模组壁挂炉的温度协同控制系统设计*

陈嘉源, 吴黎明, 金玲玲

(1. 广东工业大学，广州 510006; 2. 深圳瑞斯特朗科技有限公司)

模组壁挂炉的温度协同控制系统设计*

陈嘉源1,2, 吴黎明1, 金玲玲2

(1. 广东工业大学，广州 510006; 2. 深圳瑞斯特朗科技有限公司)

摘要:为了解决燃气壁挂炉在大面积采暖时出现的供暖温度差异，从安全可靠的角度出发，提出模组壁挂炉温度协同控制方案。通过增设2个逻辑开关，由公共显示面板以轮询的方式每隔4 s依次与多个壁挂炉的控制主板完成数据交互，实现模组壁挂炉的协同控制。经实验测试，4台壁挂炉同时在线时，能按照供暖需求富裕和最长工作时间优先停机原则完成协同控制，系统基本完成预期目标。

关键词:模组壁挂炉；协同控制；供暖需求富裕

引言

燃气壁挂炉也称壁挂炉，是一种以天然气、人工煤气或液化气作为主要能源，提供温暖舒适的家居供暖及生活用水的家用设备。它具有家庭集中供热、满足多居室采暖要求的功能，而且能提供大流量的恒温卫生热水，供家庭沐浴，已经广泛地使用在常年温度较低的地区[1-2]。然而，壁挂炉的供暖能力与加热效率、储水容量、供能水管的密度等有关。根据实际经验，100 m2的采暖面积，需要15 kW的供热功率，加上卫浴用水，基本上要选择一个18 kW的壁挂炉[3]。对于300 m2甚至更大采暖面积的情况，需要选择大功率、大容量的壁挂炉。在我国，对燃气类产品的安全认证要求比较高，特别是对于大容量的壁挂炉，虽然供暖能力大大地提高，也增加了相应的安全隐患。同时，由于布置水管的密度大，布置路径长，储水罐的出水温度和回水温度温差过大，会出现在储水罐附近的地方温度适中，而比较远的地方温度则达不到要求的情况。

基于上述问题，提出模组壁挂炉的温度协同控制方案，通过一个公共显示面板同时操作多台小容量小功率的壁挂炉，实现模组壁挂炉的温度协同控制。

1模组壁挂炉温度协同控制原理

传统壁挂炉的控制电路由人机交互的显示面板和接收控制指令的控制主板组成，显示面板和控制主板之间通过串口通信，如图1(a)所示[4-5]。使用壁挂炉的首要条件是安全问题，如果单纯地增加多个燃气炉，当其中一个燃气炉出现故障、但其他燃气炉处于正常工作，或者只有控制主板出现故障情况下，多个燃气炉工作也会面临安全风险。因此，本方案继续采用1控制主板、1燃气炉的原则，在保证不改动控制主板硬件的前提下，在显示面板和多个控制主板之间增加2个1对8的逻辑开关，每隔500 mm同时切换到下一路，结构图如图1(b)所示。

图1　系统工作原理图

这样，显示面板和多个控制主板之间通过遍历的方式，显示面板的操作指令能下传到各个控制主板，控制主板的信息也能上传到显示面板。当模组壁挂炉满载时(8台全部在线)，每台壁挂炉的响应时间只需4 s，对于用户来说是可以接受的。即使其中一个燃气炉出现故障，对应的控制主板也能及时关闭燃气阀，而不影响其他燃气炉的工作，保证了模组壁挂炉的正常供暖。

2模组壁挂炉显示面板硬件设计

图2　显示面板硬件原理图

为了让模组壁挂炉兼容现有的各款控制主板，本设计不对控制主板重新设计，仅设计具有模组协同控制功能的显示面板。图2是显示面板的核心硬件原理图，其中，采用Microchip公司的PIC16F1939微控制器，该芯片有256字节的片内EEPROM，可以掉电存储壁挂炉的工程参数信息，节省了硬件成本，如图2(a)所示。

在采暖出水管、回水管、卫浴出水管处各放置1个10 kΩ的NTC型热敏电阻作为温度探头，通过配置5.1 kΩ上拉电阻，用3路A/D转换分时采集出水管温度，温度信息可以反馈控制壁挂炉的输出功率，如图2(b)所示。

模组壁挂炉的关键部件是2个逻辑开关，逻辑开关采用CD4051单8通道数字控制模拟电子开关，由A、B、C三个地址引脚控制8个输出端，可以保证在某个时刻只有一路信号正常输出，而且保证串口发送和串口接收同步切换，如图2(c)所示。

液晶屏、双色指示灯以及9个独立按键是重要的人机交互设备。液晶屏是通过液晶驱动芯片HT1621完成，MCU的4个I/O引脚分别和四线串行接口相连，以“连续写”的方式向液晶屏的显存一次写入32×4个字节的字符信息。而双色指示灯用来指示当前系统的工作状态，熄灭表示关机状态，绿色表示工作状态，红色表示出现故障状态。

3模组壁挂炉工作逻辑

3.1壁挂炉的工作流程

一般情况下，控制主板上电时主动向显示面板供电，上电2 s后，系统处于稳定工作状态，显示面板向控制主板主动发送21条参数指令包括壁挂炉的点火设置、编码器设置、卫浴出水与采暖出水温度设置、极限参数设置等，指令格式如下所示。

码头指令码参数长度参数码码尾0x55Cmd0x01(默认)Par0x0D

控制主板收到工程参数后更新壁挂炉的启动状态，此后，控制主板和显示面板处于关机状态，等待用户键入控制指令。控制主板每隔300 ms向显示面板循环发送如表1所列的7条实时状态信息，并只有在显示面板返回“OK”指令后，控制主板才更新发送下一条实时状态信息。

3.2模组壁挂炉的启动流程

图3为模组壁挂炉的工作流程图，具体步骤如下：

表1　实时状态信息表

① 系统上电后初始化阶段，在10 s内，显示面板以20 ms的间隔向8路通道循环发送21条工程参数信息。

② 随后显示面板进入保持阶段，保持与每一通路的连接时间为2 s，共2个循环，在这2段连接时间内，如果某一路通道在0xD0～0xD5内的其中一条指令返回，表示该通路上有壁挂炉在线，而且约定第1通路的壁挂炉为主设备，其他7路的壁挂炉为从设备，工作优先级依次递减，通过检测每一路通路的信息返回，获取在线工作的壁挂炉编号，在以后的轮询过程中，只连接在线的通道，以此加大通信效率。

③ 进入待机状态，液晶屏出现“OFF”字符，显示面板从第一路开始，与每一路在线的控制主板保持4 s的连接时间。在这4 s内，在线的控制主板循环向显示面板发送6条实时状态信息，4 s后显示面板切换到下一路，通过这样的方式，显示面板遍历所有的在线壁挂炉实时状态信息。

④ 当触发开机键时进入运行阶段，液晶屏显示第一台壁挂炉的状态信息，每隔20 s切换到下一路，依次循环显示在线壁挂炉的实时状态信息，在显示某一台壁挂炉信息时，操作显示面板的“+”、“-”温度键，显示面板自动切换到当前控制的壁挂炉通道，完成对该台壁挂炉的温度设置；若在某时刻某通道的控制主板掉线，显示面板在接通该通道时将收不到6条实时状态信息，液晶屏显示“E1”错误码。出现掉线情况时，液晶屏保持显示该通道的出错信息，直到掉线故障排除，或者重新启动模组壁挂炉，将掉线的壁挂炉通道清空。

图3　模组壁挂炉的工作流程图

3.3模组壁挂炉的控制逻辑

在多台壁挂炉同时工作时，容易出现“需求富裕”的情况，明显的特征是采暖出水管的温度和回水管温度相当，说明供能太急，这时需要关闭一定数量的壁挂炉，达到降温或保温效果。而且，壁挂炉连续工作容易造成损坏，为了合理地调用在线的壁挂炉，需要考虑每一台壁挂炉已经工作的时间。

(1) 供暖原则

比较系统设定温度和采暖回水温度的差值，当温差大于或等于8 ℃时，所有在线的壁挂炉全部投入工作；当温差小于5 ℃时，保留5台工作，其他关闭；当温差小于3 ℃时，保留3台工作，其他关闭。如果系统实际在线的壁挂炉数小于以上温差需求，就全部投入工作。此时的“关闭”是假关闭，只是进行熄火操作，将采暖温度设置到35 ℃，而不是将壁挂炉设置为关机状态，以便维持水泵的运转，保持采暖水路的管路压力。当温差为零时，说明温度已经满足采暖要求，只保留一路壁挂炉工作，其他关闭，以维持当前温度。当温差出现负数，说明出现采暖出水温度比设定值还高的情况，一般来说这是不允许的，因此约定超过2 ℃时将全部壁挂炉关闭，等待手工恢复。

(2) 停机原则

在模组壁挂炉供热需求富裕时，按照最长工作时间优先停机休息的原则安排假关闭。如果壁挂炉的工作时间相等，则按照壁挂炉所在通道的优先级从小到大安排熄火假关闭。为了防止温差在临界范围上下波动，导致壁挂炉频繁点火，限定进入假关闭的壁挂炉需要停机30 min后才能重新启动。

图4　模组壁挂炉测试效果图

另外，卫浴水是在卫浴水罐内进行二次热交换，显示面板只需要检测卫浴出水温度与卫浴设定温度的差异情况，当小于设定温度3 ℃时，启动卫浴水泵，让壁挂炉的采暖热水进入卫浴水罐的盘管循环流动，与卫浴水罐里的卫浴水进行热交换。当温度达到时，卫浴水泵自动关闭，只有卫浴水再次低于设定温度的3 ℃时才重新启动卫浴水泵。正常采暖过程中，每触按一次外置水泵按键，外置水泵就打开或关闭，以此加快采暖热水和采暖地板的热交换。

4测试与小结

为了验证上述方案的可靠性，搭建模组壁挂炉温度协同控制系统，对图4所示的模组壁挂炉进行测试。测试条件：采用2台壁挂炉和2路串口模拟壁挂炉进行测试，其中，将2台壁挂炉的控制主板挂载在显示面板的第一路通道和第8路通道上，2个串口分别与PC机相连模拟壁挂炉的工作状态。为方便对系统进行调试，采用10 kΩ电位器模拟3个NTC热敏电阻。测试中，显示面板的液晶屏显示37 ℃表示采暖出水温度，58 ℃表示采暖设定温度，液晶屏上火焰符号表示该壁挂炉处于采暖加热状态。

经过实验证明，4台壁挂炉同时在线时能按照预期目标完成采暖温度的协同控制，系统基本完成预期目标。测试情况如表2所列。

表2　实验测试记录表

参考文献

[1] 王鹏.燃气壁挂炉在住宅建筑中的应用[J].低温建筑技术,2013,35(4):126-127.

[2] 陈煜,张辉.冷凝式燃气壁挂炉的特点及应用现状[J].上海工程技术大学学报,2013,27(4):289-291.

[3] 马婧芳.浅谈分户燃气壁挂炉供暖的发展优势[J].科技信息,2009(35):322,391.

[4] 陈嘉源,吴黎明.基于家庭网络技术的燃气壁挂炉故障监测系统设计[J].自动化与信息工程,2014(5):7-11.

[5] 周晋.燃气壁挂锅炉系统设计[J].科技展望, 2014(21):198.

陈嘉源(硕士研究生)，主要从事无线传感网、嵌入式系统和自动控制应用研究；吴黎明(教授)，主要从事嵌入式系统、通信与信息系统研究。

Temperature Coordinated Control System of Wall-Mounted Boiler

Chen Jiayuan1,2,Wu Liming1,Jin Lingling2

(1.Guangdong University，Guangzhou of Technology, Guang zhou 510006,China; 2.Shenzhen Raystrong Technology Co.,Ltd.)

Abstract：In order to solve the wall-mounted gas boiler heating temperature difference in large heating area,a plan of multiple wall-mounted boiler temperature coordinated control is put forward from the perspective of safe and reliability.The coordinated control is realized by adding two logical switchers.The public display board will complete the data interaction with the multiple control main board of wall-mounted boiler one by one in every 4 seconds.The experiment test results show that the system can complete coordinated control according to the principle of heating demand rich and preference downtime with longest work time when the 4 wall-mounted boiler are online at the same time.The system basically completes the expected goal.

Key words:wall-mounted boiler;coordinated control;heating demand rich

* 基金项目：广州市科技计划重点项目(项目编号：20130701)。

中图分类号:TP272

文献标识码:A

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2015-12-10)