太阳能热水系统逻辑模型及远程下载

文/张一宇 唐轩

太阳能热水工程是以太阳能集热单元为核心，集热单元种类较多，有全玻璃真空管集热器、平板集热器、热管集热器等，它们也可以组合起来应用。太阳能热利用的发展比较迅速，应用在各个领域。标准ISO 9459根据太阳能热水系统的特点进行了分类，将系统分为七大类，从太阳能应用层面、集热换热方式、太阳能集热循环方式、系统的组成、系统承压情况、制热模式、加热介质方式等方面进行了分类，分类虽然很清晰，但实际的应用种类非常复杂，系统的控制逻辑也出现了很多的组合。为了让用户对系统有所参考，使系统设计更合理，让系统与控制系统的逻辑进行更好的匹配，我们对系统进行了软硬件分类，但也达到了500多种类型。发现完全标准化成少数几个典型模式实在困难，即便可以抽象出20种、涵盖50%以上系统模型，然后将程序逻辑放入一个控制单元内，快速开发出相应的产品，让客户选择应用，也会是极大的考验。所以我们对物联网技术的应用进行了分析，通过管理平台进行归纳可以达到这个目标，有效解决这个问题，通过迭代分析总结模型，归纳出一些较好的太阳能热水工程系统，便于行业的推广和发展。

1 太阳能热水系统及控制逻辑

太阳能热水系统是太阳能热利用的核心，一般会根据系统热水的总用量和用户规律进行分析，结合安装场合的结构进行系统设计，系统初步设计完成后会对控制器的逻辑和控制单元进行设计，满足系统控制的要求。

图1：太阳能系统运行原理图

图2：系统模型

1.1 系统及逻辑

依据用户热水量、集热器的数量、建筑分布情况、辅助加热、防冻伴热带等综合因素确定太阳能热水系统，以下是一个典型的太阳能热水系统运行原理及逻辑如图1所示。

1.1.1 E1控制

（1）水箱自动上水功能：W1≤2，启动E1；W1≥5停止E1。

（2）水箱手动上水功能：按上水“手动”键，上水指示灯亮，启动E1；W1≥5停止E1。

图3：下载程序电路接口

（3）水箱定时上水功能：

在设定的时间点1，启动E1；到W1≥5，停止E1。

在设定的时间点2，启动E1；到W1≥5，停止E1。

在设定的时间点3，启动E1；到W1≥5，停止E1。

水箱定温上水功能：T3≥55且W1＜6，启动E1，到T3≤50或W1≥6，关闭E1。

1.1.2 P1控制

（1）温差循环功能：T1-T3≥7，启动P1，T1-T3≤3，停止P1。

（2）定时循环： 7：00，启动P1，延时5分钟关闭P1。

（3）防冻循环功能： T1或T2＜5，启动P1；到T1且T2≥5+3，延时2分钟停止P1。

（4）集热器高温保护功能： T1＞95，P1不启动；到T1≤95-5，P1恢复。

1.1.3 P2控制

（1）管路循环功能： 在三个时间段内，T4≤36，且T3≥41，启动P2；到T4＞36+3或T3＜41-3停止P2。

（2）管路防冻功能：T4＜5，启动P2；到T4≥5+3，延时2分钟关闭P2

1.1.4 H1控制

（1）水箱自动加热功能：T3≤45，启动H1，到T3≥50停止。

（2）水箱手动加热功能：按加热“手动”键，加热指示灯亮，启动H1，到T3≥50停止H1。

（3）水箱定时加热功能：

在设定的时间点1，启动H1，到T3≥50停止。

在设定的时间点2，启动H1，到T3≥50停止。

在设定的时间点3，启动H1，到T3≥50停止。

1.1.5 H2控制

（1）防冻电热带功能：T5 ＜5，启动H2，到T5 ＞5+3关闭H2。

（2）低水位保护功能：W1≤0时，P1，P2，H1不启动。

1.2 控制器及传输装置

控制器是对系统控制逻辑的具体实现，通过单片机程序设计，使得控制器内部主板上的处理器按照太阳能热水工程控制逻辑进行运行，控制器有采集单元、控制输出单元和配电部分组成，采集的变量包括温度、水位等参数，输出信号包括AC200信号或驱动、开关量信号、模拟量信号等，去控制相对应的设备。配电部分是对系统中的执行设备，比如水泵、阀门进行电气的配置，满足控制器输出与设备电气参数的匹配。

传输装置是系统远程管理平台与控制器之间的纽带，它可以直接镶嵌到控制器的主控板上，也可以单独作为一个装置进行配套。它将和平台进行数据的对接，满足采集指令、控制指令、参数设置指令、远程逻辑升级指令的传输。传输装置上都有一个唯一的标识，在2G GRPR模块上有一个IMEI编号，这个编号可以将系统基本信息和用户信息进行关联，使得在平台上可以通过相关用户访问系统信息，对系统进行逻辑的选择和升级。

图4：下载流程

2 系统模型及远程升级

2.1 系统模型

依据太阳能热水工程的应用，我们进行了系统模型的抽象，在抽象过程中进行了多阶的模型层次划分，图2是模型的表示，如图2中110是一个系统的代码，是在系统抽象时自定义的，第一个数字代表的是系统中水箱数量，第二个数字代表的是集热循环的数量，第三个数字代表区分系统是承压系统还是非承压系统。按此方法可以将市场上常用太阳能热利用系统进行多层次的归类。在平台上点击可以进入子模型，依次找到对应的具体系统，选择系统就是选择了系统固定好的控制逻辑，以便于给系统进行远程逻辑升级。

2.1 远程升级

在系统平台服务器中，与远程升级相关的信息存在数据库表中。数据管理采用了MySQL数据库管理系统，不仅包含远程升级模块设计的表，也包括整个平台内的表，下载的逻辑文件存储在硬盘上，通过路径的管理进行文件的操作。

传输设备采用的是GPRS无线传输，通过TCPIP协议实现与平台服务器的链接，同时具备与控制系统的接口。远程升级指令是接口指令中的一类，它通过图3电路接口实现，服务器根据用户的相关操作获取程序源文件的数据，然后形成指令包格式，发送给传输设备，传输设备解析后通过接口下载线擦除STM32芯片的FLASH，并把已获取的数据写入到FLASH，即可实现远程更新。

控制系统的接口电路上有一片STM32芯片，内部固化了BootLoader程序，它可以通过一种通讯接口，我们使用了GPRS的uart接口连接，GPRS芯片采用了SIMCOM800C，为了能使平台传输过来的程序和应用数据下载到存储器中，我们对BootLoader进行了适当的调整，调整的基本原则是增加了800C的驱动程序，可以通过TCP协议与数据中心服务器进行连接，可以通过设定好的协议格式进行bin文件程序的连续下载。STM32允许用户在应用程序中重新烧写闪存存储器中的内容。BootLoader是使用ICP方式烧到存储器中的。如图4所示。

3 结束语

太阳能热水系统应用场合非常普遍，系统的类型极其繁多，系统控制逻辑种类也极其繁多。如果在太阳能热水系统中增加远程升级的功能，可以解决两个大问题，一是逻辑的变化不会给客户制造成本。由于系统比较分散，逻辑发生变化后需要更换主控单元，发配件或上门服务给客户进行更换，增加了相应的成本。二是引导用户使用成熟的控制逻辑，在太阳能管理平台上集成了多种成熟的太阳能热水系统模型，让用户找到满足自己系统要求的系统模型，对合理使用和优化太阳能热利用系统起到推动作用。