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)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，實現(xiàn)功耗最小化,。

　　2 系統(tǒng)工作原理與軟硬件實現(xiàn)

　　2.1 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、不需要建立精確數(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)具有時滯性和非線性,，同時建立它的精確數(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，所以能較好地實時跟蹤用戶需求,，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。

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