基于ARM的小區(qū)供水嵌入式智能控制系統(tǒng)

0 引言

目前的小區(qū)和樓宇供水系統(tǒng)普遍采用基于變頻調(diào)速技術(shù)的恒壓供水系統(tǒng)，與傳統(tǒng)的恒速供水系統(tǒng)相比取得了可觀的節(jié)能效果。但由于供水系統(tǒng)的泵出口壓力恒定，不能依據(jù)用戶需求做相應(yīng)調(diào)節(jié)，因此從泵理論和水動(dòng)力學(xué)來分析它并沒有把變頻調(diào)速的節(jié)能潛力充分發(fā)揮出來。

本文針對(duì)小區(qū)供水系統(tǒng)節(jié)能這一課題，提出了一種基于ARM的小區(qū)供水嵌入式智能控制系統(tǒng)，它能實(shí)時(shí)跟蹤用戶需求，因而能較充分發(fā)揮變頻調(diào)速的節(jié)能潛力，與常規(guī)恒壓供水系統(tǒng)相比能更大限度的節(jié)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(duì)于代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用場(chǎng)合可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過30%，而性能的損失卻很小。它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉(zhuǎn)換器以及其它各種類型的應(yīng)用。LPC2129具有以下特點(diǎn)：① 16KB片內(nèi)SRAM，256KB片內(nèi)Flash程序存儲(chǔ)器；② 片內(nèi)Boot裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)編程（ISP）和在應(yīng)用編程（IAP），F(xiàn)lash編程1ms可編程256字節(jié)，扇區(qū)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)鐘和看門狗定時(shí)器，多達(dá)47個(gè)可承受5V電壓的通用I/O口；④ 通過可編程的片內(nèi)鎖相環(huán)可實(shí)現(xiàn)最大為60MHz的CPU工作頻率范圍，片內(nèi)晶振的操作頻率范圍1-30MHz；⑤ 空閑和掉電兩種低功耗模式，通過外部中斷處理器從掉電模式中喚醒，外設(shè)功能可單獨(dú)使能/禁止，實(shí)現(xiàn)功耗最小化。

2 系統(tǒng)工作原理與軟硬件實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)工作原理

本系統(tǒng)將泵理論和水動(dòng)力學(xué)做成專家系統(tǒng)，通過對(duì)泵出口的壓力和流量的采集，由專家系統(tǒng)運(yùn)算后實(shí)時(shí)給出系統(tǒng)的工作點(diǎn)，再通過模糊PID控制迅速的把系統(tǒng)穩(wěn)定在該工作點(diǎn)處。同時(shí)該系統(tǒng)還具有故障報(bào)警，常規(guī)PLC啟停邏輯控制，CAN通信，與上位機(jī)通信等功能，其中上位機(jī)采用VB編寫應(yīng)用程序完成對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 A/D轉(zhuǎn)換模塊

本系統(tǒng)直接采用ARM7-LPC2129的片內(nèi)兩個(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊接收泵出口的壓力和流量采集信號(hào)，轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入專家系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理。

2.2.2 ARM7控制器ARM7控制器

嵌入了專家系統(tǒng)和模糊PID控制功能，其中專家系統(tǒng)部分把經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的流量和壓力信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，計(jì)算出用戶在該時(shí)刻的壓力需求并給出系統(tǒng)的工作點(diǎn)，然后經(jīng)模糊PID控制把系統(tǒng)迅速穩(wěn)定在該工作點(diǎn)處，系統(tǒng)的控制原理圖如圖2所示。

模糊控制具有對(duì)被控制對(duì)象的數(shù)學(xué)模型依賴性弱、不需要建立精確數(shù)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(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，因此，把模糊控制與PID控制在不同的區(qū)域?qū)嵭蟹旨?jí)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(tǒng)快速趨向設(shè)定值，并且能實(shí)現(xiàn)超調(diào)較小的良好動(dòng)態(tài)特性；誤差較小時(shí)即趨于穩(wěn)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(tǒng)具有時(shí)滯性和非線性，同時(shí)建立它的精確數(shù)學(xué)模型在目前來看還是不可能的，因此本系統(tǒng)采用了模糊PID對(duì)供水系統(tǒng)進(jìn)行控制。

2.2.3 串口通信模塊

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

2.2.4 開關(guān)量輸入/輸出模塊

本系統(tǒng)采用了ARM7-LPC2129的通用輸入/輸出口做為開關(guān)量的輸入/輸出接口，用于接收火災(zāi)信號(hào)、緩沖水池的液位信號(hào)，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(xiàn)場(chǎng)總線是工業(yè)控制中的控制局域網(wǎng)，代表了未來工業(yè)控制的發(fā)展方向。由于它的飛速發(fā)展，各項(xiàng)工控技術(shù)均向現(xiàn)場(chǎng)總線靠攏，因此本系統(tǒng)還開發(fā)了CAN接口（ARM7-LPC2129帶有一個(gè)CAN接口）驅(qū)動(dòng)程序，為系統(tǒng)能接入現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支持。

2.3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)應(yīng)用程序采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì)，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(cè)用戶端管道壓力和流量，并完成A/D轉(zhuǎn)換，采樣數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字濾波送專家系統(tǒng)分析確定系統(tǒng)的工作點(diǎn)。工作點(diǎn)確定后經(jīng)模糊PID模塊迅速把系統(tǒng)穩(wěn)定在該工作點(diǎn)處，通過上下位機(jī)的通信程序?qū)崿F(xiàn)上位PC對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控，同時(shí)在軟件的設(shè)計(jì)中加入了軟件看門狗，增強(qiáng)了系統(tǒng)的抗干擾能力。主程序框圖如圖3。

3 結(jié)束語

由于本系統(tǒng)嵌入了含有泵理論和水動(dòng)力學(xué)的專家系統(tǒng)及模糊PID控制，所以能較好地實(shí)時(shí)跟蹤用戶需求，更好地發(fā)揮了變頻調(diào)速的節(jié)能潛力并取得了良好的節(jié)能效果；同時(shí)系統(tǒng)還具有很好的快速性、穩(wěn)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(jié)能效果，使得本系統(tǒng)不僅能應(yīng)用在小區(qū)供水中還可以應(yīng)用在樓宇供水及工廠企業(yè)的供水節(jié)能改造中。