基于A(yíng)RM的小區供水嵌入式智能控制系統

0 引言

目前的小區和樓宇供水系統普遍采用基于變頻調速技術(shù)的恒壓供水系統，與傳統的恒速供水系統相比取得了可觀(guān)的節能效果。但由于供水系統的泵出口壓力恒定，不能依據用戶(hù)需求做相應調節，因此從泵理論和水動(dòng)力學(xué)來(lái)分析它并沒(méi)有把變頻調速的節能潛力充分發(fā)揮出來(lái)。

本文針對小區供水系統節能這一課題，提出了一種基于ARM的小區供水嵌入式智能控制系統，它能實(shí)時(shí)跟蹤用戶(hù)需求，因而能較充分發(fā)揮變頻調速的節能潛力，與常規恒壓供水系統相比能更大限度的節能。

1 ARM處理器的性能特點(diǎn)簡(jiǎn)介

LPC2000系列CPU都是基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU，對于代碼規模有嚴格控制的應用場(chǎng)合可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過(guò)30%，而性能的損失卻很小。它們特別適用于工業(yè)控制、醫療系統、通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器以及其它各種類(lèi)型的應用。LPC2129具有以下特點(diǎn)：① 16KB片內SRAM，256KB片內Flash程序存儲器；② 片內Boot裝載程序實(shí)現在系統編程（ISP）和在應用編程（IAP），Flash編程1ms可編程256字節，扇區擦除或整片擦處只需400ms；③ 多個(gè)串行接口，包括兩個(gè)UART，一個(gè)I2C和兩個(gè)SPI接口，一個(gè)PWM單元（6路輸出）、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗定時(shí)器，多達47個(gè)可承受5V電壓的通用I/O口；④ 通過(guò)可編程的片內鎖相環(huán)可實(shí)現最大為60MHz的CPU工作頻率范圍，片內晶振的操作頻率范圍1-30MHz；⑤ 空閑和掉電兩種低功耗模式，通過(guò)外部中斷處理器從掉電模式中喚醒，外設功能可單獨使能/禁止，實(shí)現功耗最小化。

2 系統工作原理與軟硬件實(shí)現

2.1 系統工作原理

本系統將泵理論和水動(dòng)力學(xué)做成專(zhuān)家系統，通過(guò)對泵出口的壓力和流量的采集，由專(zhuān)家系統運算后實(shí)時(shí)給出系統的工作點(diǎn)，再通過(guò)模糊PID控制迅速的把系統穩定在該工作點(diǎn)處。同時(shí)該系統還具有故障報警，常規PLC啟停邏輯控制，CAN通信，與上位機通信等功能，其中上位機采用VB編寫(xiě)應用程序完成對下位機的監控。系統的原理框圖如圖1所示。

2.2 硬件設計

2.2.1 A/D轉換模塊

本系統直接采用ARM7-LPC2129的片內兩個(gè)A/D轉換模塊接收泵出口的壓力和流量采集信號，轉換好的數據送入專(zhuān)家系統進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.2.2 ARM7控制器ARM7控制器

嵌入了專(zhuān)家系統和模糊PID控制功能，其中專(zhuān)家系統部分把經(jīng)A/D轉換后的流量和壓力信號進(jìn)行運算，計算出用戶(hù)在該時(shí)刻的壓力需求并給出系統的工作點(diǎn)，然后經(jīng)模糊PID控制把系統迅速穩定在該工作點(diǎn)處，系統的控制原理圖如圖2所示。

模糊控制具有對被控制對象的數學(xué)模型依賴(lài)性弱、不需要建立精確數學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)，而PID控制算法具有簡(jiǎn)單、容易實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，因此，把模糊控制與PID控制在不同的區域實(shí)行分級控制，就能發(fā)揮模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點(diǎn)。在誤差較大時(shí)，采用模糊控制使系統快速趨向設定值，并且能實(shí)現超調較小的良好動(dòng)態(tài)特性；誤差較小時(shí)即趨于穩定時(shí)，采用PID控制算法發(fā)揮PID控制精確、靜態(tài)誤差小等優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步改善靜態(tài)特性。由于供水系統具有時(shí)滯性和非線(xiàn)性，同時(shí)建立它的精確數學(xué)模型在目前來(lái)看還是不可能的，因此本系統采用了模糊PID對供水系統進(jìn)行控制。

2.2.3 串口通信模塊

本系統直接使用了ARM7-LPC2129的片內兩個(gè)UART接口。其中UART0與變頻器通信，UART1與上位機（PC）通信。

2.2.4 開(kāi)關(guān)量輸入/輸出模塊

本系統采用了ARM7-LPC2129的通用輸入/輸出口做為開(kāi)關(guān)量的輸入/輸出接口，用于接收火災信號、緩沖水池的液位信號，完成泵組啟停邏輯控制等相關(guān)輔助功能。

2.2.5 CAN接口模塊

現場(chǎng)總線(xiàn)是工業(yè)控制中的控制局域網(wǎng)，代表了未來(lái)工業(yè)控制的發(fā)展方向。由于它的飛速發(fā)展，各項工控技術(shù)均向現場(chǎng)總線(xiàn)靠攏，因此本系統還開(kāi)發(fā)了CAN接口（ARM7-LPC2129帶有一個(gè)CAN接口）驅動(dòng)程序，為系統能接入現場(chǎng)總線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )提供技術(shù)支持。

2.3 軟件設計

本系統應用程序采用結構化模塊設計，由主程序和中斷服務(wù)程序等組成。中斷服務(wù)程序定時(shí)檢測用戶(hù)端管道壓力和流量，并完成A/D轉換，采樣數據經(jīng)數字濾波送專(zhuān)家系統分析確定系統的工作點(diǎn)。工作點(diǎn)確定后經(jīng)模糊PID模塊迅速把系統穩定在該工作點(diǎn)處，通過(guò)上下位機的通信程序實(shí)現上位PC對下位機的監控，同時(shí)在軟件的設計中加入了軟件看門(mén)狗，增強了系統的抗干擾能力。主程序框圖如圖3。

3 結束語(yǔ)

由于本系統嵌入了含有泵理論和水動(dòng)力學(xué)的專(zhuān)家系統及模糊PID控制，所以能較好地實(shí)時(shí)跟蹤用戶(hù)需求，更好地發(fā)揮了變頻調速的節能潛力并取得了良好的節能效果；同時(shí)系統還具有很好的快速性、穩定性和很好的抗干擾能力。由于具有良好的供水品質(zhì)和節能效果，使得本系統不僅能應用在小區供水中還可以應用在樓宇供水及工廠(chǎng)企業(yè)的供水節能改造中。