高校太陽能集熱供水系統改造

摘要：針對某高校原人工控制的集熱供水系統的不足，從控制品質和控制成本綜合考慮，設計一種基于ARM的太陽能供水節能優化控制系統。以力控6.0作為上位機的組態軟件，并采用STM32x系列編程軟件實現對下位機的控制。結果表明該系統能夠很好地控制水溫，控制精度高、可靠性好、有助于充分利用太陽能，節約電能。

關鍵詞：太陽能；節能； ARM；力控

中圖分類號：TP273 文獻標識碼：A

1引言

隨著高校的擴招，學校建筑面積不斷增加，各類能耗也在增加[1]。原有的一些基礎設施已經不能滿足要求。例如秦皇島某高校的集中供應熱水系統主要為學生宿舍樓、學生浴池和教工家屬區提供熱水。隨著用戶的增加，用水量的提高，原有的主要靠人工控制的電加熱系統存在水溫控制精度不高，能耗很大的問題，急需改造。

隨著我國國民經濟持續快速發展和人民生活水平的提高，能源問題已經成為影響中國經濟和諧發展的關鍵因素。為了節約能源，各國政府都提出了開發新能源的方案，大力發展并使用太陽能、風能等清潔能源[2]。但是由于地球表面上太陽能量密度較低，且存在季節和晝夜交替變化等特點。這就使得目前廣泛應用的太陽能供熱系統不可避免地存在很大的不穩定性。尤其是秦皇島地區夏季光熱充足，年平均日照時數為2680.3-2821.6小時[3]，但冬季漫長，一月份最冷，平均氣溫在-9℃至-5℃之間[4]。太陽能熱水器大多放置在樓頂，冬季經常發生水管凍結不能使用的現象。為了解決冬季熱水的供應問題，筆者建議用太陽能配合電加熱系統一起運行集中供應熱水。因此，目前面臨的最大難題，就是何時投入電加熱，電加熱多長時間，以及如何進行電加熱與太陽能之間的自動控制才能最大限度的節約電能，降低控制成本，提高系統工作穩定性。

考慮到現有的人工控制勞動量大，精度低太低；若采用常見的PLC控制，硬件成本又比較高。本文設計了一套 “ARM內核（STM32）+ TFTLCD+上位機” 結構的控制系統。以STM32F103RBT6為主控芯片的MCU，完成數據的采集、分析，以及相應的控制操作；TFTLCD和上位機與均可以進行數據的顯示和控制。系統中重要參數可以根據當地太陽能強弱的情況預先設置，能充分利用太陽能、控制方式靈活、大大節約了電能，提高了供應熱水的溫度以及穩定性，真正達到了以太陽能加熱為主，電鍋爐加熱為輔的節能目標。

2系統的總體設計

高校、住宅小區等場合的太陽能集熱供水系統首先是一個實時性系統，需要傳感器的各種測量數據能夠及時的顯示。從總體上講，分為上位機和下位機系統。上位機是總的控制和顯示系統，完成數據的采集、控制、存儲、打印等功能，為溫度和儲水罐液位的參數設置提供依據，它通過串口通信模塊和下位機進行連接。

硬件方面采用模塊化設計，每個模塊只實現一個特定功能，最后再將各個模塊搭接在一起。這種設計方法可以降低系統設計的復雜性[5]。系統硬件電路由STM32內核、溫度、液位傳感節點、電源模塊、串口通信模塊、程序下載模塊、LCD顯示模塊、繼電器控制模塊組成。系統在即時性、可靠性等方面都有特定的要求，其主要實現的目標如下：①儲水罐的上水控制；②太陽能循環泵和電加熱鍋爐的控制；③太陽能集熱器管道防凍控制。

3系統詳細設計

3.1下位機系統設計

3.1.1MCU（微控制單元）

本系統采用的STM32F103RBT6是ST公司基于ARM最新Cortex-M3架構內核的32位處理器產品，以它為核心的硬件部分完成底層控制。它的時鐘頻率最高可達72MHz，大約為51單片機的70倍；內置多通道12位AD轉換器，使采集信號更準確；采用32計數器的實時時鐘，可保證時間準確行走136年；窗口看門狗技術，還可以防止系統異常死機。STM32F103系列處理器具有高度可靠、資源豐富、工作溫度和供電電壓范圍寬、功耗低、性價比高的特點，在嵌入式控制系統中得到了廣泛應用。

3.1.2儲水罐上水控制電路

繼電器控制電路是設計的重要部分。首先介紹儲水罐上水的控制電路。

當儲水罐的液位AD4低于預定的下限值時，STM32的PA7引腳輸出一個高電平m1，其后的三極管導通，繼電器有電流通過，吸合開關K2，使其連接的AC380接觸器動作，打開電磁閥上水；當 AD4高于于預定的上限值時，開關K2斷開，關閉電磁閥停止上水。上限值和下限值可以自由設置，例如用水量大時水位設置較高，其它時間可設置較低。控制電路如圖1所示。

3.1.3太陽能循環泵和電加熱鍋爐控制電路

太陽能循環泵啟動的時間采取條件判斷重復運行方式。STM32的PA1引腳和PA2引腳分別接收太陽能集熱器出水口溫度信號AD1和熱水儲水罐溫度信號AD2。當AD1與AD2的溫差大于5℃時，STM32的PA8引腳輸出一個高電平m2，其后的三極管導通，繼電器有電流通過，吸合開關K1，使其連接的AC380接觸器動作，啟動太陽能熱水循環泵將太陽能集熱器內的熱水置換到儲罐內，時長為20分鐘，然后停歇10分鐘。 AD1與AD3的溫差可以根據季節設置。控制電路如圖1所示。

電加熱器和鍋爐循環泵的控制過程如下：電加熱鍋爐的工作時間為每天早上5：00至晚上7：00，也采取條件判斷重復運行方式。將儲罐水溫的控制目標選定為一條目標曲線，其中“始值”與“終值”可設定。在電鍋爐工作時間范圍內選取若干個時間點判斷實際水溫值與此時刻目標水溫值之間的大小關系，控制電加熱器和鍋爐循環泵的運行。例如晚上6：00鐘時，采集到儲水罐中的水溫AD3為40度，實際水溫值低于此時刻的目標水溫值，則STM32的PA12引腳輸出一個高電平，其后的三極管導通，繼電器有電流通過，吸合開關K4使其連接的AC380接觸器動作，啟動電加熱器加熱。當電加熱鍋爐的水溫達到60℃時，此溫度值也可設定，PA11引腳輸出一個高電平，K3開關閉合，電加熱鍋爐循環泵運行，將鍋爐中的熱水置換到儲水罐中。當儲水罐中的溫度達到目標值時，電加熱鍋爐循環泵停止運行。

由于觸摸晃動，觸摸屏偏移是觸摸屏使用中經常遇到的問題，通過分析偏移出現的原因，本設計采用了排序、比較，多次測量求其算術平均值的方法，來精確確定觸摸點位置；此外為防止系統運行中觸摸屏不準確，還增加了按鍵強制校準功能；窗口切換采用GUI技術中的回調機制，回調函數的使用，大大提高了GUI中WM的執行效率；為了保證開機后數據恢復，設計中充分利用STM32的備份寄存器，將各參數保存備份；由于GUI本身沒有漢字字庫，本設計中自編漢字字庫，使漢字顯示靈活、自如。通過上述措施，現場人機互換控制界面更加人性化，便于工作人員操作控制。

3.2上位機系統設計

上位機的力控ForceControl V6.0軟件，采用modbus RTU通訊協議，通過串口模塊和以STM32F103RBT6為核心的下位機進行通訊。主要程序界面包括監控主界面、實時趨勢曲線、歷史趨勢曲線。能以動畫方式顯示溫度、液位的數值以及泵的狀態；并能實現太陽能控制系統的的手動、自動控制；實時曲線和歷史曲線為溫度、液位等主要參數的設定提供資料，更有利于工作人員對整體的監控、維護以及控制系統參數的優化。

4系統測試

為了分析本控制系統的節能情況，系統測試安排在某高校進行。原系統采用人工手動上水的方式。每晚供水結束后， 22：00左右工人師傅打開上水閥開始上水，等到第二天早晨5點左右再由工人師傅關閉電磁上水閥停止上水。從開閥到關閥大約需要7個小時，而上滿整個儲水罐大約需要三個小時，因此，造成大量水直接從儲水罐溢出排放掉了，同時也帶走了儲罐中原來存儲的熱量。采用新系統后的自動上水控制功能，確保儲罐上至需要水位后，自動關閉上水電磁閥，避免了水資源的浪費和熱量流失。同時，根據第二天的用水量，確定當天的上水量，改變了以往總是近乎上滿整罐的方式，進一步提高了供水溫度。

原系統中主要依賴電鍋爐加熱，電能消耗很大。采用新系統后通過程序，設定太陽能加熱控制的啟動溫差，太陽能集熱器和儲罐中的溫差到達一定值后，集熱器中的水可以循環至儲罐，利用太陽能和電鍋爐同時加熱，有效提高了供水溫度，減少了電能消耗。

創造性的采取跟蹤目標水溫曲線的控制方式，有效的實現了“太陽能加熱為主，電鍋爐加熱為輔”的控制目標，達到了進一步節約電能的目的。

5結語

通過分析以上數據可知，原系統的人工控制中，基本全靠電加熱，上水高度基本是滿罐，致使供水溫度低，電能消耗大。采取跟蹤目標水溫曲線的溫度控制方式，利用太陽能和電鍋爐同時加熱。并根據第二天的用水量確定當天的上水量，平均每天供水溫度提高了大約12.7℃，電能消耗減少了5.1小時。若電鍋爐功率為90kw，每度電費用按0.5元計算，采用方案1每月節約電能大約13770度，節省電費大約6885元，真正達到了以太陽能加熱為主，電鍋爐加熱為輔的節能目標。另外，本系統中，若不用上位機進行監控，通過ARM開發板和觸摸式液晶顯示屏即可控制、監視當前水溫，成本僅200多元，相比PLC有非常強的價格優勢。目前，本系統已經廣泛應用于高校的家屬區、宿舍區及小區居民太陽能供水系統中。

參考文獻

[1]范永亮，王瑞英，任榮華. 高校供水站的技術改造[J]. 節能技術，2012，（2）：191-192.

[2]王輝，楊承志，周春華. 基于ARM的智能電熱水器控制器設計 [J].科學技術與工程，2012，（1）：192-195.

[3]杜寶軍.秦皇島市農業資源區劃[M] .石家莊市：河北科學技術出版社，2009.

[4]付崗.暢游秦皇島 景區中英文導讀 scenic spots guide in Chinese and English[M] . 北京：中國旅游出版社. 2006.

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