太陽能熱水系統邏輯模型及遠程下載

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用。太陽能熱利用的發展比較迅速，應用在各個領域。標準ISO 9459根據太陽能熱水系統的特點進行了分類，將系統分為七大類，從太陽能應用層面、集熱換熱方式、太陽能集熱循環方式、系統的組成、系統承壓情況、制熱模式、加熱介質方式等方面進行了分類，分類雖然很清晰，但實際的應用種類非常復雜，系統的控制邏輯也出現了很多的組合。為了讓用戶對系統有所參考，使系統設計更合理，讓系統與控制系統的邏輯進行更好的匹配，我們對系統進行了軟硬件分類，但也達到了500多種類型。發現完全標準化成少數幾個典型模式實在困難，即便可以抽象出20種、涵蓋50%以上系統模型，然后將程序邏輯放入一個控制單元內，快速開發出相應的產品，讓客戶選擇應用，也會是極大的考驗。所以我們對物聯網技術的應用進行了分析，通過管理平臺進行歸納可以達到這個目標，有效解決這個問題，通過迭代分析總結模型，歸納出一些較好的太陽能熱水工程系統，便于行業的推廣和發展。

1 太陽能熱水系統及控制邏輯

太陽能熱水系統是太陽能熱利用的核心，一般會根據系統熱水的總用量和用戶規律進行分析，結合安裝場合的結構進行系統設計，系統初步設計完成后會對控制器的邏輯和控制單元進行設計，滿足系統控制的要求。

圖1：太陽能系統運行原理圖

圖2：系統模型

1.1 系統及邏輯

依據用戶熱水量、集熱器的數量、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，以下是一個典型的太陽能熱水系統運行原理及邏輯如圖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：

在設定的時間點1，啟動E1；到W1≥5，停止E1。

在設定的時間點2，啟動E1；到W1≥5，停止E1。

在設定的時間點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，關閉E1。

1.1.2 P1控制

（1）溫差循環功能：T1-T3≥7，啟動P1，T1-T3≤3，停止P1。

（2）定時循環： 7：00，啟動P1，延時5分鐘關閉P1。

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

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

1.1.3 P2控制

（1）管路循環功能： 在三個時間段內，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：

在設定的時間點1，啟動H1，到T3≥50停止。

在設定的時間點2，啟動H1，到T3≥50停止。

在設定的時間點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關閉H2。

（2）低水位保護功能：W1≤0時，P1，P2，H1不啟動。

1.2 控制器及傳輸裝置

控制器是對系統控制邏輯的具體實現，通過單片機程序設計，使得控制器內部主板上的處理器按照太陽能熱水工程控制邏輯進行運行，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，輸出信號包括AC200信號或驅動、開關量信號、模擬量信號等，去控制相對應的設備。配電部分是對系統中的執行設備，比如水泵、閥門進行電氣的配置，滿足控制器輸出與設備電氣參數的匹配。

傳輸裝置是系統遠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，也可以單獨作為一個裝置進行配套。它將和平臺進行數據的對接，滿足采集指令、控制指令、參數設置指令、遠程邏輯升級指令的傳輸。傳輸裝置上都有一個唯一的標識，在2G GRPR模塊上有一個IMEI編號，這個編號可以將系統基本信息和用戶信息進行關聯，使得在平臺上可以通過相關用戶訪問系統信息，對系統進行邏輯的選擇和升級。

圖4：下載流程

2 系統模型及遠程升級

2.1 系統模型

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

2.1 遠程升級

在系統平臺服務器中，與遠程升級相關的信息存在數據庫表中。數據管理采用了MySQL數據庫管理系統，不僅包含遠程升級模塊設計的表，也包括整個平臺內的表，下載的邏輯文件存儲在硬盤上，通過路徑的管理進行文件的操作。

傳輸設備采用的是GPRS無線傳輸，通過TCPIP協議實現與平臺服務器的鏈接，同時具備與控制系統的接口。遠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，服務器根據用戶的相關操作獲取程序源文件的數據，然后形成指令包格式，發送給傳輸設備，傳輸設備解析后通過接口下載線擦除STM32芯片的FLASH，并把已獲取的數據寫入到FLASH，即可實現遠程更新。

控制系統的接口電路上有一片STM32芯片，內部固化了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用數據下載到存儲器中，我們對BootLoader進行了適當的調整，調整的基本原則是增加了800C的驅動程序，可以通過TCP協議與數據中心服務器進行連接，可以通過設定好的協議格式進行bin文件程序的連續下載。STM32允許用戶在應用程序中重新燒寫閃存存儲器中的內容。BootLoader是使用ICP方式燒到存儲器中的。如圖4所示。

3 結束語

太陽能熱水系統應用場合非常普遍，系統的類型極其繁多，系統控制邏輯種類也極其繁多。如果在太陽能熱水系統中增加遠程升級的功能，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。由于系統比較分散，邏輯發生變化后需要更換主控單元，發配件或上門服務給客戶進行更換，增加了相應的成本。二是引導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模型，讓用戶找到滿足自己系統要求的系統模型，對合理使用和優化太陽能熱利用系統起到推動作用。