太陽能熱水系統(tǒng)邏輯模型及遠(yuǎn)程下載

文/張一宇 唐軒

太陽能熱水工程是以太陽能集熱單元為核心，集熱單元種類較多，有全玻璃真空管集熱器、平板集熱器、熱管集熱器等，它們也可以組合起來應(yīng)用。太陽能熱利用的發(fā)展比較迅速，應(yīng)用在各個領(lǐng)域。標(biāo)準(zhǔn)ISO 9459根據(jù)太陽能熱水系統(tǒng)的特點(diǎn)進(jìn)行了分類，將系統(tǒng)分為七大類，從太陽能應(yīng)用層面、集熱換熱方式、太陽能集熱循環(huán)方式、系統(tǒng)的組成、系統(tǒng)承壓情況、制熱模式、加熱介質(zhì)方式等方面進(jìn)行了分類，分類雖然很清晰，但實際的應(yīng)用種類非常復(fù)雜，系統(tǒng)的控制邏輯也出現(xiàn)了很多的組合。為了讓用戶對系統(tǒng)有所參考，使系統(tǒng)設(shè)計更合理，讓系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的邏輯進(jìn)行更好的匹配，我們對系統(tǒng)進(jìn)行了軟硬件分類，但也達(dá)到了500多種類型。發(fā)現(xiàn)完全標(biāo)準(zhǔn)化成少數(shù)幾個典型模式實在困難，即便可以抽象出20種、涵蓋50%以上系統(tǒng)模型，然后將程序邏輯放入一個控制單元內(nèi)，快速開發(fā)出相應(yīng)的產(chǎn)品，讓客戶選擇應(yīng)用，也會是極大的考驗。所以我們對物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了分析，通過管理平臺進(jìn)行歸納可以達(dá)到這個目標(biāo)，有效解決這個問題，通過迭代分析總結(jié)模型，歸納出一些較好的太陽能熱水工程系統(tǒng)，便于行業(yè)的推廣和發(fā)展。

1 太陽能熱水系統(tǒng)及控制邏輯

太陽能熱水系統(tǒng)是太陽能熱利用的核心，一般會根據(jù)系統(tǒng)熱水的總用量和用戶規(guī)律進(jìn)行分析，結(jié)合安裝場合的結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計，系統(tǒng)初步設(shè)計完成后會對控制器的邏輯和控制單元進(jìn)行設(shè)計，滿足系統(tǒng)控制的要求。

圖1：太陽能系統(tǒng)運(yùn)行原理圖

圖2：系統(tǒng)模型

1.1 系統(tǒng)及邏輯

依據(jù)用戶熱水量、集熱器的數(shù)量、建筑分布情況、輔助加熱、防凍伴熱帶等綜合因素確定太陽能熱水系統(tǒng)，以下是一個典型的太陽能熱水系統(tǒng)運(yùn)行原理及邏輯如圖1所示。

1.1.1 E1控制

（1）水箱自動上水功能：W1≤2，啟動E1；W1≥5停止E1。

（2）水箱手動上水功能：按上水“手動”鍵，上水指示燈亮，啟動E1；W1≥5停止E1。

圖3：下載程序電路接口

（3）水箱定時上水功能：

在設(shè)定的時間點(diǎn)1，啟動E1；到W1≥5，停止E1。

在設(shè)定的時間點(diǎn)2，啟動E1；到W1≥5，停止E1。

在設(shè)定的時間點(diǎn)3，啟動E1；到W1≥5，停止E1。

水箱定溫上水功能：T3≥55且W1＜6，啟動E1，到T3≤50或W1≥6，關(guān)閉E1。

1.1.2 P1控制

（1）溫差循環(huán)功能：T1-T3≥7，啟動P1，T1-T3≤3，停止P1。

（2）定時循環(huán)： 7：00，啟動P1，延時5分鐘關(guān)閉P1。

（3）防凍循環(huán)功能： T1或T2＜5，啟動P1；到T1且T2≥5+3，延時2分鐘停止P1。

（4）集熱器高溫保護(hù)功能： T1＞95，P1不啟動；到T1≤95-5，P1恢復(fù)。

1.1.3 P2控制

（1）管路循環(huán)功能： 在三個時間段內(nèi)，T4≤36，且T3≥41，啟動P2；到T4＞36+3或T3＜41-3停止P2。

（2）管路防凍功能：T4＜5，啟動P2；到T4≥5+3，延時2分鐘關(guān)閉P2

1.1.4 H1控制

（1）水箱自動加熱功能：T3≤45，啟動H1，到T3≥50停止。

（2）水箱手動加熱功能：按加熱“手動”鍵，加熱指示燈亮，啟動H1，到T3≥50停止H1。

（3）水箱定時加熱功能：

在設(shè)定的時間點(diǎn)1，啟動H1，到T3≥50停止。

在設(shè)定的時間點(diǎn)2，啟動H1，到T3≥50停止。

在設(shè)定的時間點(diǎn)3，啟動H1，到T3≥50停止。

1.1.5 H2控制

（1）防凍電熱帶功能：T5 ＜5，啟動H2，到T5 ＞5+3關(guān)閉H2。

（2）低水位保護(hù)功能：W1≤0時，P1，P2，H1不啟動。

1.2 控制器及傳輸裝置

控制器是對系統(tǒng)控制邏輯的具體實現(xiàn)，通過單片機(jī)程序設(shè)計，使得控制器內(nèi)部主板上的處理器按照太陽能熱水工程控制邏輯進(jìn)行運(yùn)行，控制器有采集單元、控制輸出單元和配電部分組成，采集的變量包括溫度、水位等參數(shù)，輸出信號包括AC200信號或驅(qū)動、開關(guān)量信號、模擬量信號等，去控制相對應(yīng)的設(shè)備。配電部分是對系統(tǒng)中的執(zhí)行設(shè)備，比如水泵、閥門進(jìn)行電氣的配置，滿足控制器輸出與設(shè)備電氣參數(shù)的匹配。

傳輸裝置是系統(tǒng)遠(yuǎn)程管理平臺與控制器之間的紐帶，它可以直接鑲嵌到控制器的主控板上，也可以單獨(dú)作為一個裝置進(jìn)行配套。它將和平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)的對接，滿足采集指令、控制指令、參數(shù)設(shè)置指令、遠(yuǎn)程邏輯升級指令的傳輸。傳輸裝置上都有一個唯一的標(biāo)識，在2G GRPR模塊上有一個IMEI編號，這個編號可以將系統(tǒng)基本信息和用戶信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，使得在平臺上可以通過相關(guān)用戶訪問系統(tǒng)信息，對系統(tǒng)進(jìn)行邏輯的選擇和升級。

圖4：下載流程

2 系統(tǒng)模型及遠(yuǎn)程升級

2.1 系統(tǒng)模型

依據(jù)太陽能熱水工程的應(yīng)用，我們進(jìn)行了系統(tǒng)模型的抽象，在抽象過程中進(jìn)行了多階的模型層次劃分，圖2是模型的表示，如圖2中110是一個系統(tǒng)的代碼，是在系統(tǒng)抽象時自定義的，第一個數(shù)字代表的是系統(tǒng)中水箱數(shù)量，第二個數(shù)字代表的是集熱循環(huán)的數(shù)量，第三個數(shù)字代表區(qū)分系統(tǒng)是承壓系統(tǒng)還是非承壓系統(tǒng)。按此方法可以將市場上常用太陽能熱利用系統(tǒng)進(jìn)行多層次的歸類。在平臺上點(diǎn)擊可以進(jìn)入子模型，依次找到對應(yīng)的具體系統(tǒng)，選擇系統(tǒng)就是選擇了系統(tǒng)固定好的控制邏輯，以便于給系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程邏輯升級。

2.1 遠(yuǎn)程升級

在系統(tǒng)平臺服務(wù)器中，與遠(yuǎn)程升級相關(guān)的信息存在數(shù)據(jù)庫表中。數(shù)據(jù)管理采用了MySQL數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，不僅包含遠(yuǎn)程升級模塊設(shè)計的表，也包括整個平臺內(nèi)的表，下載的邏輯文件存儲在硬盤上，通過路徑的管理進(jìn)行文件的操作。

傳輸設(shè)備采用的是GPRS無線傳輸，通過TCPIP協(xié)議實現(xiàn)與平臺服務(wù)器的鏈接，同時具備與控制系統(tǒng)的接口。遠(yuǎn)程升級指令是接口指令中的一類，它通過圖3電路接口實現(xiàn)，服務(wù)器根據(jù)用戶的相關(guān)操作獲取程序源文件的數(shù)據(jù)，然后形成指令包格式，發(fā)送給傳輸設(shè)備，傳輸設(shè)備解析后通過接口下載線擦除STM32芯片的FLASH，并把已獲取的數(shù)據(jù)寫入到FLASH，即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程更新。

控制系統(tǒng)的接口電路上有一片STM32芯片，內(nèi)部固化了BootLoader程序，它可以通過一種通訊接口，我們使用了GPRS的uart接口連接，GPRS芯片采用了SIMCOM800C，為了能使平臺傳輸過來的程序和應(yīng)用數(shù)據(jù)下載到存儲器中，我們對BootLoader進(jìn)行了適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，調(diào)整的基本原則是增加了800C的驅(qū)動程序，可以通過TCP協(xié)議與數(shù)據(jù)中心服務(wù)器進(jìn)行連接，可以通過設(shè)定好的協(xié)議格式進(jìn)行bin文件程序的連續(xù)下載。STM32允許用戶在應(yīng)用程序中重新燒寫閃存存儲器中的內(nèi)容。BootLoader是使用ICP方式燒到存儲器中的。如圖4所示。

3 結(jié)束語

太陽能熱水系統(tǒng)應(yīng)用場合非常普遍，系統(tǒng)的類型極其繁多，系統(tǒng)控制邏輯種類也極其繁多。如果在太陽能熱水系統(tǒng)中增加遠(yuǎn)程升級的功能，可以解決兩個大問題，一是邏輯的變化不會給客戶制造成本。由于系統(tǒng)比較分散，邏輯發(fā)生變化后需要更換主控單元，發(fā)配件或上門服務(wù)給客戶進(jìn)行更換，增加了相應(yīng)的成本。二是引導(dǎo)用戶使用成熟的控制邏輯，在太陽能管理平臺上集成了多種成熟的太陽能熱水系統(tǒng)模型，讓用戶找到滿足自己系統(tǒng)要求的系統(tǒng)模型，對合理使用和優(yōu)化太陽能熱利用系統(tǒng)起到推動作用。