ARM在小區(qū)無壓給水設(shè)備供水嵌入式智能控制系統(tǒng)
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。
本文針對小區(qū)無壓給水設(shè)備供水系統(tǒng)節(jié)能這一課題，提出了一種基于ARM的小區(qū)供水無壓給水設(shè)備嵌入式智能控制系統(tǒng)，它能實(shí)時跟蹤用戶需求，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)簡介
LPC2000系列CPU都是基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持實(shí)時仿真和跟蹤的CPU，對于代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用場合可使用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 多個串行接口，包括兩個UART，一個I2C和兩個SPI接口，一個PWM單元（6路輸出）、實(shí)時時鐘和看門狗定時器，多達(dá)47個可承受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)較大為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)功耗較小化。
2 無壓給水設(shè)備系統(tǒng)工作原理與軟硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 無壓給水設(shè)備系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)將泵理論和水動力學(xué)做成專家系統(tǒng)，通過對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。同時該系統(tǒng)還具有故障報警，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
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A/D轉(zhuǎn)換模塊接收泵出口的壓力和流量采集信號，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進(jìn)行運(yùn)算，計算出用戶在該時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。
模糊控制具有對被控制對象的數(shù)學(xué)模型依賴性弱、不需要建立準(zhǔn)確數(shù)學(xué)模型的優(yōu)點(diǎn)，而PID控制算法具有簡單、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)嵭蟹旨壙刂?，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，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)較小的良好動態(tài)特性；誤差較小時即趨于穩(wěn)定時，采用PID控制算法發(fā)揮PID控制準(zhǔn)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)具有時滯性和非線性，同時建立它的準(zhǔn)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、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(xiàn)場總線是工業(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)場總線靠攏，因此本系統(tǒng)還開發(fā)了CAN接口（ARM7-LPC2129帶有一個CAN接口）驅(qū)動程序，為系統(tǒng)能接入現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支持。
2.3 軟件設(shè)計
本系統(tǒng)應(yīng)用程序采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計，由主程序和中斷服務(wù)程序等組成。中斷服務(wù)程序定時檢測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對下位機(jī)的監(jiān)控，同時在軟件的設(shè)計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力學(xué)的專家系統(tǒng)及模糊PID控制，所以能較好地實(shí)時跟蹤用戶需求，較好地發(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)無壓給水設(shè)備供水中還可以應(yīng)用在樓宇供水及工廠企業(yè)的供水節(jié)能改造中。
無壓給水設(shè)備概述
無壓給水設(shè)備是一種能直接與自來水管網(wǎng)連接，且對自來水管網(wǎng)不產(chǎn)生負(fù)壓的成套給水設(shè)備。傳統(tǒng)的供水方法離不開蓄水池，蓄水池的水一般由自來水管網(wǎng)供給，并且管網(wǎng)中有壓力的水進(jìn)入水池后壓力為零，零造成了能源的浪費(fèi)，無壓給水設(shè)備是我廠在變頻恒壓供水的基礎(chǔ)上，開發(fā)的新一代智能化高科技產(chǎn)品，無負(fù)壓給水設(shè)備可適用于需要增高水壓的給水系統(tǒng)，是一種理想的現(xiàn)代化建筑的給水設(shè)備。設(shè)備可以取代蓄水池，充分利用自來水管網(wǎng)的壓力，直接供水或間接供水，減少能源的二次浪費(fèi)，避免水的二次污染，節(jié)省基本建設(shè)投資，并縮短建造工程。
無壓給水設(shè)備由變頻控制柜、水泵機(jī)組、氣壓罐、穩(wěn)流罐、自動雙關(guān)排氣裝置、遠(yuǎn)程信號傳感器及管路構(gòu)件組成，用戶可根據(jù)需求自選組合。性能特點(diǎn)：程序化的操作系統(tǒng)保證了多元化的操作功能及完善的保護(hù)功能；全封閉的供水環(huán)境，提高了水質(zhì)，避免了二次污染。
無壓給水設(shè)備技術(shù)特點(diǎn)
無壓給水設(shè)備根據(jù)當(dāng)?shù)睾陀盟畬?shí)際情況，確定有效的防止影響市政給水管網(wǎng)水力工況的技術(shù)措施和可靠的防負(fù)壓控制系統(tǒng)，防負(fù)壓控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)應(yīng)有明顯的標(biāo)志。
當(dāng)建筑物具備雙電源、雙水源條件時，該建筑物的管網(wǎng)疊壓供水設(shè)備應(yīng)采用同等條件的電源和水源。
無壓給水設(shè)備應(yīng)選用符合衛(wèi)生部門要求的管網(wǎng)疊壓變頻供水設(shè)備。
無壓給水設(shè)備設(shè)計流量確定
1 建筑物給水設(shè)計流量應(yīng)符合下列要求： 無高位水箱時，設(shè)計流量應(yīng)按設(shè)計秒流量確定；
2有高位水箱時，設(shè)計流量應(yīng)按較大小時平均秒流量確定。
3居住小區(qū)給水設(shè)計流量應(yīng)符合下列要求：
■供水規(guī)模小于3000人時，設(shè)計流量應(yīng)符合以下要求■
1)小區(qū)建筑物全部采用室外管網(wǎng)直接供水時，設(shè)計流量應(yīng)按建筑物的生活用水設(shè)計秒流量確定。
2)小區(qū)建筑物全部采用高位水箱供水時，設(shè)計流量應(yīng)按建筑物的生活用水較大小時平均秒流量確定。
3)小區(qū)建筑物既有室外管網(wǎng)直接供水，又有高位水箱供水時，應(yīng)按本條第（1)和2)分別計算流量后，取其中較大值作為設(shè)計增壓水量。
4）供水規(guī)模大于3000人時，設(shè)計流量應(yīng)按建筑物內(nèi)的較大小時平均秒流量確定。
無壓給水設(shè)備工作原理：
a）當(dāng)設(shè)備處于自動控制時，全系統(tǒng)需增壓。由P0水泵通過變頻器變速運(yùn)行至共頻工作，水先進(jìn)入氣壓罐，通過出水管道流入管網(wǎng)。
b）當(dāng)用水量繼續(xù)增大，大于P0水泵共頻工作時，原傳壓力表繼續(xù)發(fā)出信號，接通P1水泵，P1水泵隨用水量增大，同樣由變頻至工頻工做，若此時流量和壓力仍不能滿足需要時，則可繼續(xù)增加P2水泵工作，以滿足全系統(tǒng)的需要。
c）若此時壓力已滿足，則P2水泵由工頻轉(zhuǎn)變成變頻工作，直至停泵為止。P1水泵同樣如此。P0水泵仍在工作。
d）當(dāng)用水等于零時，系統(tǒng)壓力保持不變的情況下，P0水泵停止工作，依靠罐內(nèi)壓力繼續(xù)供水，維持系統(tǒng)壓力，達(dá)到了節(jié)省電能作用。
無壓給水設(shè)備造型說明
無壓給水設(shè)備選型是根據(jù)用戶自來水進(jìn)水量，（自來水進(jìn)水口徑、壓力），用戶實(shí)際用水量，建筑物高度等數(shù)據(jù)來確定。選用合適的水泵流量，揚(yáng)程、水泵型號和數(shù)量組成給水設(shè)備。設(shè)備所選水罐的容積是按照自來水流量滿足要求的情況下估算的，其公式推薦如下：
V容積=（Q進(jìn)-Q出）△t
Q進(jìn)為一天較高用水高峰期自來水進(jìn)水量（m3/h）；
Q出為一天較高用水高峰期用戶用水量（m3/h）；
△t為較大用水高峰期持續(xù)時間（h）；
無壓給水設(shè)備工作環(huán)境
1.環(huán)境溫度：-10℃～+45℃；
2.相對溫度：≤85%；
3.介質(zhì)溫度：-20℃～+120℃不凍結(jié)，易揮發(fā)；
4.環(huán)境條件：無導(dǎo)電粉塵，無腐蝕性氣體、無易燃易爆氣體。
無壓給水設(shè)備產(chǎn)品用途
◇城市居民小區(qū)、高層建筑、賓館、飯店的生活供水及消防給水
◇自來水、清潔液體輸送管道系統(tǒng)的二次增壓泵站
◇暖通、空調(diào)、鍋爐、浴室等冷熱系統(tǒng)給水；
◇廣場音樂噴泉、瀑布的自動給水；
◇工業(yè)、民用建筑的消防、噴淋、生產(chǎn)、生活供水；
