基于Niagara 平台的太阳能热水器智能控制系统

蔡杰杰，王亚刚，沈 进

(上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

传统的太阳能热水器控制系统，主要是依靠PLC实现其内部逻辑功能，编写复杂逻辑时需要消耗大量的时间和人力，修改逻辑困难，开发周期长，并在远程控制方面，PLC 完全处于空白。这就导致了PLC 控制的局限性。而采用Niagara 平台开发太阳能控制逻辑速度快，易于修改，消耗人力物力少，且其能将数据点接入云端，实现远程的编程和控制［1］。

本文运用Niagara 技术实现控制和物联网功能。以Niagara 平台创建了一个通用环境，可连接任何嵌入式设备或系统，而无需考虑设备的制造厂家以及其使用的通讯协议［2－4］。该系统将太阳能充分利用于热水器装置中，对于日照时间较长的地区，可合理利用太阳能，实现节能减排。系统的开发应用，将实现物联网的功能，使编程人员足不出户就可编程或修改控制逻辑，这对于偏远地区具有重要意义。Niagara 平台的硬件系统Jace，具有断电保护功能，保证在下次通电时保存断电时的状态，避免了人为再次设定参数的问题。

1 系统介绍

该系统主要由基于Niagara 平台的控制器Jace、太阳能储热板、水泵、风机、加热装置等设备构成。从以下流程图可看出，本文的设计包括两个部分:Niagara平台的控制逻辑和Niagara 平台与云平台的数据传输。

图1 系统运行流程图

Niagara 平台的控制逻辑主要包括5 个模式:集热模式、采暖模式、生活热水即开即热、采暖管路防冻循环、水箱辅助电加热。在这5 个模式下，可保持太阳能集热器出口温度、集热水箱温度、室内立管温度、室内温度、生活用水管路温度对于所有风机和水泵的自动控制。各数据与Niagara 平台的之间的通讯在本系统中是通过Modbus 通讯协议来实现。

Niagara 平台与云平台的数据传输在云端也是使用Niagara 平台来显示数据，可直观的显示主要设备的运行情况和各个数据的实时大小。当需要逻辑修改时，同样可在浏览器界面中远程直接修改［5］。

且该系统内部自带的报警系统可解决较多的隐患问题，只要出现问题，就会立即报警，确保有人响应之后才停止报警。

此外，此系统还带有历史记录表，可通过链接查询历史记录。

2 系统设计

2.1 系统运行模式介绍

2.1.1 集热模式

集热模式是指通过集热器出口温度与水箱温度之间的温度差来实现对循环风机的控制。当集热器出口温度比水箱温度高10°时，循环风机开始运行;当集热器出口温度比水箱温度低5°时，循环风机停止运行。在5 ～10°之间的温差，保证了循环风机不会在临界点不停的切换，增加了循环风机的使用寿命。

2.1.2 采暖模式和采暖管路防冻模式

采暖模式是指通过对室内温度的反馈来实现对采暖循环水泵的控制;采暖管道防冻模式是指通过对室内立管温度的反馈来控制采暖循环水泵。当室内温度＜18°或室内立管温度＜5°时，采暖循环水泵开始运行;当室内温度＞22°且室内立管温度＞10°时，采暖循环水泵停止运行。在这些温度之间，采暖循环水泵保持上一个状态。

2.1.3 生活热水即开即热

生活热水即开即热指的是对于生活用水管路温度的反馈，实现对生活用水循环泵的控制。当生活用水管路温度＜20°时，生活用水循环泵开始运行;当生活用水管路温度＞25°时，生活用水循环泵停止运行。

2.1.4 水箱辅助电加热

水箱辅助电加热是指对集热器水箱温度的反馈来实现对水箱电加热的控制。当集热水箱温度＜45°时，集热水箱电加热开始运行;当集热水箱温度＞50°时，集热水箱电加热停止运行。集热水箱电加热是为了保证在连续的阴雨天气中也有对热水的持续供应。

2.1.5 日程表

为了节约能源资源，在该系统中加入了日程表。在日程表中，可在白天和晚上两个时间段设定不同的温度或者在半夜直接将某些浪费资源的硬件关闭，以免在半夜无人用水时发生电加热等类似资源浪费的现象。

2.1.6 强制模式

强制模式是指对于某个或某些设备在没达到控制逻辑要求时的人为强制控制。当系统发生故障时，可以强制一键关闭所有设备。

2.2 Niagara 平台与云平台介绍

Niagara 平台可实现Niagara 系统中的数据与云端数据的相互控制。可将下位机采集到的数值上传到云端上位机，将上位机设置的数值运用到下位机实现逻辑的控制。上位机与下位机的通讯是双向的。所以，控制逻辑放在上位机或下位机没有局限性，在上下位机中均可实现［6］。

3 控制系统实现

3.1 逻辑编程

系统的逻辑包括上述5 种模式。5 种模式有一个共同点，即需要一个保持功能的逻辑，这在Niagara 系统中是通过Tstat 功能模块来实现的。Tstat 模块如图2所示。主要是通过对Cv、Sp、Diff 3 个引脚数值的设置来控制Out 的输出。Cv 连接的是实时温度，Sp 连接的是最大温度与最小温度的平均值，Diff 连接的是最大温度与最小温度的温度差。图2 中的对Sp 和Differ 数值的设置代表的是水箱辅助加热模式中的数值。在Out 后面接一个Status Boolean to Boolean 功能模块便可实现功能。当Cv ＜45°时，Out 输出为true;当Cv 上升到45°与50°之间时，Out 输出为null(Status Boolean to Boolean 功能模块中的Out 为true);当Cv ＞50°时，Out 输出为false;然后当Cv 下降到50°与45°之间时，Out 输出为null(Status Boolean to Boolean 功能模块中的Out 为false);当Cv 再次＜45°时，Out 输出为true...以此类推［7－8］。

图2 Tstat 模块

3.2 Niagara 平台与云平台配置

Niagara 平台与云平台的双向通讯是通过功能模块中的Out 引脚和set 引脚的双向互接来实现的［9］。只要保证比set 优先级高的赋值引脚处于null 状态，向set 中赋值就是Out 的值，Out 的值再赋值另一个平台的set 引脚，从而达到了4 个数值的同步，不管是在Niagara平台还是在云平台中改变数值，两边的set 引脚和Out 引脚均发生变化。

3.3 系统界面

在Niagara 平台与云平台相互通讯之后，系统界面是放在云平台的，可通过手机进行访问。

该系统的运行界面和日程表设定界面如图3 和图4所示。运行一览中包括了所有温度点的值和所有风机、水泵和电加热装置的开关结果。若有发生损坏的器件或触发了人为设定的临界值，可及时报警，通过红色字体和报警铃声响应。

日程表中可看出，在哪两段时刻处于不同的状态。图中代表在凌晨0 点到6 点Out 为false，在其他工作时间段Out 为true。在界面中的Special Events 选项中可设定节假日或自身需要的日期，且具有最高的优先级，在其内部设置时间。

图3 运行一览

图4 日程表

由仿真的结果可知:该套系统内部功能稳定，可较好的实现远程控制，对于内部的逻辑也能完全实现，达到了预期的结果。

4 结束语

太阳能作为一种绿色能源，拥有其不可代替的优越性，必将逐步替代传统能源，成为今后能源的主流。

本文从目前的太阳能研究前景出发，在了解一定的太阳能供水系统的需求后，运用Niagara 平台在内部进行了相应的逻辑编程，不仅实现了所有的功能，还解决了传统工业控制的弊病，实现了物联网的功能［10］。足不出户的编程来实现对远程器件的控制，这对于一些偏远地区具有重要的意义，但该系统还需与实践相结合来逐步改善，以便汲以广泛应用。

［1］ 王宏玉.基于Niagara 平台的智能建筑系统集成技术研究［D］.长沙:湖南大学，2007.

［2］ 刘战国.智能控制在建筑空调控制系统及电梯群控系统中的应用研究［D］.重庆:重庆大学，2008.

［3］ 中华人民共和国建设部.GB/T50314－2006.智能建筑设计标准［S］.北京:中国计划出版社，2006.

［4］ 肖进.基于Niagara 的建筑智能化系统集成的设计与开发［D］.济南:山东大学，2011.

［5］ 何朝阳，戴君，吴丽琴.基于STC12C5410AD 的太阳能路灯控制器设计［J］.电子设计工程，2007(3):27－30.

［7］ 张盛.基于PLC16F676 的调宽调频式太阳能交通灯黄灯信号灯控制器的设计［J］.电源技术应用，2006，9(12):14－17.

［8］ 王保云.物联网技术研究综述［J］.电子测量与仪器学报，2009，23(12):1－7.

［9］ 张国荣，丁明，苏建徽等.逐级投入式太阳能智能充电控制系统的研究与设计［C］.郑州:中国高等学校电力系统及其自动化专业第二十届学术年会，2004.