面向集群應(yīng)用的太陽能中央熱水器控制與管理系統(tǒng)設(shè)計
摘要:針對當(dāng)前太陽能中央熱水器信息化程度不高,管理、維護(hù)和售后服務(wù)困難的問題,提出采用分散檢測、集中控制和管理的技術(shù)方案;采用嵌入式系統(tǒng)、無線通信、計算機(jī)軟件和Web等技術(shù),實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的可視化管理與操作,對于提高太陽能利用率、降低管理維護(hù)成本、統(tǒng)計和發(fā)布節(jié)能數(shù)據(jù)、以及促進(jìn)太陽能光熬利用的推廣均具有重要意義。
關(guān)鍵詞:集群應(yīng)用;太陽能熱水器;分散監(jiān)測,集中控翻;可視化管理
0 引言
《中國太陽能熱水器產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究報告》顯示,目前我國已成為世界上最大的太陽能熱水器生產(chǎn)國和銷售國,每年以約30%的速度增長,規(guī)模已經(jīng)達(dá)到200億元。但是形成規(guī)模的太陽能熱水器主要是家用太陽能熱水器,傳統(tǒng)的家用太陽能熱水器不僅人均占用空間和投資成本大,太陽能以及水的利用率低,信息化程度低、維護(hù)管理工作量大,而且還影響原建筑的外觀。集群應(yīng)用的太陽能中央熱水器可以很好地克服上述問題,而且還具有產(chǎn)、供熱的智能化程度高,供水量大,突發(fā)性供水能力強(qiáng),特別適合于現(xiàn)代生活小區(qū)、學(xué)校、企業(yè)、酒店等單位的應(yīng)用,已逐步成為太陽能光熱利用的主要方向。這種分布于各棟樓宇屋頂?shù)奶柲苤醒霟崴鞯目煽靠刂坪图泄芾?,是集群?yīng)用的太陽能中央熱水器能否得到推廣應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)。本文提出了采用分散檢測、集中控制和可視化管理的技術(shù)方案,采用嵌入式系統(tǒng)、無線通信、計算機(jī)軟件和Web等技術(shù),實(shí)現(xiàn)對太陽能中央熱水器系統(tǒng)的可視化管理與操作,同時為企業(yè)提供便捷的售后服務(wù)管理手段和方便統(tǒng)計、發(fā)布節(jié)能數(shù)據(jù),對于促進(jìn)太陽能中央熱水器的推廣應(yīng)用具有重要意義。
1 系統(tǒng)設(shè)計方案
本系統(tǒng)的組成如圖1所示,它由現(xiàn)場終端、區(qū)域集控與管理平臺、企業(yè)集控與管理中心三部分構(gòu)成?,F(xiàn)場終端包括主控器、線控器、無線數(shù)傳模塊。主控器實(shí)施對太陽能熱水器的自動控制,并通過無線數(shù)傳模塊與區(qū)域集控與管理平臺建立通信鏈路,通過線控器實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的現(xiàn)場設(shè)置與控制。區(qū)域集控與管理平臺由安裝有控制與管理軟件的計算機(jī)和無線數(shù)傳模塊組成,其主要任務(wù)包括:負(fù)責(zé)接收來自管轄區(qū)域各主控器的數(shù)據(jù),并進(jìn)行協(xié)議解析、數(shù)據(jù)入庫和更新管理界面的信息;負(fù)責(zé)將控制或設(shè)置指令發(fā)送到指定的主控器;通過Internet或GSM/GPRS方式與企業(yè)集控與管理中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換;將相關(guān)數(shù)據(jù)同步傳輸至企業(yè)集控與管理中心。企業(yè)集控與管理中心由數(shù)據(jù)服務(wù)器、管理計算機(jī)和必要顯示與打印設(shè)備構(gòu)成,該中心通過區(qū)域集控與管理平臺和主控器可對任意一臺太陽能中央熱水器實(shí)施測控,查詢?nèi)我庖慌_熱水器的實(shí)時數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù),統(tǒng)計產(chǎn)熱與節(jié)能數(shù)據(jù)等。
2 現(xiàn)場終端設(shè)計
現(xiàn)場終端結(jié)構(gòu)如圖2所示,由主控微處理器、傳感器模塊、系統(tǒng)配置與擴(kuò)展模塊、輸出控制模塊(包括對太陽能產(chǎn)、供熱和輔助加熱三個子系統(tǒng)的控制)、通信模塊(包括線控器和無線數(shù)傳模塊)和供電電路組成。主控微處理器LPC2368根據(jù)傳感器模塊檢測的現(xiàn)場與系統(tǒng)的狀態(tài)及相關(guān)參數(shù),與存放在擴(kuò)展存儲器(E2PROM)中的預(yù)置數(shù)據(jù)進(jìn)行比對運(yùn)算,獲得相應(yīng)的控制邏輯,通過輸出控制模塊對太陽能中央熱水器進(jìn)行
控制,實(shí)現(xiàn)定溫進(jìn)水、溫差循環(huán)、防凍保護(hù)、增壓供水、恒溫回水、水位超限和變?nèi)葺o助加熱等工作模式;通過通信模塊實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場與遠(yuǎn)程操作和測控,為太陽能中央熱水器集群應(yīng)用提供控制與管理所需數(shù)據(jù)的通信鏈路。
3 區(qū)域集控與管理軟件設(shè)計
區(qū)域集控與管理軟件包括區(qū)域控制軟件與區(qū)域管理軟件:其中區(qū)域控制軟件負(fù)責(zé)向監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所有主控器發(fā)送數(shù)據(jù)庫中的指令,接收、處理、存儲來自各主控器的數(shù)據(jù),同時通過調(diào)用Web服務(wù)程序?qū)崿F(xiàn)與企業(yè)集控與管理中心的數(shù)據(jù)同步。區(qū)域管理軟件由Web瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器的管理軟件構(gòu)成,如圖3所示。
3.1 區(qū)域控制軟件設(shè)計
區(qū)域控制軟件采用.Net編寫,按照通信對象的不同,分為數(shù)據(jù)通信模塊和數(shù)據(jù)同步模塊,采用模塊化設(shè)計實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的接收、發(fā)送、處理、存儲、顯示和同步等功能。區(qū)域控制軟件的工作流程如圖4所示。
3.1.1 數(shù)據(jù)通信模塊
區(qū)域控制平臺與所監(jiān)控區(qū)域內(nèi)所有太陽能熱水器之間可采用RS 485和無線數(shù)傳兩種通信方式,可根據(jù)工程現(xiàn)場條件選擇其一。對于數(shù)據(jù)通信模塊而言,一旦數(shù)據(jù)傳輸通信協(xié)議確定,其任務(wù)就是接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。為了保證準(zhǔn)確、可靠地傳輸數(shù)據(jù),該模塊通過自檢定時器獲取上一次自檢失敗的主控器的地址域,以輪詢方式向自檢失敗的主控器發(fā)送自檢指令。同時該模塊對接收的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷,刪除指令表中錯誤和超時的指令,同時對相同的指令進(jìn)行合并,以消除冗余信息。
數(shù)據(jù)通信模塊向各個主控器發(fā)送的指令還包括查詢實(shí)時數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)、歷史報警、歷史參數(shù)設(shè)置等指令。該模塊處理主控器回送的數(shù)據(jù),對數(shù)據(jù)進(jìn)行分解、轉(zhuǎn)換等操作,最終執(zhí)行數(shù)據(jù)入庫,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的更新等。數(shù)據(jù)通信模塊的工作流程圖,如圖5所示。
3.1.2 數(shù)據(jù)同步模塊
區(qū)域控制平臺作為連接區(qū)域數(shù)據(jù)庫和企業(yè)管理中心數(shù)據(jù)庫的橋梁,通過Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)兩個數(shù)據(jù)庫的同步。區(qū)域和企業(yè)的數(shù)據(jù)包括當(dāng)前數(shù)據(jù)和歷史數(shù)據(jù)。同步區(qū)域、企業(yè)數(shù)據(jù)程序流程如圖6所示。
3.2 區(qū)域管理軟件設(shè)計
區(qū)域管理軟件由Web瀏覽器、Web服務(wù)器和數(shù)據(jù)服務(wù)器管理軟件構(gòu)成。本系統(tǒng)的Web瀏覽界面采用Flex技術(shù)設(shè)計,它是目前最流行的RIA(富互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng))開發(fā)技術(shù)之一,其優(yōu)點(diǎn)是客戶端可以進(jìn)行完整的數(shù)據(jù)處理,界面交互不依賴頁面,消息可通過異步請求傳遞,減少了用戶與系統(tǒng)的遠(yuǎn)程交互頻率,與用戶的交互更加友好、迅速。
本系統(tǒng)根據(jù)實(shí)際需求,基于Flex技術(shù)設(shè)計的頁面包括兩大功能:即實(shí)現(xiàn)太陽能中央熱水器控制系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)查詢功能。當(dāng)客戶端進(jìn)入Flex瀏覽界面,瀏覽器向Web服務(wù)器發(fā)送請求(參數(shù)設(shè)置指令和數(shù)據(jù)查詢指令),Web服務(wù)器將需要訪問數(shù)據(jù)庫的請求轉(zhuǎn)化SQL語句,并交給數(shù)據(jù)服務(wù)器。數(shù)據(jù)服務(wù)器對接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并返回給Web服務(wù)器;Web服務(wù)器動態(tài)生成HTML文檔后轉(zhuǎn)發(fā)給客戶端,瀏覽器最終以友好的Web頁面形式顯示出來,實(shí)現(xiàn)太陽能熱水系統(tǒng)可視化管理。
此外通過Flex界面可添加國家、省、市等地域信息,添加太陽能中央熱水器子系統(tǒng),記錄所有子系統(tǒng)的安裝信息。同時為了方便系統(tǒng)的管理,維護(hù)系統(tǒng)管理員可被賦予不同的管理權(quán)限。
4 企業(yè)集控與管理軟件設(shè)計
企業(yè)集控與管理中心由安裝企業(yè)集控與管理軟件的計算機(jī)、數(shù)據(jù)服務(wù)器和必要的顯示與打印設(shè)備構(gòu)成,其中企業(yè)集控不同于區(qū)域集控有專屬的控制軟件,它不能直接向主控器發(fā)送數(shù)據(jù),但企業(yè)管理軟件與區(qū)域管理軟件的架構(gòu)完全相同,均在.Net平臺上采用Flex設(shè)計,提供Web服務(wù)、接收Flex界面的控制任務(wù),企業(yè)集控與管理中心和區(qū)域集控與管理平臺通過Web服務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。它與區(qū)域集控與管理平臺的主要區(qū)別還體現(xiàn)在管理權(quán)限和數(shù)據(jù)庫的規(guī)模上。
5 系統(tǒng)功能與特點(diǎn)
本系統(tǒng)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室長達(dá)6個月的測試,各項(xiàng)功能和指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求,除了實(shí)現(xiàn)常規(guī)太陽能中央熱水器的控制功能以外,還具有如下特點(diǎn):
(1)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的分散檢測、集中控制。每套太陽能熱水器的主控器可通過RS 485總線或無線數(shù)傳模塊與區(qū)域集控與管理平臺進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,并通過Internet把數(shù)據(jù)同步上傳至企業(yè)集控與管理中心。
(2)系統(tǒng)的可配置性和控制的自適應(yīng)性。系統(tǒng)可根據(jù)不同的安裝現(xiàn)場和用戶需求,配置不同的部件(包括輔助加熱設(shè)備、集熱板的數(shù)目、儲水箱的組合和水管的連接方式等),主控器能夠自適應(yīng)對不同配置的系統(tǒng)實(shí)施控制。
(3)直觀的顯示界面。系統(tǒng)能夠根據(jù)不同的安裝配置自動生成直觀的顯示界面,圖7、圖8是通過Flex界面顯示實(shí)地安裝的系統(tǒng)圖。從圖中既可看出配置的不同組合,而且系統(tǒng)的工作狀態(tài)和主要參數(shù)均一目了然。
6 結(jié)語
本文提出面向集群應(yīng)用的太陽能中央熱水器控制與管理系統(tǒng)的設(shè)計方案,簡要介紹現(xiàn)場終端的原理框圖和主要作用,詳細(xì)分析了區(qū)域集控與管理軟件的設(shè)計方法,介紹了系統(tǒng)的主要特點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)室測試表明,本系統(tǒng)具有性能穩(wěn)定可靠、操作直觀方便、控制迅速精確、報警準(zhǔn)確無誤等特點(diǎn)。該系統(tǒng)已被福州眾望達(dá)太陽能技術(shù)開發(fā)有限公司確定為升級換代產(chǎn)品,目前已應(yīng)用于該公司的實(shí)際項(xiàng)目中。