基本信息
- 项目名称：
- 面向集群应用的太阳能热泵中央热水工程控制与管理系统设计
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 信息技术
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本系统采用传感器、嵌入式系统和自动控制等技术，开发太阳能、热泵中央热水工程控制器；采用无线数传技术，构建区域级管理系统与各控制器之间的通讯网络；采用.Net和Flex 3.0开发基于B/S架构的区域级和企业级管理系统。实现热水工程集群应用的分散测控、集中操作和可视化管理，为管理者提供便捷、高效的管理维护手段；同时能够进一步提高工程的能效和为政府部门提供节能减排统计数据。
- 详细介绍：
- 1.系统组成： 本系统组成如图1所示。控制器分别实现对相应的太阳能、热泵中央热水器进行控制，同时将各热水器的运行状态和参数通过无线数传网络上传给对应的区域集控与管理计算机，同时区域集控与管理计算机也可以通过无线数传网络下传控制指令对所管辖的热水器进行控制与管理。区域集控与管理计算机通过Internet与企业中心服务器实现数据同步。管理员或用户监控计算机只要登录服务器，即可对任何一台授权热水器实施控制与管理。 1.1主控制器 1.1.1主控制器的硬件电路 主控制器的组成如图2所示，其中微处理器选用PHILIPS公司ARM7TDMI-S内核的LPC2368，该芯片资源丰富，可有效地简化硬件设计、提高系统可靠性、缩短开发周期。选用EPROM和Flash扩展存储空间，其中EEPROM (24LC512)用于保存系统的配置数据，如厂家设置和用户设置等参数；Flash（SST25VF016）用于存放系统的历史数据、设置记录和报警记录等。利用LPC2368自带的4个UART，实现主控器和外围设备的数据交换。外围设备包括：用于现场人机交互的线控器，用于远程测控的无线数传模块，预留现场调试和远程有线通讯的接口。 传感器的选择可根据控制精度和实际需求进行选型，本系统温度传感器选用热敏电阻（NTC 10K）；水位传感器选用压力传感器（JYB-K）。传感器的输出经过调理后，直接利用LPC2368自带的10位A/D进行采集。选用超声波热量表（MTH-6）读取流量和热量值，通过M-BUS与主控器交换数据，为节能评估提供数据支持。微处理器输出控制信号经晶体管阵列（ULN2003）驱动继电器，进而控制外围设备。 时间是本系统的一个重要参数，季节的识别、用水时段的判断、历史数据的记录都要用到时间。本系统利用LPC2368自带的实时时钟与外接32.768kHz晶振实现，可获得较精准的时间，备用电池保证断电情况下实时时钟工作的连续性。主控制器的PCB如图3所示。 1.1.2主控制器的软件系统 嵌入式操作选用uCOS-II，经裁剪后移植至ARM内核微处理器LPC2368上。系统软件主程序流程见图4，在本系统中划分了多个任务，并根据任务的关联性、频繁性、实时性来确定任务的优先级，其中事件处理任务负责对ms、s、min、h的时间事件处理，是整个系统的节拍，所以它的实时性要求最高；数据采集和控制任务，负责采集光照度、温度、水位、流量、热量等信息，并根据逻辑条件判断产生控制输出，是系统的最主要任务，应给予较高的优先级；通讯收发任务负责主控器和外围设备的数据交换，保证数据的正确发送、完整接收以及通信协议处理，在操作许可的范围内实时性要求不是很高，将其置为较低和最低优先级。 在图5的软件初始化流程中的EEPROM配置数据包括控制对象（太阳能、热泵中央热水器）的配置，这些配置能自动映射至各个控制流程，解决太阳能、热泵中央热水器多种模式的控制问题，使太阳能、热泵中央热水器与建筑一体化设计更为简便。 本系统的主要控制流程包括：定温进水、温差循环、产供热水箱循环、辅助加热控制、时段变容量供水控制、回水循环、防冻循环、超限保护控制、异常报警信号产生和无线通讯控制等，其中时段变容量供水技术是系统的主要创新点；关键技术在于根据当前水箱储热量、环境气温、辅助加热设备功率，预测当前时段用水需求的最低水位；目标是保证供水需求的前提下，使供热水箱剩余热水量最少，从而提高系统的能效。其程序流程如图6所示。 1.2 区域级和企业级管理系统 本系统的控制与管理软件架构如图7所示。区域集控与管理系统由通信控制软件、区域管理软件、区域数据库组成。企业集控与管理系统由企业中心数据同步Web service、企业管理软件、企业数据库组成。区域集控与管理系统通过无线数传模块与各个太阳能中央热水器建立通讯链路，通过Internet和企业集控与管理系统实现数据交换（由企业集控中心提供两级数据库的数据同步Web service）。系统的管理界面如图8、9所示。其中图8为图形管理界面，图9为数据管理界面，两者可以互为切换。 2.系统功能： 本系统的主要功能如下： （1）主控制器能够适应多种配置和安装模式的太阳能中央热水器的控制需求，新建系统有利于与建筑一体化设计，用于改造已有系统可进一步提高系统能效。 （2）主控制器和集控与管理系统之间采用无线通讯，组网灵活、施工方便、成本低廉。 （3）区域集控与管理系统可实现对所管辖区域内所有太阳能热水器的控制与管理，管理界面有图形和数据表两种形式可选，可实时显示任一工程的工作状态。 （4）企业集控与管理系统可实现对企业所有的太阳能热水器的控制与管理。 （5）在管理界面上设置和编辑国家、省、市（县、区）等地域信息和编辑建设区域和具体工程的相关信息，设置不同级别的用户权限。 （6）具有工程主要部件及其安装方式的配置功能，集控与管理界面能够根据最新配置自动更新； （7）可对任一工程主控制器的预置参数进行重置或查询，查询任一工程的当前数据或历史数据； （8）对所有主控器进行时间广播以及自检或重启操作； 3.主要创新点： （1）用自主研发的“时段变容量供水”技术改造传统控制模式，节能效率提高15% 以上，见附件中的查新报告（PDF文件）和用户应用证明。 （2）研发太阳能系统的主要部件（类型和数量）及其安装方式的可配置技术，解决多模式热水器系统的控制难题，实现降低太阳能、热泵中央热水工程与建筑一体化的设计与施工的难度和建设成本。见附件查新报告（PDF文件）。 （3）系统管理分现场、区域和企业三级，实现分布于全国各地的太阳能、热泵中央热水工程分散测控、集中操作与可视化管理。
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作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 1．设计目的：进一步提高太阳能热泵中央热水工程能效；解决太阳能、热泵中央热水工程集群应用所需的分散测控、集中操作和可视化管理的技术问题；为企业和应用单位提供便捷的集中操作与可视化管理手段；为相关部门提供节能减排数据。 2. 基本思路：由系统组成框图可见，控制器采用传感器和嵌入式系统等技术实现，实施对太阳能、热泵热水工程的自动控制，通过创新设计改进控制策略来提高系统的能效。区域集控与管理与企业集控与管理软件，均采用.Net和Flex 3.0开发。其中区域集控与管理计算机通过无线数传网络与所管辖区域内的控制器建立通讯，同时通过Internet或GPRS方式与企业集控与管理中心实现数据交换，并通过区域集控与管理计算机实现对任意一个太阳能、热泵中央热水工程实施测控与管理。 3.主要创新点：（1）用自主研发的“时段变容量供水”技术改造传统控制模式，节能效率提高15% 以上。见查新报告和应用证明。（2）研发太阳能系统的主要部件（类型和数量）及其安装方式的可配置技术，解决多模式热水器系统的控制难题，实现降低太阳能、热泵中央热水工程与建筑一体化的设计与施工的难度和建设成本。见查新报告。（3）系统管理分现场、区域和企业三级，实现分布于全国各地的太阳能、热泵中央热水工程分散测控、集中操作与可视化管理。 4.主要技术指标：（1）温度预置范围：0—99℃，可设置；（2）测温精度：±1℃，控温精度：±2℃；（3）水位预置范围：0—5m，可设置；水位测量精度≤10mm；（4）时段水位预置数：≤24。
科学性、先进性
- 由系统框图可见，系统结构由现场终端、区域集控与管理计算机、企业集控与管理中心三部分组成，能很好地满足分散测控、分级集中操作与管理的需求，又便于系统扩展和管理。现场终端和区域集控与管理计算机之间采用无线数传通讯，具有组网灵活的特点，同时可降低施工难度与建设成本；区域集控与管理和企业集控与管理软件采用B/S架构，使管理者不受时间地点的限制，只要有上网的条件，均可对权限范围内的任一热水器实施操作与管理，如查询当前或历史数据、调整参数设置等。可大幅度降低运行和维护的管理成本，又便于质量跟踪和售后服务。此外，可为政府和企业提供先进的可再生能源监测与管理技术，促进能源利用水平提高，加快能源信息化建设步伐。 控制器采用创新点（1）改造传统控制技术，有效地提高系统的能效，节能效果明显。创新点（2）较好地解决了多模式系统的控制问题。采用“非稳定通道的限时数据通讯”（专利申请号：2010206702109）技术，较好地解决了大量现场终端与数据服务器之间频繁的数据交换而可能出现的操作延迟和通讯阻塞的问题。
获奖情况及鉴定结果
- 2011年6月第十届“挑战杯”省大学生课外学术科技作品竞赛一等奖 2011年4月校第七届“挑战杯”课外学术科技作品竞赛一等奖 2010年10月校软件学院第三届“欧氏杯”软件设计竞赛特等奖
作品所处阶段
- 中试阶段。并由福建圣元公司在深圳市职业技术学院推广应用。
技术转让方式
- 无
作品可展示的形式
- 模型、远程控制和管理操作演示。
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 本项目的技术特点和优势，多数已体现在第四节“作品的科学性先进性”中，本项目产品具有能效高、人均建设成本低、便于与建筑一体化设计、具有分散测控、集中操作与可视化管理功能等特点，特别适用于大范围大规模集群应用的工程建设，以及后续的工程营运、维护和管理。同时可为政府和企业提供先进的可再生能源监测与管理技术与管理手段。 财建[2011]61号文指出，“力争到2015年底，新增可再生能源建筑应用面积25亿平方米以上，形成常规能源替代能力3000万吨标准煤”。这意味着年均新增20万台集热器面积100平方米以上的太阳能热水器，加上原有工程的信息化改造，在“十二五”期间本项目产品的需求量将超过30万台。如果将控制器与管理系统配套销售，平均以每台售价1万元计算，则预计年产值可达6亿元。
同类课题研究水平概述
- 近10年来，随着技术日益成熟，家用全玻璃真空集热管太阳能热水器率先得到广泛应用，其中，技术水平最高、销量最多的是全玻璃真空集热管太阳能热水器。近年来太阳能中央热水器异军突起，国内外研究机构也将注意力投向集群应用的太阳能供热控制研究，04年北方赛尔太阳能工程技术有限公司杨修等发表了太阳热水工程智能控制系统的设计，提出采用PLC控制器开发工程化热水控制系统，06年高军林在其论文中介绍了在高校试点太阳能与建筑一体化的过程，指出集群化设计结果为高校能源的系统化管理，提高能源利用效率起到了重要作用，07年台湾大学黄秉钧、李璟柏提出整体式太阳能、热泵热水器设计，关注充足阳光和微弱阳光等供热模式。近期多项发明专利根据各自应用特点给出系统配置的设计方案，同时也有多篇文献分析了如何从光热系统中进一步提升低温、弱照度下的系统效率。09年Jayanta Deb Mondol在Applied Energy发表了太阳能换热存储系统的实验的研究，从存储系统上考虑提高太阳能热水系统的热效率，同年M.Souliotis利用神经网络和TRNSYS软件对太阳能集热器的存储系统设计做了研究，Alireza Hobbi在设计强制循环的太阳能热水系统的同时，详细分析了影响到热水系统效率的多个组态参数，这些研究为简化太阳能系统的设计及提高能效做了一定的技术铺垫。 在系统集成与控制管理技术上，2008年北京奥运会工程之一“奥运村”，在太阳能热水系统招标中，选择了德国企业生产的太阳能中央热水系统，让我国真空管太阳能热水器生产商不得不凝神反思。2009年3月，在第六届中国太阳能品牌产品博览会上，海尔太阳能中标澳洲一万平方米集控式集热器大单，成为惹人眼红的新闻。而海尔集团采用的是从德国引进的集控式集热技术，该技术具有较好的保温和密封性能。此外，皇明、太阳雨、澳柯玛等国内品牌企业也纷纷投资太阳能中央热水器项目。经过太阳能热水器行业共同努力，我国太阳能中央热水器正从低谷走向了新的发展阶段。 综上所述，太阳能、热泵中央热水器及其相关技术得到广泛的关注和快速发展。就相关技术而言，国外在太阳能热利用技术上集热板具有明显优势，国内的广东、江苏、淅江等地的家用太阳能控制仪的生产和研发处于领先水平，对于集群化应用的控制系统，还仅是个别系统集成商应用PLC作前端控制和工业控制计算机作上位机方式实现。
