基于Niagara 平臺(tái)的太陽(yáng)能熱水器智能控制系統(tǒng)

蔡杰杰，王亞剛，沈 進(jìn)

(上海理工大學(xué) 光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，上海 200093)

傳統(tǒng)的太陽(yáng)能熱水器控制系統(tǒng)，主要是依靠PLC實(shí)現(xiàn)其內(nèi)部邏輯功能，編寫(xiě)復(fù)雜邏輯時(shí)需要消耗大量的時(shí)間和人力，修改邏輯困難，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，并在遠(yuǎn)程控制方面，PLC 完全處于空白。這就導(dǎo)致了PLC 控制的局限性。而采用Niagara 平臺(tái)開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能控制邏輯速度快，易于修改，消耗人力物力少，且其能將數(shù)據(jù)點(diǎn)接入云端，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的編程和控制［1］。

本文運(yùn)用Niagara 技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制和物聯(lián)網(wǎng)功能。以Niagara 平臺(tái)創(chuàng)建了一個(gè)通用環(huán)境，可連接任何嵌入式設(shè)備或系統(tǒng)，而無(wú)需考慮設(shè)備的制造廠家以及其使用的通訊協(xié)議［2－4］。該系統(tǒng)將太陽(yáng)能充分利用于熱水器裝置中，對(duì)于日照時(shí)間較長(zhǎng)的地區(qū)，可合理利用太陽(yáng)能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，將實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的功能，使編程人員足不出戶(hù)就可編程或修改控制邏輯，這對(duì)于偏遠(yuǎn)地區(qū)具有重要意義。Niagara 平臺(tái)的硬件系統(tǒng)Jace，具有斷電保護(hù)功能，保證在下次通電時(shí)保存斷電時(shí)的狀態(tài)，避免了人為再次設(shè)定參數(shù)的問(wèn)題。

1 系統(tǒng)介紹

該系統(tǒng)主要由基于Niagara 平臺(tái)的控制器Jace、太陽(yáng)能儲(chǔ)熱板、水泵、風(fēng)機(jī)、加熱裝置等設(shè)備構(gòu)成。從以下流程圖可看出，本文的設(shè)計(jì)包括兩個(gè)部分:Niagara平臺(tái)的控制邏輯和Niagara 平臺(tái)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 系統(tǒng)運(yùn)行流程圖

Niagara 平臺(tái)的控制邏輯主要包括5 個(gè)模式:集熱模式、采暖模式、生活熱水即開(kāi)即熱、采暖管路防凍循環(huán)、水箱輔助電加熱。在這5 個(gè)模式下，可保持太陽(yáng)能集熱器出口溫度、集熱水箱溫度、室內(nèi)立管溫度、室內(nèi)溫度、生活用水管路溫度對(duì)于所有風(fēng)機(jī)和水泵的自動(dòng)控制。各數(shù)據(jù)與Niagara 平臺(tái)的之間的通訊在本系統(tǒng)中是通過(guò)Modbus 通訊協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Niagara 平臺(tái)與云平臺(tái)的數(shù)據(jù)傳輸在云端也是使用Niagara 平臺(tái)來(lái)顯示數(shù)據(jù)，可直觀的顯示主要設(shè)備的運(yùn)行情況和各個(gè)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)大小。當(dāng)需要邏輯修改時(shí)，同樣可在瀏覽器界面中遠(yuǎn)程直接修改［5］。

且該系統(tǒng)內(nèi)部自帶的報(bào)警系統(tǒng)可解決較多的隱患問(wèn)題，只要出現(xiàn)問(wèn)題，就會(huì)立即報(bào)警，確保有人響應(yīng)之后才停止報(bào)警。

此外，此系統(tǒng)還帶有歷史記錄表，可通過(guò)鏈接查詢(xún)歷史記錄。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)運(yùn)行模式介紹

2.1.1 集熱模式

集熱模式是指通過(guò)集熱器出口溫度與水箱溫度之間的溫度差來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)的控制。當(dāng)集熱器出口溫度比水箱溫度高10°時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)開(kāi)始運(yùn)行;當(dāng)集熱器出口溫度比水箱溫度低5°時(shí)，循環(huán)風(fēng)機(jī)停止運(yùn)行。在5 ～10°之間的溫差，保證了循環(huán)風(fēng)機(jī)不會(huì)在臨界點(diǎn)不停的切換，增加了循環(huán)風(fēng)機(jī)的使用壽命。

2.1.2 采暖模式和采暖管路防凍模式

采暖模式是指通過(guò)對(duì)室內(nèi)溫度的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)采暖循環(huán)水泵的控制;采暖管道防凍模式是指通過(guò)對(duì)室內(nèi)立管溫度的反饋來(lái)控制采暖循環(huán)水泵。當(dāng)室內(nèi)溫度＜18°或室內(nèi)立管溫度＜5°時(shí)，采暖循環(huán)水泵開(kāi)始運(yùn)行;當(dāng)室內(nèi)溫度＞22°且室內(nèi)立管溫度＞10°時(shí)，采暖循環(huán)水泵停止運(yùn)行。在這些溫度之間，采暖循環(huán)水泵保持上一個(gè)狀態(tài)。

2.1.3 生活熱水即開(kāi)即熱

生活熱水即開(kāi)即熱指的是對(duì)于生活用水管路溫度的反饋，實(shí)現(xiàn)對(duì)生活用水循環(huán)泵的控制。當(dāng)生活用水管路溫度＜20°時(shí)，生活用水循環(huán)泵開(kāi)始運(yùn)行;當(dāng)生活用水管路溫度＞25°時(shí)，生活用水循環(huán)泵停止運(yùn)行。

2.1.4 水箱輔助電加熱

水箱輔助電加熱是指對(duì)集熱器水箱溫度的反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)水箱電加熱的控制。當(dāng)集熱水箱溫度＜45°時(shí)，集熱水箱電加熱開(kāi)始運(yùn)行;當(dāng)集熱水箱溫度＞50°時(shí)，集熱水箱電加熱停止運(yùn)行。集熱水箱電加熱是為了保證在連續(xù)的陰雨天氣中也有對(duì)熱水的持續(xù)供應(yīng)。

2.1.5 日程表

為了節(jié)約能源資源，在該系統(tǒng)中加入了日程表。在日程表中，可在白天和晚上兩個(gè)時(shí)間段設(shè)定不同的溫度或者在半夜直接將某些浪費(fèi)資源的硬件關(guān)閉，以免在半夜無(wú)人用水時(shí)發(fā)生電加熱等類(lèi)似資源浪費(fèi)的現(xiàn)象。

2.1.6 強(qiáng)制模式

強(qiáng)制模式是指對(duì)于某個(gè)或某些設(shè)備在沒(méi)達(dá)到控制邏輯要求時(shí)的人為強(qiáng)制控制。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，可以強(qiáng)制一鍵關(guān)閉所有設(shè)備。

2.2 Niagara 平臺(tái)與云平臺(tái)介紹

Niagara 平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)Niagara 系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)與云端數(shù)據(jù)的相互控制?？蓪⑾挛粰C(jī)采集到的數(shù)值上傳到云端上位機(jī)，將上位機(jī)設(shè)置的數(shù)值運(yùn)用到下位機(jī)實(shí)現(xiàn)邏輯的控制。上位機(jī)與下位機(jī)的通訊是雙向的。所以，控制邏輯放在上位機(jī)或下位機(jī)沒(méi)有局限性，在上下位機(jī)中均可實(shí)現(xiàn)［6］。

3 控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 邏輯編程

系統(tǒng)的邏輯包括上述5 種模式。5 種模式有一個(gè)共同點(diǎn)，即需要一個(gè)保持功能的邏輯，這在Niagara 系統(tǒng)中是通過(guò)Tstat 功能模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)的。Tstat 模塊如圖2所示。主要是通過(guò)對(duì)Cv、Sp、Diff 3 個(gè)引腳數(shù)值的設(shè)置來(lái)控制Out 的輸出。Cv 連接的是實(shí)時(shí)溫度，Sp 連接的是最大溫度與最小溫度的平均值，Diff 連接的是最大溫度與最小溫度的溫度差。圖2 中的對(duì)Sp 和Differ 數(shù)值的設(shè)置代表的是水箱輔助加熱模式中的數(shù)值。在Out 后面接一個(gè)Status Boolean to Boolean 功能模塊便可實(shí)現(xiàn)功能。當(dāng)Cv ＜45°時(shí)，Out 輸出為true;當(dāng)Cv 上升到45°與50°之間時(shí)，Out 輸出為null(Status Boolean to Boolean 功能模塊中的Out 為true);當(dāng)Cv ＞50°時(shí)，Out 輸出為false;然后當(dāng)Cv 下降到50°與45°之間時(shí)，Out 輸出為null(Status Boolean to Boolean 功能模塊中的Out 為false);當(dāng)Cv 再次＜45°時(shí)，Out 輸出為true...以此類(lèi)推［7－8］。

圖2 Tstat 模塊

3.2 Niagara 平臺(tái)與云平臺(tái)配置

Niagara 平臺(tái)與云平臺(tái)的雙向通訊是通過(guò)功能模塊中的Out 引腳和set 引腳的雙向互接來(lái)實(shí)現(xiàn)的［9］。只要保證比set 優(yōu)先級(jí)高的賦值引腳處于null 狀態(tài)，向set 中賦值就是Out 的值，Out 的值再賦值另一個(gè)平臺(tái)的set 引腳，從而達(dá)到了4 個(gè)數(shù)值的同步，不管是在Niagara平臺(tái)還是在云平臺(tái)中改變數(shù)值，兩邊的set 引腳和Out 引腳均發(fā)生變化。

3.3 系統(tǒng)界面

在Niagara 平臺(tái)與云平臺(tái)相互通訊之后，系統(tǒng)界面是放在云平臺(tái)的，可通過(guò)手機(jī)進(jìn)行訪問(wèn)。

該系統(tǒng)的運(yùn)行界面和日程表設(shè)定界面如圖3 和圖4所示。運(yùn)行一覽中包括了所有溫度點(diǎn)的值和所有風(fēng)機(jī)、水泵和電加熱裝置的開(kāi)關(guān)結(jié)果。若有發(fā)生損壞的器件或觸發(fā)了人為設(shè)定的臨界值，可及時(shí)報(bào)警，通過(guò)紅色字體和報(bào)警鈴聲響應(yīng)。

日程表中可看出，在哪兩段時(shí)刻處于不同的狀態(tài)。圖中代表在凌晨0 點(diǎn)到6 點(diǎn)Out 為false，在其他工作時(shí)間段Out 為true。在界面中的Special Events 選項(xiàng)中可設(shè)定節(jié)假日或自身需要的日期，且具有最高的優(yōu)先級(jí)，在其內(nèi)部設(shè)置時(shí)間。

圖3 運(yùn)行一覽

圖4 日程表

由仿真的結(jié)果可知:該套系統(tǒng)內(nèi)部功能穩(wěn)定，可較好的實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制，對(duì)于內(nèi)部的邏輯也能完全實(shí)現(xiàn)，達(dá)到了預(yù)期的結(jié)果。

4 結(jié)束語(yǔ)

太陽(yáng)能作為一種綠色能源，擁有其不可代替的優(yōu)越性，必將逐步替代傳統(tǒng)能源，成為今后能源的主流。

本文從目前的太陽(yáng)能研究前景出發(fā)，在了解一定的太陽(yáng)能供水系統(tǒng)的需求后，運(yùn)用Niagara 平臺(tái)在內(nèi)部進(jìn)行了相應(yīng)的邏輯編程，不僅實(shí)現(xiàn)了所有的功能，還解決了傳統(tǒng)工業(yè)控制的弊病，實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的功能［10］。足不出戶(hù)的編程來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程器件的控制，這對(duì)于一些偏遠(yuǎn)地區(qū)具有重要的意義，但該系統(tǒng)還需與實(shí)踐相結(jié)合來(lái)逐步改善，以便汲以廣泛應(yīng)用。

［1］ 王宏玉.基于Niagara 平臺(tái)的智能建筑系統(tǒng)集成技術(shù)研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2007.

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［5］ 何朝陽(yáng)，戴君，吳麗琴.基于STC12C5410AD 的太陽(yáng)能路燈控制器設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2007(3):27－30.

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