分比，称为p3(见图55，并且在段落2.1.3中详细描述)；
-ParTar.p4_cdv_ero：ParTar结构的元素，代表用于计算特征点的百分比，称为p4(见段落2.1.3，并在段落2.1.3中详细描述)；
-cdv：体积计数器脉冲(volumetric counter pulse)，分配流量的测量。
-单一：饮料描述性特征，如果单一，则为是，否则为否。
-Text_d：烧水器20中的期望水温。
-OutPr：来自预测45的温度贡献。
2.1.3阶段
阶段温度贡献46代表规划器40的核心，因为通过饮料制备或分配，可以改变水加热器的性能，从而使水加热器随着时间的推移遵循非恒定的温度发展。
每种子饮料的温度贡献被分为五个时间段：
-在制备阶段的两个时间段；
-在分配阶段的两个时间段；
-在制备阶段和分配阶段之间的中间时间段。
对于每个时间段，温度贡献取决于校准阶段期间限定的一些常数(表3中ParTar结构的元素)，这些贡献对于每种子饮料是特定的。
对于子饮料的每次单独输送，五个时间段定义如下，如图13示意性所示，其中示出了Tboost_d的时间发展：
-第一时间段：制备：从饮料选择到t1(理论制备时间*％1)
-第二时间段：制备：t1到t2(理论制备时间*％2)
-第三时间段：中间：t2到p3(理论体积(预期cdv)*％3)
-第四时间段：分配：p3到p4(理论体积(预期cdv)*％4)
-第五时间段：分配：从p4到分配阶段结束。
在混合饮料中，不同的输送穿插有制备时间段，因此，重复如图13所示的图表的次数与饮料成分的类型相同。该温度贡献按照以下功能代码定义的进行计算：
-在第一制备阶段，当(t_selection<ACT_PHASE.delay*ParTar.p1_t_pre)
○输出阶段＝ParTar.th1_c
-在第二制备阶段，当(t_selection<ACT_PHASE.delay*ParTar.p2_t_pre)
○输出阶段＝ParTar.th2_c
-在第一分配阶段，当(cdv<ACT_PHASE.cdv*ParTar.p3_cdv_ero)并且分配尚未完成时
○输出阶段＝ParTar.th3_c
-在第二分配阶段，当(cdv<ACT_PHASE.cdv*ParTar.p4_cdv_ero)
○输出阶段＝ParTar.th4_c
-在分配阶段结束时
○输出阶段＝0
其中：
-t_selection：当前时间和开始制备子饮料之间的时间测量；
-cdv：体积计数器脉冲，分配中的流量测量；
-ACT_PHASE.delay_d：ACT_PHASE结构的元素(参考表4)，对应于子饮料的理论制备时间；
-ACT_PHASE.cdv：ACT_PHASE结构的元素(参考表4)，对应于在该子饮料校准期间设置的体积计数器脉冲的总值；
-ParTar.p1_t_pre：ParTar结构的元素(参考表4)，代表用于计算第一制备阶段的百分比，称为t1；
-ParTar.th1_c：ParTar结构元素(参考表4)，代表温度增量；
-ParTar.p2_t_pre：ParTar结构的元素(参考表4)，代表用于计算第二制备阶段的百分比，称为t2；
-ParTar.th2_c：ParTar结构元素(参考表4)，代表温度增量；
-ParTar.p3_cdv_ero：ParTar结构的元素(参考表4)，代表用于计算第一分配阶段的百分比，称为p3；
-ParTar.th3_c：ParTar结构元素(参考表4)，代表温度增量；
-ParTar.p4_cdv_ero：ParTar结构的元素(参考表4)，代表用于计算第二分配阶段的百分比，称为p4；
-ParTar.th4_c：ParTar结构元素(参考表4)，代表温度增量；
-输出阶段：从“阶段”块输出的温度贡献。
3.能量管理器
能量管理器38被设计成管理以下三个规范：
1.最大电功率：系统可能提供的最大电功率不同于、具体是小于所有电阻同时接通时输送的电功率之和。
2.闪烁的控制：如IEC-61000-3-3中所指示的，必须控制电阻的接通/断开。
3.电阻具有固定的电功率。
能量管理器38的框图如图8所示，目的是确定控制所需的电功率是否可以根据规范执行，或者是否需要在各种电阻之间进行调整和交替。
水增压器21的电阻R3优先于烧水器20的两个电阻R1和R2，并且当所有三个电阻R1、R2以及R3必须接通时，烧水器20的两个电阻R1和R2交替接通。
为控制闪烁(flicker)，能量管理器38被设计成使电功率从不改变到高于特定阈值功率的程度。
还实施了不可传递的电能回收系统。例如，如果电阻能够传递1000瓦的电功率，如果需要三次输送400瓦，那么电阻将在第三次请求时接通，输送1000瓦。
如图9所示的框图所示，能量管理器38做出的决策可以在概念层级上细分为三个层级(level)：
-层级1 47：从理想所需电功率值转换到由电阻传递的实际电功率值(规范3)，
-层级2 48：根据给定的优先级调节电阻的接通和断开，因为可能提供的最大电功率与三个电阻所传递的电功率的总和不对应(规范1)，
-层级3 49：控制电阻接通和断开的时间，以避免高于特定阈值电功率的电功率跳变(规范2)。
3.1层级1
根据图10所示的图表，层级1 47用于将烧水器20的两个电阻R1和R2的电功率需求PwRboiler_r分为PwR_Low_1和PwR_High_1。通过双阈值功能(继电器)过滤如此计算的较高电阻(PwR_High_1)的电功率需求PwR_High_1。在通过继电器1之前，通过将较高电阻传送的功率误差加到较低电阻的电功率需求PwR_Low_1上来恢复较高电阻传送的功率误差。
水增压器21的电阻R3的控制使用不同于烧水器20的电阻R1和R2的方法：基于电功率需求来计算用于驱动电阻(设定在1.5赫兹的频率)的PWM的占空比。为恢复未传送的电功率，将前一步骤中提供的电功率误差的积分加到此时所需的电功率上。占空比值固定在三个恒定值，以免增加闪烁风险，如以下功能代码所定义：
-如果所需电功率小于最大功率的三分之一(PBooster_d<PboilerMax/3)：
○占空比＝0；
-如果所需电功率在最大功率的三分之一到三分之二之间：
○占空比＝0.5；
-否则：
○占空比＝0；
3.2层级2
层级2 48的目标是根据图11所示的图表调整可传送的电功率，因为最大电功率与由三个电阻R1、R2以及R3传送的电功率的总和不对应。为了决定哪个电阻与另一电阻相比具有接通的优先级，使用以下功能代码(优先级功能)描述的规则。水增压器21的电阻R3被赋予最高优先级，除了自动售卖机点火期间(ignition period，启动时间)，在该期间水增压器21的电阻R3直到烧水器20已经(几乎)达到期望温度才接通。
-如果三个期望电功率的总和高于最大可传送电功率(PwR_Low_1+PwR_High_1+PwR_booster_1)>PboilerMax
○烧水器的两个电阻交替接通，按照“脉冲发生器1”产生的方波的趋势并输入块：
■PwR_High_2＝脉冲发生器*PwR_High_1；
■PwR_Low_2＝(1-脉冲发生器)*PwR_Low_1；
-否则，烧水器的两个电阻的电功率都可以继续采用在“层级1”处计算的电功率值：
■PwR_High_2＝PwR_High_1；
■PwR_Low_2＝PwR_Low_1；
“脉冲发生器1”块产生的方波具有以下特征：振幅1，周期4秒，其中1秒高，3秒低。
3.3层级3
层级3 49的目的在于根据图12所示的图表并通过以下功能代码(防闪烁功能)中设置的标准，控制系统所需执行的“DeltaP”功率增量，来避免高于特定阈值电功率的电功率跳变：
DeltaP
function[PwR_Low_3,PwR_High_3]＝fcn(DeltaPTot,PwR_Low_2,PwR_High_2)
P低＝1000；％瓦
P高＝1100；％瓦
P增压器＝1000；％瓦
％如果三个电阻要一起接通，则增压器具有最高优先级
％因此它是接通的，而另外两个烧水器交替运行
如果(abs(DeltaPTot)>max(P低,P高,P增压器))％同时接通或断开两个或两个以上电阻
如果((PwR_Low_2+PwR_High_2)＝＝(P低+P高))％如果是烧水器的两个电阻
PwR_High_3＝0；％高电阻降低
PwR_Low_3＝PwR_Low_2；％低电阻升高
否则％如果增压器也想接通，则它有优先权
PwR_High_3＝0；％全部降低
PwR_Low_3＝0；％增压器电阻
结束
否则％如果只有一个电阻接通，则该值不变
PwR_High_3＝PwR_High_2；
PwR_Low_3＝PwR_Low_2；
结束。
表1
Figure BDA0002378439850000171
Figure BDA0002378439850000181
表2
名称 说明
Plow 烧水器较低电阻
Phigh 烧水器较高电阻
Pboost 增压器电阻
ev_p 旁通
ver 版本号(对应于最后一次改变的日期和时间)
Tboost_dc 水增压器中计算的期望水温
Pboost_FFW FFW的电功率贡献
表3
Figure BDA0002378439850000182
Figure BDA0002378439850000191
表4
Figure BDA0002378439850000192
Figure BDA0002378439850000201

Claims (11)

1.一种用于热饮自动售卖机(2)中的双级水加热器(1)的电子控制系统(30)；
其中所述水加热器(1)包括：
-烧水器(20)；以及
-水增压器(21)，容纳在所述烧水器(20)中，并且流体串联到所述烧水器(20)；
其中所述烧水器(20)包括：
-外部水箱(22)，具有冷水入口(3)和热水出口(4)；以及
-第一电加热器(23)，容纳在所述外部水箱(22)中，并能激活以加热所述外部水箱中包含的水，并将所述水保持在第一温度范围内的温度；
其中所述水增压器(21)包括：
-内部主体(24)，容纳在所述外部水箱(22)中并限定水管(25)，所述水管(25)具有与所述外部水箱(22)的内部容积流体连通的进水口以接收包含在所述外部水箱中的热水、和与所述水加热器(1)的所述热水出口(4)流体连接的出水口；以及
-第二电加热器(26)，与所述内部主体(24)相关联，并且根据选择的饮料选择性地激活以将所述内部主体(24)中流动的水加热到包括在第二温度范围内的温度，所述第二温度范围高于所述第一温度范围，
其中所述电子控制系统(30)包括：
-传感系统(31)，用于测量所述烧水器(20)中以及所述水增压器(21)和所述水加热器(1)的所述热水出口(4)中的一者或两者中的水温(Text_m、Tbooster_m、Tout_m)，并且输出指示测量的水温的电信号；以及
-电子控制单元(32)，电连接到所述传感系统(31)和所述第一电加热器和所述第二电加热器(23、26)，并且被编程为从所述传感系统(31)接收所述电信号，并基于接收的所述电信号来控制所述第一电加热器和所述第二电加热器(23、26)；
其中所述电子控制单元(32)被编程为基于测量的水温(Text_m、Tbooster_m、Tout_m)和相关联的参考水温(Text_d、Tbooster_d、Tout_d)，输出用于所述第一电加热器和所述第二电加热器(23、26)的电控制信号；
其中所述电子控制单元(32)被进一步编程为执行以下：
-烧水器控制(36)，被设计成基于在所述烧水器(20)中所述测量的水温和参考水温(Text_m、Text_d)之间的水温误差输出所述第一电加热器(23)的电功率需求(PWRboiler_r)，
-水增压器控制(37)，被设计成基于所述水增压器(21)或所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的所述测量的水温和参考水温(TBoost_m、Tout_m、TBoost_d、Tout_d)之间的水温误差、和所述水增压器(21)中或所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的参考水温(TBoost_d、Tout_d)，输出所述第二电加热器(23)的电功率需求(PW_R3)，以及
-能量管理器(38)，被设计成接收所述第一电加热器和所述第二电加热器(23、26)的所述电功率需求(PWRboiler_r、PW_R3)，并基于能量管理逻辑控制所述第一电加热器和所述第二电加热器的通电和断电；
其中所述烧水器(20)中和所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的所述参考水温(Text_d、Tout_d)存储在所述电子控制单元(32)中，根据选择的饮料至少存储所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的所述参考水温(Tout_d)、以及包括所述烧水器(20)和所述水增压器(21)的物理响应时间的加热器参数、所述第一电加热器和所述第二电加热器(23、26)的惯性以及涉及的质量；
其中所述水增压器控制(37)被进一步设计成执行：
-规划器(40)，被设计成响应于饮料选择，基于所述水增压器(21)中或所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的所述测量的水温(TBoost_m、Tout_m)、和所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的所述参考水温(Tout_d)，以及基于所述烧水器(20)和所述水增压器(21)的物理响应时间、所述第一电加热器和所述第二电加热器(23、26)的惯性以及涉及的质量，来计算所述水增压器(21)中的所述参考水温(TBoost_d)，以便预测跟踪所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的所述参考水温(Tout_d)的突然变化时需要对所述水增压器(21)中的所述参考水温(TBoost_d)的能行的调整。
2.根据权利要求1所述的电子控制系统(30)，其中，所述规划器(40)被设计成计算对所述水增压器(21)中所述参考水温(TBoost_d)的三个贡献：
-第一贡献(44)，指示对所述水增压器(21)中的所述参考水温(TBoost_d)的温度校正，以使所述水加热器(1)的所述热水出口(4)处的所述测量的水温(Tout_m)采用相关联的所述参考水温(Tout_d)，
-第二贡献(45)，指示在制备包括不同子饮料的选择的饮料期间，所述水增压器(21)中的所述参考水温(TBoost_d)的时间发展，每种子饮料需要不同于其他子饮料的水温，
-第三贡献(46)，指示在所述子饮料制备和输送步骤中的水预热或预冷子步骤期间，所述水增压器(21)中的所述参考水温(TBoost_d)。
3.根据权利要求2所述的电子控制系统(30)，其中，对于选择的饮料中的每种子饮料，所述规划器(40)被设计成计算所述子饮料制备和输送步骤期间不同时间段的所述第三贡献(46)，所述不同时间段包括所述子饮料制备步骤期间的两个时间段、子饮料分配步骤期间的两个时间段以及所述子饮料制备和输送步骤之间的中间时间段。
4.根据权利要求3所述的电子控制系统(30)，其中，对于选择的饮料中的每种子饮料，所述第三贡献(46)具有逐步的时间发展，包括值逐渐增加的三个基本恒定的段，随后是值逐渐减小的两个基本恒定的台阶。
5.根据前述权利要求中的任一项所述的电子控制系统(30)，其中，所述能量管理器(38)被设计成控制所述第一电加热器和所述第二电加热器(23、26)的通电和断电，以使吸收的电功率不超过最大能吸收电功率，并且所述吸收的电功率的变化不超过阈值，从而控制由于所述第一电加热器和所述第二电加热器的接通和断开而引起的闪烁产生。
6.根据权利要求5所述的电子控制系统(30)，对于水加热器(1)，其中，所述第一电加热器(23)包括分开的且能独立控制的第一电阻器和第二电阻器(27、28)，分别布置在所述烧水器(20)的所述外部水箱(22)的底部和顶部并且所述第二电加热器(26)包括布置在所述内部主体(24)中的第三电阻器(29)；
其中所述能量管理器(38)被设计成执行三个决策层级：
-第一决策层级(47)，将电功率需求转换成将由所述第一电阻器、所述第二电阻器以及所述第三电阻器(27、28、29)消耗的相对应的实际电功率，
-第二决策层级(48)，所述第一电阻器、所述第二电阻器以及所述第三电阻器(27、28、29)基于预设的优先级被通电和断电，使得由所述第一电阻器、所述第二电阻器以及所述第三电阻器(27、28、29)吸收的电功率不超过所述最大能吸收电功率；以及
-第三决策层级(49)，控制所述第一电阻器、所述第二电阻器以及所述第三电阻器(27、28、29)的通电时间和断电时间，以防止所述吸收的电功率的变化高于阈值电功率。
7.根据权利要求6所述的电子控制系统(30)，其中，所述能量管理器(38)被进一步设计成：
-确定由所述第一电阻器、所述第二电阻器以及所述第三电阻器(27、28、29)吸收的电功率是否高于所述最大能吸收电功率，所述第一电阻器、所述第二电阻器以及所述第三电阻器(27、28、29)需要同时通电以使所述烧水器(20)和所述水增压器(21)中的所述测量的水温(Text_m、TBoost_m)采用所述参考水温(Text_d、TBoost_d)；
-在是的情况下，确定能同时通电的所述电阻器(27、28、29)的最大数量；以及
-如果能同时通电的所述电阻器(27、28、29)的最大数量低于需要同时通电以使所述烧水器(20)和所述水增压器(21)中的所述测量的水温(Text_m、TBoost_m)采用所述参考水温(Text_d、TBoost_d)的所述电阻器(27、28、29)的数量，则确定要通电的所述第一电阻器、所述第二电阻器以及所述第三电阻器(27、28、29)的交替接通顺序以便不超过所述最大能吸收电功率，从而使赋予所述水增压器(21)的所述第三电阻器(29)的优先级高于所述烧水器(20)的两个电阻器(27、28)。
8.根据权利要求6或权利要求7所述的电子控制系统(30)，其中，所述能量管理器(38)被进一步设计成执行电功率回收策略，以在对电功率的一系列需求低于所述电阻器所能提供的电功率情况下，回收能够提供特定电功率的电阻器不会提供的电功率，使得当对电功率需求的总和等于或高于所述电阻器能够提供的电功率时，所述电阻器被通电。
9.一种能装载在热饮自动售卖机(2)中的双级水加热器(1)的电子控制系统(30)的电子控制单元(32)中的软件，并且所述软件被设计成在执行时使所述电子控制单元(32)如前述权利要求中的任一项所述被编程。
10.一种用于热饮自动售卖机(1)的双级水加热器(1)，包括：
-烧水器(20)；以及
-水增压器(21)，容纳在所述烧水器(20)中，并且流体串联连接到所述烧水器(20)；
其中所述烧水器(20)包括：
-外部水箱(22)，具有冷水入口(3)和热水出口(4)；以及
-第一电加热器(23)，容纳在所述外部水箱(22)中，并能激活以加热所述外部水箱中包含的水，并将所述水保持在第一温度范围内的温度；
其中所述水增压器(21)包括：
-内部主体(24)，容纳在所述外部水箱(22)中并限定水管(25)，所述水管(25)具有与所述外部水箱(22)的内部容积流体连通的进水口以接收包含在所述外部水箱中的热水、以及与所述水加热器(1)的所述热水出口(4)流体连接的出水口；以及
-第二电加热器(26)，与所述内部主体(24)相关联，并且取决于选择的饮料选择性地激活以将所述内部主体(24)中流动的水加热到包括第二温度范围内的温度，所述第二温度范围高于所述第一温度范围，
其中所述水加热器(1)还包括根据前述权利要求1至权利要求8中任一项所述的电子控制系统(30)。
11.根据权利要求10所述的水加热器(1)，还包括水混合器(14)，所述水混合器具有与所述水加热器(1)的所述热水出口(4)流体连接的热水入口(17)，以从所述热水出口接收热水；冷水入口(13)，通过旁路回路(11-18)选择性地流体连接到所述水加热器(1)的所述冷水入口(3)，以接收供应到所述水加热器(1)的部分冷水；以及出水口(18)，以供应混合水；
其中所述旁路回路(11-18)包括T型接头(11)，所述T型接头具有能与冷水源流体连接的I/O端口、通过第一电磁阀(12)与所述水加热器(1)的所述冷水入口(3)流体连接的I/O端口、以及通过第二电磁阀(15)和旁路支路(16)与所述水混合器(14)的所述冷水入口(13)流体连接的I/O端口。
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