基本信息
- 項目名稱：
- 面向集群應用的太陽能熱泵中央熱水工程控制與管理系統(tǒng)設計
- 小類：
- 信息技術
- 大類：
- 科技發(fā)明制作B類
- 簡介：
- 本系統(tǒng)采用傳感器、嵌入式系統(tǒng)和自動控制等技術，開發(fā)太陽能、熱泵中央熱水工程控制器；采用無線數(shù)傳技術，構(gòu)建區(qū)域級管理系統(tǒng)與各控制器之間的通訊網(wǎng)絡；采用.Net和Flex 3.0開發(fā)基于B/S架構(gòu)的區(qū)域級和企業(yè)級管理系統(tǒng)。實現(xiàn)熱水工程集群應用的分散測控、集中操作和可視化管理，為管理者提供便捷、高效的管理維護手段；同時能夠進一步提高工程的能效和為政府部門提供節(jié)能減排統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
- 詳細介紹：
- 1.系統(tǒng)組成： 本系統(tǒng)組成如圖1所示?？刂破鞣謩e實現(xiàn)對相應的太陽能、熱泵中央熱水器進行控制，同時將各熱水器的運行狀態(tài)和參數(shù)通過無線數(shù)傳網(wǎng)絡上傳給對應的區(qū)域集控與管理計算機，同時區(qū)域集控與管理計算機也可以通過無線數(shù)傳網(wǎng)絡下傳控制指令對所管轄的熱水器進行控制與管理。區(qū)域集控與管理計算機通過Internet與企業(yè)中心服務器實現(xiàn)數(shù)據(jù)同步。管理員或用戶監(jiān)控計算機只要登錄服務器，即可對任何一臺授權熱水器實施控制與管理。 1.1主控制器 1.1.1主控制器的硬件電路 主控制器的組成如圖2所示，其中微處理器選用PHILIPS公司ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2368，該芯片資源豐富，可有效地簡化硬件設計、提高系統(tǒng)可靠性、縮短開發(fā)周期。選用EPROM和Flash擴展存儲空間，其中EEPROM (24LC512)用于保存系統(tǒng)的配置數(shù)據(jù)，如廠家設置和用戶設置等參數(shù)；Flash（SST25VF016）用于存放系統(tǒng)的歷史數(shù)據(jù)、設置記錄和報警記錄等。利用LPC2368自帶的4個UART，實現(xiàn)主控器和外圍設備的數(shù)據(jù)交換。外圍設備包括：用于現(xiàn)場人機交互的線控器，用于遠程測控的無線數(shù)傳模塊，預留現(xiàn)場調(diào)試和遠程有線通訊的接口。 傳感器的選擇可根據(jù)控制精度和實際需求進行選型，本系統(tǒng)溫度傳感器選用熱敏電阻（NTC 10K）；水位傳感器選用壓力傳感器（JYB-K）。傳感器的輸出經(jīng)過調(diào)理后，直接利用LPC2368自帶的10位A/D進行采集。選用超聲波熱量表（MTH-6）讀取流量和熱量值，通過M-BUS與主控器交換數(shù)據(jù)，為節(jié)能評估提供數(shù)據(jù)支持。微處理器輸出控制信號經(jīng)晶體管陣列（ULN2003）驅(qū)動繼電器，進而控制外圍設備。 時間是本系統(tǒng)的一個重要參數(shù)，季節(jié)的識別、用水時段的判斷、歷史數(shù)據(jù)的記錄都要用到時間。本系統(tǒng)利用LPC2368自帶的實時時鐘與外接32.768kHz晶振實現(xiàn)，可獲得較精準的時間，備用電池保證斷電情況下實時時鐘工作的連續(xù)性。主控制器的PCB如圖3所示。 1.1.2主控制器的軟件系統(tǒng) 嵌入式操作選用uCOS-II，經(jīng)裁剪后移植至ARM內(nèi)核微處理器LPC2368上。系統(tǒng)軟件主程序流程見圖4，在本系統(tǒng)中劃分了多個任務，并根據(jù)任務的關聯(lián)性、頻繁性、實時性來確定任務的優(yōu)先級，其中事件處理任務負責對ms、s、min、h的時間事件處理，是整個系統(tǒng)的節(jié)拍，所以它的實時性要求最高；數(shù)據(jù)采集和控制任務，負責采集光照度、溫度、水位、流量、熱量等信息，并根據(jù)邏輯條件判斷產(chǎn)生控制輸出，是系統(tǒng)的最主要任務，應給予較高的優(yōu)先級；通訊收發(fā)任務負責主控器和外圍設備的數(shù)據(jù)交換，保證數(shù)據(jù)的正確發(fā)送、完整接收以及通信協(xié)議處理，在操作許可的范圍內(nèi)實時性要求不是很高，將其置為較低和最低優(yōu)先級。 在圖5的軟件初始化流程中的EEPROM配置數(shù)據(jù)包括控制對象（太陽能、熱泵中央熱水器）的配置，這些配置能自動映射至各個控制流程，解決太陽能、熱泵中央熱水器多種模式的控制問題，使太陽能、熱泵中央熱水器與建筑一體化設計更為簡便。 本系統(tǒng)的主要控制流程包括：定溫進水、溫差循環(huán)、產(chǎn)供熱水箱循環(huán)、輔助加熱控制、時段變?nèi)萘抗┧刂?、回水循環(huán)、防凍循環(huán)、超限保護控制、異常報警信號產(chǎn)生和無線通訊控制等，其中時段變?nèi)萘抗┧夹g是系統(tǒng)的主要創(chuàng)新點；關鍵技術在于根據(jù)當前水箱儲熱量、環(huán)境氣溫、輔助加熱設備功率，預測當前時段用水需求的最低水位；目標是保證供水需求的前提下，使供熱水箱剩余熱水量最少，從而提高系統(tǒng)的能效。其程序流程如圖6所示。 1.2 區(qū)域級和企業(yè)級管理系統(tǒng) 本系統(tǒng)的控制與管理軟件架構(gòu)如圖7所示。區(qū)域集控與管理系統(tǒng)由通信控制軟件、區(qū)域管理軟件、區(qū)域數(shù)據(jù)庫組成。企業(yè)集控與管理系統(tǒng)由企業(yè)中心數(shù)據(jù)同步Web service、企業(yè)管理軟件、企業(yè)數(shù)據(jù)庫組成。區(qū)域集控與管理系統(tǒng)通過無線數(shù)傳模塊與各個太陽能中央熱水器建立通訊鏈路，通過Internet和企業(yè)集控與管理系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換（由企業(yè)集控中心提供兩級數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)同步Web service）。系統(tǒng)的管理界面如圖8、9所示。其中圖8為圖形管理界面，圖9為數(shù)據(jù)管理界面，兩者可以互為切換。 2.系統(tǒng)功能： 本系統(tǒng)的主要功能如下： （1）主控制器能夠適應多種配置和安裝模式的太陽能中央熱水器的控制需求，新建系統(tǒng)有利于與建筑一體化設計，用于改造已有系統(tǒng)可進一步提高系統(tǒng)能效。 （2）主控制器和集控與管理系統(tǒng)之間采用無線通訊，組網(wǎng)靈活、施工方便、成本低廉。 （3）區(qū)域集控與管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對所管轄區(qū)域內(nèi)所有太陽能熱水器的控制與管理，管理界面有圖形和數(shù)據(jù)表兩種形式可選，可實時顯示任一工程的工作狀態(tài)。 （4）企業(yè)集控與管理系統(tǒng)可實現(xiàn)對企業(yè)所有的太陽能熱水器的控制與管理。 （5）在管理界面上設置和編輯國家、省、市（縣、區(qū)）等地域信息和編輯建設區(qū)域和具體工程的相關信息，設置不同級別的用戶權限。 （6）具有工程主要部件及其安裝方式的配置功能，集控與管理界面能夠根據(jù)最新配置自動更新； （7）可對任一工程主控制器的預置參數(shù)進行重置或查詢，查詢?nèi)我还こ痰漠斍皵?shù)據(jù)或歷史數(shù)據(jù)； （8）對所有主控器進行時間廣播以及自檢或重啟操作； 3.主要創(chuàng)新點： （1）用自主研發(fā)的“時段變?nèi)萘抗┧奔夹g改造傳統(tǒng)控制模式，節(jié)能效率提高15% 以上，見附件中的查新報告（PDF文件）和用戶應用證明。 （2）研發(fā)太陽能系統(tǒng)的主要部件（類型和數(shù)量）及其安裝方式的可配置技術，解決多模式熱水器系統(tǒng)的控制難題，實現(xiàn)降低太陽能、熱泵中央熱水工程與建筑一體化的設計與施工的難度和建設成本。見附件查新報告（PDF文件）。 （3）系統(tǒng)管理分現(xiàn)場、區(qū)域和企業(yè)三級，實現(xiàn)分布于全國各地的太陽能、熱泵中央熱水工程分散測控、集中操作與可視化管理。
作品圖片
作品專業(yè)信息
設計、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點、技術關鍵和主要技術指標
- 1．設計目的：進一步提高太陽能熱泵中央熱水工程能效；解決太陽能、熱泵中央熱水工程集群應用所需的分散測控、集中操作和可視化管理的技術問題；為企業(yè)和應用單位提供便捷的集中操作與可視化管理手段；為相關部門提供節(jié)能減排數(shù)據(jù)。 2. 基本思路：由系統(tǒng)組成框圖可見，控制器采用傳感器和嵌入式系統(tǒng)等技術實現(xiàn)，實施對太陽能、熱泵熱水工程的自動控制，通過創(chuàng)新設計改進控制策略來提高系統(tǒng)的能效。區(qū)域集控與管理與企業(yè)集控與管理軟件，均采用.Net和Flex 3.0開發(fā)。其中區(qū)域集控與管理計算機通過無線數(shù)傳網(wǎng)絡與所管轄區(qū)域內(nèi)的控制器建立通訊，同時通過Internet或GPRS方式與企業(yè)集控與管理中心實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，并通過區(qū)域集控與管理計算機實現(xiàn)對任意一個太陽能、熱泵中央熱水工程實施測控與管理。 3.主要創(chuàng)新點：（1）用自主研發(fā)的“時段變?nèi)萘抗┧奔夹g改造傳統(tǒng)控制模式，節(jié)能效率提高15% 以上。見查新報告和應用證明。（2）研發(fā)太陽能系統(tǒng)的主要部件（類型和數(shù)量）及其安裝方式的可配置技術，解決多模式熱水器系統(tǒng)的控制難題，實現(xiàn)降低太陽能、熱泵中央熱水工程與建筑一體化的設計與施工的難度和建設成本。見查新報告。（3）系統(tǒng)管理分現(xiàn)場、區(qū)域和企業(yè)三級，實現(xiàn)分布于全國各地的太陽能、熱泵中央熱水工程分散測控、集中操作與可視化管理。 4.主要技術指標：（1）溫度預置范圍：0—99℃，可設置；（2）測溫精度：±1℃，控溫精度：±2℃；（3）水位預置范圍：0—5m，可設置；水位測量精度≤10mm；（4）時段水位預置數(shù)：≤24。
科學性、先進性
- 由系統(tǒng)框圖可見，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由現(xiàn)場終端、區(qū)域集控與管理計算機、企業(yè)集控與管理中心三部分組成，能很好地滿足分散測控、分級集中操作與管理的需求，又便于系統(tǒng)擴展和管理?，F(xiàn)場終端和區(qū)域集控與管理計算機之間采用無線數(shù)傳通訊，具有組網(wǎng)靈活的特點，同時可降低施工難度與建設成本；區(qū)域集控與管理和企業(yè)集控與管理軟件采用B/S架構(gòu)，使管理者不受時間地點的限制，只要有上網(wǎng)的條件，均可對權限范圍內(nèi)的任一熱水器實施操作與管理，如查詢當前或歷史數(shù)據(jù)、調(diào)整參數(shù)設置等。可大幅度降低運行和維護的管理成本，又便于質(zhì)量跟蹤和售后服務。此外，可為政府和企業(yè)提供先進的可再生能源監(jiān)測與管理技術，促進能源利用水平提高，加快能源信息化建設步伐。 控制器采用創(chuàng)新點（1）改造傳統(tǒng)控制技術，有效地提高系統(tǒng)的能效，節(jié)能效果明顯。創(chuàng)新點（2）較好地解決了多模式系統(tǒng)的控制問題。采用“非穩(wěn)定通道的限時數(shù)據(jù)通訊”（專利申請?zhí)枺?010206702109）技術，較好地解決了大量現(xiàn)場終端與數(shù)據(jù)服務器之間頻繁的數(shù)據(jù)交換而可能出現(xiàn)的操作延遲和通訊阻塞的問題。
獲獎情況及鑒定結(jié)果
- 2011年6月第十屆“挑戰(zhàn)杯”省大學生課外學術科技作品競賽一等獎 2011年4月校第七屆“挑戰(zhàn)杯”課外學術科技作品競賽一等獎 2010年10月校軟件學院第三屆“歐氏杯”軟件設計競賽特等獎
作品所處階段
- 中試階段。并由福建圣元公司在深圳市職業(yè)技術學院推廣應用。
技術轉(zhuǎn)讓方式
- 無
作品可展示的形式
- 模型、遠程控制和管理操作演示。
使用說明,技術特點和優(yōu)勢,適應范圍,推廣前景的技術性說明,市場分析,經(jīng)濟效益預測
- 本項目的技術特點和優(yōu)勢，多數(shù)已體現(xiàn)在第四節(jié)“作品的科學性先進性”中，本項目產(chǎn)品具有能效高、人均建設成本低、便于與建筑一體化設計、具有分散測控、集中操作與可視化管理功能等特點，特別適用于大范圍大規(guī)模集群應用的工程建設，以及后續(xù)的工程營運、維護和管理。同時可為政府和企業(yè)提供先進的可再生能源監(jiān)測與管理技術與管理手段。 財建[2011]61號文指出，“力爭到2015年底，新增可再生能源建筑應用面積25億平方米以上，形成常規(guī)能源替代能力3000萬噸標準煤”。這意味著年均新增20萬臺集熱器面積100平方米以上的太陽能熱水器，加上原有工程的信息化改造，在“十二五”期間本項目產(chǎn)品的需求量將超過30萬臺。如果將控制器與管理系統(tǒng)配套銷售，平均以每臺售價1萬元計算，則預計年產(chǎn)值可達6億元。
同類課題研究水平概述
- 近10年來，隨著技術日益成熟，家用全玻璃真空集熱管太陽能熱水器率先得到廣泛應用，其中，技術水平最高、銷量最多的是全玻璃真空集熱管太陽能熱水器。近年來太陽能中央熱水器異軍突起，國內(nèi)外研究機構(gòu)也將注意力投向集群應用的太陽能供熱控制研究，04年北方賽爾太陽能工程技術有限公司楊修等發(fā)表了太陽熱水工程智能控制系統(tǒng)的設計，提出采用PLC控制器開發(fā)工程化熱水控制系統(tǒng)，06年高軍林在其論文中介紹了在高校試點太陽能與建筑一體化的過程，指出集群化設計結(jié)果為高校能源的系統(tǒng)化管理，提高能源利用效率起到了重要作用，07年臺灣大學黃秉鈞、李璟柏提出整體式太陽能、熱泵熱水器設計，關注充足陽光和微弱陽光等供熱模式。近期多項發(fā)明專利根據(jù)各自應用特點給出系統(tǒng)配置的設計方案，同時也有多篇文獻分析了如何從光熱系統(tǒng)中進一步提升低溫、弱照度下的系統(tǒng)效率。09年Jayanta Deb Mondol在Applied Energy發(fā)表了太陽能換熱存儲系統(tǒng)的實驗的研究，從存儲系統(tǒng)上考慮提高太陽能熱水系統(tǒng)的熱效率，同年M.Souliotis利用神經(jīng)網(wǎng)絡和TRNSYS軟件對太陽能集熱器的存儲系統(tǒng)設計做了研究，Alireza Hobbi在設計強制循環(huán)的太陽能熱水系統(tǒng)的同時，詳細分析了影響到熱水系統(tǒng)效率的多個組態(tài)參數(shù)，這些研究為簡化太陽能系統(tǒng)的設計及提高能效做了一定的技術鋪墊。 在系統(tǒng)集成與控制管理技術上，2008年北京奧運會工程之一“奧運村”，在太陽能熱水系統(tǒng)招標中，選擇了德國企業(yè)生產(chǎn)的太陽能中央熱水系統(tǒng)，讓我國真空管太陽能熱水器生產(chǎn)商不得不凝神反思。2009年3月，在第六屆中國太陽能品牌產(chǎn)品博覽會上，海爾太陽能中標澳洲一萬平方米集控式集熱器大單，成為惹人眼紅的新聞。而海爾集團采用的是從德國引進的集控式集熱技術，該技術具有較好的保溫和密封性能。此外，皇明、太陽雨、澳柯瑪?shù)葒鴥?nèi)品牌企業(yè)也紛紛投資太陽能中央熱水器項目。經(jīng)過太陽能熱水器行業(yè)共同努力，我國太陽能中央熱水器正從低谷走向了新的發(fā)展階段。 綜上所述，太陽能、熱泵中央熱水器及其相關技術得到廣泛的關注和快速發(fā)展。就相關技術而言，國外在太陽能熱利用技術上集熱板具有明顯優(yōu)勢，國內(nèi)的廣東、江蘇、淅江等地的家用太陽能控制儀的生產(chǎn)和研發(fā)處于領先水平，對于集群化應用的控制系統(tǒng)，還僅是個別系統(tǒng)集成商應用PLC作前端控制和工業(yè)控制計算機作上位機方式實現(xiàn)。
