劉永嶺 王艷艷

(江蘇省聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院連云港中醫(yī)藥分院，江蘇 連云港222007)

經(jīng)過(guò)近30 年的發(fā)展，我國(guó)成為全球最大的太陽(yáng)能熱利用設(shè)備制造中心，到2020 年，僅僅是家用太陽(yáng)能熱水器的全國(guó)保有量達(dá)到了8.0 億平方米。雖然近幾年太陽(yáng)能熱水器行業(yè)受高層建筑的影響出現(xiàn)產(chǎn)值下滑的趨勢(shì)，而在廣大農(nóng)村，太陽(yáng)能熱水器幾乎還是家家擁有。

雖然太陽(yáng)能熱水器具有節(jié)能環(huán)保的天然益處，但使用太陽(yáng)能熱水器遠(yuǎn)沒(méi)有燃?xì)鉄崴骰螂姛崴鞣奖悖饕蚴敲刻煲o太陽(yáng)能補(bǔ)水、需要等候、有時(shí)會(huì)忘記補(bǔ)水、忘記關(guān)水，受這些因素的影響及隨著社會(huì)的發(fā)展，有些人已經(jīng)不在乎節(jié)省那點(diǎn)電費(fèi)或燃?xì)赓M(fèi)用了，因此有許多人拋棄了太陽(yáng)能而更換其它類型的熱水器，這種現(xiàn)象不符合節(jié)能降耗是我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的長(zhǎng)期戰(zhàn)略、能源需要大量進(jìn)口的國(guó)情。

從二十世紀(jì)九十年代起，市場(chǎng)上陸陸續(xù)續(xù)出現(xiàn)過(guò)許多類型、許多品牌的太陽(yáng)能熱水器控制器，它們的主要是圍繞太陽(yáng)能熱水器的水位顯示與控制、水溫顯示、自動(dòng)補(bǔ)水等功能；從技術(shù)角度來(lái)講，主要包括機(jī)械式、電子式兩大類。但是，不論采用哪種技術(shù)方式，它們都難逃短命的厄運(yùn)。出現(xiàn)短命厄運(yùn)的主要原因是水位傳感器使用壽命極短。

機(jī)械式水位傳感器主要有浮子式、壓力式、流量式、超聲波式等幾種類型。由于太陽(yáng)能熱水器的構(gòu)造空間比較狹小、水溫變化幅度大、水垢影響大等原因，這類傳感器的使用壽命少則數(shù)月，多至1-3 年，水位傳感器必然損壞或失效，導(dǎo)致整個(gè)控制器失效。

電子式水位傳感器主要有電阻式、電容式兩種。電阻式大都采用串聯(lián)導(dǎo)電硅膠制作，傳感器長(zhǎng)期放置在太陽(yáng)能水箱內(nèi)，受水垢、電解和溫度的影響，測(cè)量電阻誤差極大、使用壽命很短；電容式水位傳感器受溫度、水質(zhì)、結(jié)垢影響很大、電容量變化很大，不久就會(huì)失效。

所以，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能控制器幾乎是全軍覆沒(méi)，市場(chǎng)期待一種簡(jiǎn)單、可靠、廉價(jià)、方便的太陽(yáng)能熱水器控制器。

1 太陽(yáng)能熱水器控制器的功能優(yōu)化

太陽(yáng)能熱水器控制器一般都設(shè)置水箱水位顯示與控制、水溫顯示、自動(dòng)補(bǔ)水等功能。鑒于前述，不論是機(jī)械式或電子式水位傳感器都有使用壽命短、不可靠的致命弱點(diǎn)。水位傳感器一旦損壞，控制器的自動(dòng)補(bǔ)水功能就會(huì)失效。然而，在實(shí)際使用中，太陽(yáng)能的自動(dòng)補(bǔ)水功能是太陽(yáng)能控制器所有功能中最為有用、最為需要的功能。因此，我們可以對(duì)太陽(yáng)能熱水器控制器的功能進(jìn)行如下優(yōu)化：

優(yōu)化的基本原則是使太陽(yáng)能熱水器控制器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全可靠、造價(jià)低廉、使用方便、具有完全通用性、方便安裝維護(hù)；

棄去目前技術(shù)不成熟或制造成本高或安裝維護(hù)困難的相關(guān)功能。如水位顯示功能，目前沒(méi)有適用于太陽(yáng)能熱水器安裝的廉價(jià)而又可靠的水位傳感器產(chǎn)品或技術(shù)，目前的水位顯示功能精度只有20-25%，所以非常粗略，使用它實(shí)際意義不大。至于溫度顯示功能，雖然技術(shù)成熟，但安裝不便，需要從太陽(yáng)能拉線進(jìn)戶，況且從實(shí)際需求方面講用過(guò)太陽(yáng)能的人都知道只要天氣良好，太陽(yáng)能熱水溫度都能夠達(dá)到洗浴要求，因此，為了方便和簡(jiǎn)化溫度顯示功能也可以棄去。

對(duì)于太陽(yáng)能用戶來(lái)講，最為繁瑣的事情就是給太陽(yáng)能補(bǔ)水。之所以這么說(shuō)，原因是太陽(yáng)能需要每天補(bǔ)水，補(bǔ)水時(shí)需要人員等候，待水滿后手動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)水閥門，工作比較繁瑣；此過(guò)程如果忘記或上班來(lái)不及將錯(cuò)失補(bǔ)水；有時(shí)用戶打開(kāi)補(bǔ)水閥門后而忘記關(guān)閉而離去，導(dǎo)致長(zhǎng)時(shí)間、甚至一整天太陽(yáng)能流水，浪費(fèi)自來(lái)水不說(shuō)重要的是當(dāng)日無(wú)熱水可用。因此，太陽(yáng)能自動(dòng)補(bǔ)水功能非常重要。

根據(jù)以上論述，將太陽(yáng)能控制器功能簡(jiǎn)化為：按需要給太陽(yáng)能補(bǔ)水；補(bǔ)水次數(shù)及補(bǔ)水時(shí)間可以自行設(shè)置；水滿后自動(dòng)關(guān)閉補(bǔ)水閥門；具備隨時(shí)補(bǔ)水功能；十年以上的使用壽命；高度可靠性；用戶購(gòu)買價(jià)不超過(guò)二百元；不需要專業(yè)安裝。

2 太陽(yáng)能熱水器控制器的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

為盡量簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、降低造價(jià)、方便安裝、提高可靠性，將太陽(yáng)能控制器設(shè)計(jì)為圓筒狀，采用活接口直接串接在太陽(yáng)能回水管上。結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

控制器由控制電路、電極、電路接口、圓形（或方形）塑料桶構(gòu)成。控制電路通過(guò)導(dǎo)線與電源接口、電磁閥接口及電極在內(nèi)部相連接；圓形塑料桶作為電器外殼，塑料桶內(nèi)部中央位置設(shè)置一個(gè)與塑料桶內(nèi)部相互密封的塑料桶內(nèi)管；塑料桶內(nèi)管的上部接有回水管快接口，用于連接太陽(yáng)能回水管；塑料桶內(nèi)管的下部固定有一對(duì)相互絕緣的石墨電極；塑料桶內(nèi)管的底部開(kāi)有一只直徑約為塑料桶內(nèi)管直徑1/5 的 小孔，作為回水管緩流孔。電源接口用于外220V 接電源，電磁閥接口用于接補(bǔ)水電磁閥。

3 NJA1-L 簡(jiǎn)介

NJA1-L 是一款小體積、采用手機(jī)APP 實(shí)現(xiàn)編程、Wi-Fi無(wú)線通訊實(shí)現(xiàn)編程、控制、監(jiān)控的可編程邏輯控制器，主機(jī)自帶4 路開(kāi)關(guān)量/模擬量輸入（開(kāi)關(guān)量輸入與模擬量輸入共用端口資源）、4 路開(kāi)關(guān)量輸出，并可通過(guò)擴(kuò)展通訊接口實(shí)現(xiàn)最大32路（包括主機(jī)）開(kāi)關(guān)量/模擬量輸入、32 路開(kāi)關(guān)量輸出、32 路模擬量輸出，配置靈活，滿足大部分編程控制需求。

3.1 開(kāi)關(guān)量輸入/模擬量輸入特性參數(shù)

端口最大承受電壓DC 26V

開(kāi)關(guān)量信號(hào)有效電平≥DC 10V

開(kāi)關(guān)量信號(hào)響應(yīng)時(shí)間≤20ms

模擬量信號(hào)電壓采集范圍DC 0V～10V（14V 最大量程）

模擬量信號(hào)采集精度4mV

模擬量信號(hào)響應(yīng)時(shí)間≤20ms

3.2 輸入電阻430kΩ（端口對(duì)V-）

3.3 編程 功能塊

開(kāi)關(guān)量輸入、開(kāi)關(guān)量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出。

定時(shí)器：日鬧鐘、年鬧鐘、接通延時(shí)、關(guān)斷延時(shí)、接通關(guān)斷延時(shí)、保持接通、脈寬輸出、循環(huán)輸出。

運(yùn)算符：非、與、或、異或、鎖存繼電器、脈沖繼電器、計(jì)數(shù)器、加、減、乘、除、余、開(kāi)方、大于、小于、等于、閥值觸發(fā)器、通道切換器、限值器、積分器。

3.4 NJA1-L 內(nèi)部電路圖

圖2 NJA1-L 內(nèi)部電路圖

圖2 是NJA1-L 的內(nèi)部電路圖。注意，圖中的I0.0-I0.3 是4個(gè)輸入端口，每個(gè)端口通過(guò)一只430K 的電阻接到DC12V 電源的負(fù)極V-，I0.0-I0.3 數(shù)字量輸入的有效電平是DC10V。

4 工作原理

圖3 NJA1-L 接線圖

圖4 I0.1 輸入電平等效原理圖

圖3 是使用NJA1-L 制作的太陽(yáng)能補(bǔ)水控制器的接線圖，接線非常簡(jiǎn)單?？刂破魇褂昧薔JA1-L 的2 個(gè)數(shù)字量輸入端口和兩個(gè)數(shù)字量輸出端口，I0.0 接入一個(gè)按鈕開(kāi)關(guān)SB，開(kāi)關(guān)SB 的功能是手動(dòng)補(bǔ)水/ 停止補(bǔ)水，I0.1 接入石墨電極，相當(dāng)于一個(gè)“水按鈕開(kāi)關(guān)”，兩電極之間有水時(shí)導(dǎo)通，無(wú)水時(shí)斷開(kāi)，其功能是在補(bǔ)水過(guò)程中暫停補(bǔ)水，直到I0.0 有高電平時(shí)繼續(xù)補(bǔ)水，起到水滿停止補(bǔ)水的作用。圖4 是I0.1 輸入端輸入電平等效原理圖，其中R1是兩石墨電極之間的等效電阻，實(shí)驗(yàn)測(cè)量其阻值在5-10KΩ 之間；R2是NJA1-L 自帶的平衡電阻，其阻值為430KΩ。在使用NJA1-L 自身提供的12V 電源的條件下，用分壓計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測(cè)量I0.1 端口的實(shí)際電位為11V 左右，達(dá)到了NJA1-L 系統(tǒng)要求的最低有效電位10V 的要求。因此，SW 可以被看作一只數(shù)字量開(kāi)關(guān)。

SW 上設(shè)置的回水管緩流口既可以起到減小R1 阻值的作用，又可以卸掉塑料桶內(nèi)管內(nèi)的余水，使SW 斷開(kāi)，為下一次工作提供條件。

圖5 程序

需要說(shuō)明的是SW 雖然也是一種電阻傳感器，但與傳統(tǒng)的太陽(yáng)能水位傳感器的使用的電阻傳感器相比，其壽命要長(zhǎng)久幾個(gè)數(shù)量級(jí)，原因有二：其一，SW 通過(guò)的電流僅僅是幾個(gè)微安，電解損壞電極的因素極低；其二，傳統(tǒng)的太陽(yáng)能水位傳感器使用的電阻傳感器需要長(zhǎng)期浸泡在水中，而SW每次補(bǔ)水與水接觸的時(shí)間僅僅幾秒，受水垢、電解影響的因素也十分微弱，加之我們使用的是穩(wěn)定性很高的石墨電極，可見(jiàn)其壽命是十分長(zhǎng)久的，估算壽命大于10年。

5 編程

使用APP 對(duì)該應(yīng)用編程如圖5 所示。

6 使用方法

6.1 控制器制作與安裝

按照本文所介紹的方法制作一個(gè)控制器主機(jī)，可以使用正泰NJAI-L整體產(chǎn)品并制作一只機(jī)殼，將NJAI-L安裝在內(nèi)部，也可以拆除NJAI-L的外殼將內(nèi)部電路安裝在本文所講述的塑料桶內(nèi)，指示燈、按鈕、接口適當(dāng)安裝并連接。石墨電極可以使用5#或7#電池的石墨棒，在電池銅帽上焊接引線。即使不使用石墨電極，采用銅絲或不銹鋼絲制作電極也可以獲得很長(zhǎng)的使用壽命。

6.2 APP 下載

掃一掃所購(gòu)買的NJAI-L產(chǎn)品說(shuō)明書上的APP 二維碼，安裝NJAI-L操作平臺(tái)。

6.3 添加設(shè)備

打開(kāi)NJAI-L 操作平臺(tái)后點(diǎn)擊“設(shè)備”欄目，在屏幕下方點(diǎn)擊“添加設(shè)備”，然后掃描NJAI-L產(chǎn)品面板上的產(chǎn)品序列號(hào)二維碼即可添加所掃描的產(chǎn)品。這時(shí)在設(shè)備列表中將出現(xiàn)被掃描產(chǎn)品的序列碼，可以點(diǎn)擊“設(shè)備名稱”對(duì)產(chǎn)品重新命名。給設(shè)備供電后，點(diǎn)擊設(shè)備名稱后，利用設(shè)備自身提供的熱點(diǎn)進(jìn)行直連，直連成功后再設(shè)備欄目先點(diǎn)擊產(chǎn)品后，可以進(jìn)行路由器設(shè)置，路由器設(shè)置完畢后即可進(jìn)行完成通訊。

在“設(shè)備”欄目對(duì)設(shè)備日期、設(shè)備時(shí)鐘等內(nèi)容進(jìn)行設(shè)置。

6.4 添加項(xiàng)目

點(diǎn)擊APP 的“項(xiàng)目”欄，添加項(xiàng)目，可以將項(xiàng)目名稱修改為“太陽(yáng)能自動(dòng)補(bǔ)水”或它自己喜歡的名稱。

6.5 程序編寫

點(diǎn)擊APP 的“項(xiàng)目”欄下列表中的項(xiàng)目名稱可以進(jìn)行針對(duì)此項(xiàng)目的程序編寫。編寫程序的方法參見(jiàn)產(chǎn)品說(shuō)明書，不在此贅述。

6.6 程序下載

點(diǎn)擊APP 的“項(xiàng)目”欄下列表中的設(shè)備名稱后，點(diǎn)擊“程序下載”，選擇項(xiàng)目名稱后可以在該設(shè)備中下載已經(jīng)編寫好的項(xiàng)目程序。

6.7 遠(yuǎn)程使用

完成上述工作后就可以遠(yuǎn)程使用自己的太陽(yáng)能補(bǔ)水控制器了，可以遠(yuǎn)程打開(kāi)/關(guān)閉控制器，可以對(duì)補(bǔ)水時(shí)間等信息進(jìn)行調(diào)整。

結(jié)束語(yǔ)

綜上，本文提出了一種使用手機(jī)APP、基于NJA1-L 的太陽(yáng)能補(bǔ)水控制器的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，創(chuàng)造性地設(shè)計(jì)了適用此案的水滿探測(cè)傳感器；使用該技術(shù)制造的太陽(yáng)能補(bǔ)水控制器具有廉價(jià)、長(zhǎng)壽面、易于安裝的顯著特點(diǎn)；此項(xiàng)技術(shù)的廣泛推廣可助力太陽(yáng)能行業(yè)的持續(xù)發(fā)展、促進(jìn)節(jié)能減排國(guó)策的順利實(shí)施。