物聯(lián)網(wǎng)太陽能采暖系統(tǒng)的研究與設(shè)計

劉濟寧 曹銀生 趙斌

摘 要：本文主要研發(fā)了一款太陽能采暖智能控制系統(tǒng)，采用可編程控制器、工控機（組態(tài)軟件）、手機（APP）組成的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以實現(xiàn)機組的數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸，不僅可以實現(xiàn)電腦的遠(yuǎn)程監(jiān)控，還可以實現(xiàn)手機遠(yuǎn)程監(jiān)測。該系統(tǒng)主要包括兩個部分：太陽能采暖裝置子項和物聯(lián)網(wǎng)子項。利用該系統(tǒng)可以便捷的實現(xiàn)冬季采暖，制取衛(wèi)生熱水，同時設(shè)置傳感器、控制器將該系統(tǒng)接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，通過組態(tài)王軟件和組態(tài)手機APP實現(xiàn)人機智能化交互。

關(guān)鍵詞：太陽能采暖；智能控制系統(tǒng)；可編程控制器；物聯(lián)網(wǎng)；組態(tài)王；手機APP

Abstract：In this paper， a solar heating intelligent control system is developed，Using the programmable controller， industrial control computer（configuration software）， mobile phone（APP） composed of the Internet of things system can achieve data acquisition and remote transmission unit，Not only can realize the remote monitoring of the computer， but also can realize remote monitoring.The system mainly consists of two parts： the solar heating device， the sub item and the net item.Winter heating can achieve convenient use the system for water heating， at the same time， the system will set the sensor controller access the Internet or LAN， human-computer intelligent interaction through the realization of configuration software and configuration of APP mobile phone.

Key words：solar heating；Intelligent control system；PLC；Internet of things；Kingview；mobile APP

我國太陽能資源豐富，尤其是北方的太陽能受天氣影響較小，資源尤其豐富。我國絕大部分的建筑采暖仍然依靠化石類燃料或者電能，依靠太陽能的裝置很少。目前太陽能熱能的應(yīng)用還是以太陽能熱水器為主，以水作為傳熱介質(zhì)的太陽能熱水器，提溫慢、承壓能力差，不適合作為采暖熱源。[ 2 ]物聯(lián)網(wǎng)，顧名思義，就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。它利用局部網(wǎng)絡(luò)或互聯(lián)網(wǎng)等通信技術(shù)把傳感器、控制器、機器、人員和物等通過新的方式聯(lián)在一起，形成人與物、物與物相聯(lián)，實現(xiàn)信息化、遠(yuǎn)程管理控制和智能化的網(wǎng)絡(luò)。[ 4 ]本文主要研發(fā)了一款太陽能采暖智能控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括兩個部分：太陽能采暖裝置和物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。[ 1 ]利用該系統(tǒng)可以便捷的實現(xiàn)冬季采暖，制取衛(wèi)生熱水，同時設(shè)置傳感器、控制器將該系統(tǒng)接入局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，通過組態(tài)王軟件和組態(tài)手機APP實現(xiàn)人機智能化交互。

1 太陽能采暖裝置研究與設(shè)計

在物聯(lián)網(wǎng)太陽能采暖系統(tǒng)的研究與設(shè)計中，初步將該項目分解為兩個子項目：太陽能采暖裝置和物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)。兩個子項既相對獨立，又相互配合支持。

太陽能采暖裝置可以收集太陽能的熱量，并輸送至蓄熱水箱和室內(nèi)的換熱器將水或其他液體從低溫加熱到高溫，將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能，實現(xiàn)了室內(nèi)采暖和制取衛(wèi)生熱水。

太陽能采暖裝置主要包括傳熱介質(zhì)、室內(nèi)機、氣液分離器、儲液罐、液體泵、蓄熱水箱、太陽能集熱板以及電磁閥等。

該裝置可以實現(xiàn)冬天室內(nèi)采暖和一年四季制取衛(wèi)生熱水，其原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

采暖模式時，傳熱介質(zhì)以液體的形式經(jīng)過液體泵送入太陽能集熱板。傳熱介質(zhì)在太陽能集熱板內(nèi)吸收熱量，由液體沸騰轉(zhuǎn)變?yōu)闅怏w。氣體形式的傳熱介質(zhì)繼續(xù)前進通過氣液分離器，進入室內(nèi)機。[ 5 ]在室內(nèi)機里，傳熱介質(zhì)放熱由氣體冷凝為液體，再次進入液體泵實現(xiàn)下一個循環(huán)。通過電磁閥的啟閉調(diào)節(jié)，該裝置可以制取衛(wèi)生熱水和蓄熱水箱蓄熱。

該裝置采用高溫制冷劑作為傳熱介質(zhì)，主要利用了介質(zhì)的潛熱，系統(tǒng)充注量極低，熱惰性小，從太陽開始照射到室內(nèi)機吹出熱風(fēng)幾乎是“即時”的，同時高溫制冷劑的凝固點較低，完全避免了凍結(jié)的危險。

該裝置的室內(nèi)機布置在室內(nèi)，太陽能集熱板布置在室外的外墻或屋面，各部件采用銅管連接，安裝十分方便。

該裝置具有熱惰性小、升溫快、方便安裝、冬天防凍、四季通用、系統(tǒng)可靠等優(yōu)點。傳統(tǒng)的太能采暖以水為傳熱介質(zhì)，系統(tǒng)水容量大，從太陽開始照射到水溫達(dá)到40-50℃的可供暖溫度需要較長的時間，并且冬天存在凍結(jié)的危險。

2 物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)智能控制系統(tǒng)包括現(xiàn)場控制部分、數(shù)據(jù)采集部分、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸部分、移動終端部分。如圖2所示為太陽能采暖裝置的物聯(lián)網(wǎng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)圖。

該圖中的可編程控制器可以作為太陽能采暖裝置的現(xiàn)場級控制部分。可編程控制器收集并處理各個傳感器送來的模擬量信號，顯示在觸摸屏上，根據(jù)實時采集的信號控制泵和風(fēng)機的啟停以及電磁閥的開啟閉合。

工控機作為數(shù)據(jù)采集遠(yuǎn)傳部分。工控機或電腦上運行組態(tài)軟件，組態(tài)軟件通過物理有線連接和可編程控制器通訊。組態(tài)軟件讀取可編程控制器上采集的機組參數(shù)，并顯示在工控機或電腦的顯示屏上，同時可以控制機組的運行（設(shè)置分級密碼，不推薦遠(yuǎn)程控制）。

移動終端部分作為遠(yuǎn)程監(jiān)測端。移動終端手機APP通過互聯(lián)網(wǎng)或局域網(wǎng)訪問工控機上的數(shù)據(jù)，并顯示在手機屏幕上。手機APP只設(shè)置機組開關(guān)的控制功能。

2.2 監(jiān)控對象設(shè)計

太陽能采暖裝置可以收集太陽能的熱量并輸送至蓄熱水箱和室內(nèi)的換熱器，實現(xiàn)室內(nèi)采暖和制取衛(wèi)生熱水。現(xiàn)擬為該裝置設(shè)置物聯(lián)網(wǎng)裝置，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、遠(yuǎn)傳以及開關(guān)機控制，同時可以實現(xiàn)PC和手機APP監(jiān)控。太陽能采暖裝置的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。在該裝置中，需要檢測的物理量有12個：系統(tǒng)高壓、系統(tǒng)低壓、液泵進出口溫度、太陽能板出口溫度、蓄熱水箱氟路進出口溫度、蓄熱水箱水溫、室內(nèi)機氟路進出口溫度以及室內(nèi)機空氣進出口溫度等；[ 6 ]需要控制的物理量有5個：電磁閥1、電磁閥2、電磁閥3、電磁閥4和電磁閥5。[ 6 ]

2.3 控制邏輯設(shè)計

可編程控制器中電磁閥的開啟邏輯：

室內(nèi)采暖時，閥1、閥4開啟，閥2、閥3關(guān)閉；

水箱蓄熱時，閥2、閥4開啟，閥1、閥3關(guān)閉；

水箱放熱時，閥1、閥3開啟，閥2、閥4關(guān)閉；

閥5為回液間歇電磁閥，間歇啟閉，具體時間可以設(shè)置，暫定10s開10s關(guān)。

2.4 實現(xiàn)功能

手機APP可以實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)（實時圖表、實時報表、設(shè)置值）、歷史數(shù)據(jù)（趨勢曲線、歷史報表）、報警數(shù)據(jù)（實時報警、歷史報警）等功能，界面見下圖。

3 總結(jié)

該裝置制作完成，根據(jù)實際數(shù)據(jù)，可以考慮將該裝置作為熱源與溶液空調(diào)或吸收式空調(diào)組合使用，形成太陽能空調(diào)。太陽能空調(diào)具有先天的應(yīng)用優(yōu)勢，太陽能輻照強度越大，房間冷負(fù)荷越高，空調(diào)的制冷量越大，能夠較好的適應(yīng)建筑空調(diào)負(fù)荷。太陽能空調(diào)是目前空調(diào)領(lǐng)域的研究前沿，具有巨大的社會效益和經(jīng)濟效益。

太陽能采暖裝置子項若能持續(xù)改進，進而商品化，冬天可以進行采暖，夏天可以制取衛(wèi)生熱水。該裝置可以廣泛應(yīng)用于國內(nèi)南方地區(qū)、廣大的農(nóng)村地區(qū)以及其他工業(yè)加熱干燥場合，具有良好的社會效益和經(jīng)濟效益。

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