模組壁掛爐的溫度協同控制系統設計*

陳嘉源, 吳黎明, 金玲玲

(1. 廣東工業大學，廣州 510006; 2. 深圳瑞斯特朗科技有限公司)

模組壁掛爐的溫度協同控制系統設計*

陳嘉源1,2, 吳黎明1, 金玲玲2

(1. 廣東工業大學，廣州 510006; 2. 深圳瑞斯特朗科技有限公司)

摘要:為了解決燃氣壁掛爐在大面積采暖時出現的供暖溫度差異，從安全可靠的角度出發，提出模組壁掛爐溫度協同控制方案。通過增設2個邏輯開關，由公共顯示面板以輪詢的方式每隔4 s依次與多個壁掛爐的控制主板完成數據交互，實現模組壁掛爐的協同控制。經實驗測試，4臺壁掛爐同時在線時，能按照供暖需求富裕和最長工作時間優先停機原則完成協同控制，系統基本完成預期目標。

關鍵詞:模組壁掛爐；協同控制；供暖需求富裕

引言

燃氣壁掛爐也稱壁掛爐，是一種以天然氣、人工煤氣或液化氣作為主要能源，提供溫暖舒適的家居供暖及生活用水的家用設備。它具有家庭集中供熱、滿足多居室采暖要求的功能，而且能提供大流量的恒溫衛生熱水，供家庭沐浴，已經廣泛地使用在常年溫度較低的地區[1-2]。然而，壁掛爐的供暖能力與加熱效率、儲水容量、供能水管的密度等有關。根據實際經驗，100 m2的采暖面積，需要15 kW的供熱功率，加上衛浴用水，基本上要選擇一個18 kW的壁掛爐[3]。對于300 m2甚至更大采暖面積的情況，需要選擇大功率、大容量的壁掛爐。在我國，對燃氣類產品的安全認證要求比較高，特別是對于大容量的壁掛爐，雖然供暖能力大大地提高，也增加了相應的安全隱患。同時，由于布置水管的密度大，布置路徑長，儲水罐的出水溫度和回水溫度溫差過大，會出現在儲水罐附近的地方溫度適中，而比較遠的地方溫度則達不到要求的情況。

基于上述問題，提出模組壁掛爐的溫度協同控制方案，通過一個公共顯示面板同時操作多臺小容量小功率的壁掛爐，實現模組壁掛爐的溫度協同控制。

1模組壁掛爐溫度協同控制原理

傳統壁掛爐的控制電路由人機交互的顯示面板和接收控制指令的控制主板組成，顯示面板和控制主板之間通過串口通信，如圖1(a)所示[4-5]。使用壁掛爐的首要條件是安全問題，如果單純地增加多個燃氣爐，當其中一個燃氣爐出現故障、但其他燃氣爐處于正常工作，或者只有控制主板出現故障情況下，多個燃氣爐工作也會面臨安全風險。因此，本方案繼續采用1控制主板、1燃氣爐的原則，在保證不改動控制主板硬件的前提下，在顯示面板和多個控制主板之間增加2個1對8的邏輯開關，每隔500 mm同時切換到下一路，結構圖如圖1(b)所示。

圖1　系統工作原理圖

這樣，顯示面板和多個控制主板之間通過遍歷的方式，顯示面板的操作指令能下傳到各個控制主板，控制主板的信息也能上傳到顯示面板。當模組壁掛爐滿載時(8臺全部在線)，每臺壁掛爐的響應時間只需4 s，對于用戶來說是可以接受的。即使其中一個燃氣爐出現故障，對應的控制主板也能及時關閉燃氣閥，而不影響其他燃氣爐的工作，保證了模組壁掛爐的正常供暖。

2模組壁掛爐顯示面板硬件設計

圖2　顯示面板硬件原理圖

為了讓模組壁掛爐兼容現有的各款控制主板，本設計不對控制主板重新設計，僅設計具有模組協同控制功能的顯示面板。圖2是顯示面板的核心硬件原理圖，其中，采用Microchip公司的PIC16F1939微控制器，該芯片有256字節的片內EEPROM，可以掉電存儲壁掛爐的工程參數信息，節省了硬件成本，如圖2(a)所示。

在采暖出水管、回水管、衛浴出水管處各放置1個10 kΩ的NTC型熱敏電阻作為溫度探頭，通過配置5.1 kΩ上拉電阻，用3路A/D轉換分時采集出水管溫度，溫度信息可以反饋控制壁掛爐的輸出功率，如圖2(b)所示。

模組壁掛爐的關鍵部件是2個邏輯開關，邏輯開關采用CD4051單8通道數字控制模擬電子開關，由A、B、C三個地址引腳控制8個輸出端，可以保證在某個時刻只有一路信號正常輸出，而且保證串口發送和串口接收同步切換，如圖2(c)所示。

液晶屏、雙色指示燈以及9個獨立按鍵是重要的人機交互設備。液晶屏是通過液晶驅動芯片HT1621完成，MCU的4個I/O引腳分別和四線串行接口相連，以“連續寫”的方式向液晶屏的顯存一次寫入32×4個字節的字符信息。而雙色指示燈用來指示當前系統的工作狀態，熄滅表示關機狀態，綠色表示工作狀態，紅色表示出現故障狀態。

3模組壁掛爐工作邏輯

3.1壁掛爐的工作流程

一般情況下，控制主板上電時主動向顯示面板供電，上電2 s后，系統處于穩定工作狀態，顯示面板向控制主板主動發送21條參數指令包括壁掛爐的點火設置、編碼器設置、衛浴出水與采暖出水溫度設置、極限參數設置等，指令格式如下所示。

碼頭指令碼參數長度參數碼碼尾0x55Cmd0x01(默認)Par0x0D

控制主板收到工程參數后更新壁掛爐的啟動狀態，此后，控制主板和顯示面板處于關機狀態，等待用戶鍵入控制指令。控制主板每隔300 ms向顯示面板循環發送如表1所列的7條實時狀態信息，并只有在顯示面板返回“OK”指令后，控制主板才更新發送下一條實時狀態信息。

3.2模組壁掛爐的啟動流程

圖3為模組壁掛爐的工作流程圖，具體步驟如下：

表1　實時狀態信息表

① 系統上電后初始化階段，在10 s內，顯示面板以20 ms的間隔向8路通道循環發送21條工程參數信息。

② 隨后顯示面板進入保持階段，保持與每一通路的連接時間為2 s，共2個循環，在這2段連接時間內，如果某一路通道在0xD0～0xD5內的其中一條指令返回，表示該通路上有壁掛爐在線，而且約定第1通路的壁掛爐為主設備，其他7路的壁掛爐為從設備，工作優先級依次遞減，通過檢測每一路通路的信息返回，獲取在線工作的壁掛爐編號，在以后的輪詢過程中，只連接在線的通道，以此加大通信效率。

③ 進入待機狀態，液晶屏出現“OFF”字符，顯示面板從第一路開始，與每一路在線的控制主板保持4 s的連接時間。在這4 s內，在線的控制主板循環向顯示面板發送6條實時狀態信息，4 s后顯示面板切換到下一路，通過這樣的方式，顯示面板遍歷所有的在線壁掛爐實時狀態信息。

④ 當觸發開機鍵時進入運行階段，液晶屏顯示第一臺壁掛爐的狀態信息，每隔20 s切換到下一路，依次循環顯示在線壁掛爐的實時狀態信息，在顯示某一臺壁掛爐信息時，操作顯示面板的“+”、“-”溫度鍵，顯示面板自動切換到當前控制的壁掛爐通道，完成對該臺壁掛爐的溫度設置；若在某時刻某通道的控制主板掉線，顯示面板在接通該通道時將收不到6條實時狀態信息，液晶屏顯示“E1”錯誤碼。出現掉線情況時，液晶屏保持顯示該通道的出錯信息，直到掉線故障排除，或者重新啟動模組壁掛爐，將掉線的壁掛爐通道清空。

圖3　模組壁掛爐的工作流程圖

3.3模組壁掛爐的控制邏輯

在多臺壁掛爐同時工作時，容易出現“需求富裕”的情況，明顯的特征是采暖出水管的溫度和回水管溫度相當，說明供能太急，這時需要關閉一定數量的壁掛爐，達到降溫或保溫效果。而且，壁掛爐連續工作容易造成損壞，為了合理地調用在線的壁掛爐，需要考慮每一臺壁掛爐已經工作的時間。

(1) 供暖原則

比較系統設定溫度和采暖回水溫度的差值，當溫差大于或等于8 ℃時，所有在線的壁掛爐全部投入工作；當溫差小于5 ℃時，保留5臺工作，其他關閉；當溫差小于3 ℃時，保留3臺工作，其他關閉。如果系統實際在線的壁掛爐數小于以上溫差需求，就全部投入工作。此時的“關閉”是假關閉，只是進行熄火操作，將采暖溫度設置到35 ℃，而不是將壁掛爐設置為關機狀態，以便維持水泵的運轉，保持采暖水路的管路壓力。當溫差為零時，說明溫度已經滿足采暖要求，只保留一路壁掛爐工作，其他關閉，以維持當前溫度。當溫差出現負數，說明出現采暖出水溫度比設定值還高的情況，一般來說這是不允許的，因此約定超過2 ℃時將全部壁掛爐關閉，等待手工恢復。

(2) 停機原則

在模組壁掛爐供熱需求富裕時，按照最長工作時間優先停機休息的原則安排假關閉。如果壁掛爐的工作時間相等，則按照壁掛爐所在通道的優先級從小到大安排熄火假關閉。為了防止溫差在臨界范圍上下波動，導致壁掛爐頻繁點火，限定進入假關閉的壁掛爐需要停機30 min后才能重新啟動。

圖4　模組壁掛爐測試效果圖

另外，衛浴水是在衛浴水罐內進行二次熱交換，顯示面板只需要檢測衛浴出水溫度與衛浴設定溫度的差異情況，當小于設定溫度3 ℃時，啟動衛浴水泵，讓壁掛爐的采暖熱水進入衛浴水罐的盤管循環流動，與衛浴水罐里的衛浴水進行熱交換。當溫度達到時，衛浴水泵自動關閉，只有衛浴水再次低于設定溫度的3 ℃時才重新啟動衛浴水泵。正常采暖過程中，每觸按一次外置水泵按鍵，外置水泵就打開或關閉，以此加快采暖熱水和采暖地板的熱交換。

4測試與小結

為了驗證上述方案的可靠性，搭建模組壁掛爐溫度協同控制系統，對圖4所示的模組壁掛爐進行測試。測試條件：采用2臺壁掛爐和2路串口模擬壁掛爐進行測試，其中，將2臺壁掛爐的控制主板掛載在顯示面板的第一路通道和第8路通道上，2個串口分別與PC機相連模擬壁掛爐的工作狀態。為方便對系統進行調試，采用10 kΩ電位器模擬3個NTC熱敏電阻。測試中，顯示面板的液晶屏顯示37 ℃表示采暖出水溫度，58 ℃表示采暖設定溫度，液晶屏上火焰符號表示該壁掛爐處于采暖加熱狀態。

經過實驗證明，4臺壁掛爐同時在線時能按照預期目標完成采暖溫度的協同控制，系統基本完成預期目標。測試情況如表2所列。

表2　實驗測試記錄表

參考文獻

[1] 王鵬.燃氣壁掛爐在住宅建筑中的應用[J].低溫建筑技術,2013,35(4):126-127.

[2] 陳煜,張輝.冷凝式燃氣壁掛爐的特點及應用現狀[J].上海工程技術大學學報,2013,27(4):289-291.

[3] 馬婧芳.淺談分戶燃氣壁掛爐供暖的發展優勢[J].科技信息,2009(35):322,391.

[4] 陳嘉源,吳黎明.基于家庭網絡技術的燃氣壁掛爐故障監測系統設計[J].自動化與信息工程,2014(5):7-11.

[5] 周晉.燃氣壁掛鍋爐系統設計[J].科技展望, 2014(21):198.

陳嘉源(碩士研究生)，主要從事無線傳感網、嵌入式系統和自動控制應用研究；吳黎明(教授)，主要從事嵌入式系統、通信與信息系統研究。

Temperature Coordinated Control System of Wall-Mounted Boiler

Chen Jiayuan1,2,Wu Liming1,Jin Lingling2

(1.Guangdong University，Guangzhou of Technology, Guang zhou 510006,China; 2.Shenzhen Raystrong Technology Co.,Ltd.)

Abstract：In order to solve the wall-mounted gas boiler heating temperature difference in large heating area,a plan of multiple wall-mounted boiler temperature coordinated control is put forward from the perspective of safe and reliability.The coordinated control is realized by adding two logical switchers.The public display board will complete the data interaction with the multiple control main board of wall-mounted boiler one by one in every 4 seconds.The experiment test results show that the system can complete coordinated control according to the principle of heating demand rich and preference downtime with longest work time when the 4 wall-mounted boiler are online at the same time.The system basically completes the expected goal.

Key words:wall-mounted boiler;coordinated control;heating demand rich

* 基金項目：廣州市科技計劃重點項目(項目編號：20130701)。

中圖分類號:TP272

文獻標識碼:A

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-12-10)