引言
目前的小區(qū)和樓宇供水系統普遍采用基于變頻調速技術的恒壓供水系統，與傳統的恒速供水系統相比取得了可觀的節(jié)能效果。但由于供水系統的泵出口壓力恒定，不能依據用戶需求做相應調節(jié)，因此從泵理論和水動力學來分析它并沒有把變頻調速的節(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，它能實時跟蹤用戶需求，因而能較充分發(fā)揮變頻調速的節(jié)能潛力，與常規(guī)恒壓供水系統相比能更大限度的節(jié)能。
1 ARM處理器的性能特點簡介
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)模有嚴格控制的應用場合可使用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、通信網關、協議轉換器以及其它各種類型的應用。LPC2129具有以下特點：① 16KB片內SRAM，256KB片內Flash程序存儲器；② 片內Boot裝載程序實現在系統編程（ISP）和在應用編程（IAP），Flash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47個可承受5V電壓的通用I/O口；④ 通過可編程的片內鎖相環(huán)可實現最大為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，實現功耗最小化。
2 系統工作原理與軟硬件實現
2.1 系統工作原理
本系統將泵理論和水動力學做成專家系統，通過對泵出口的壓力和流量的采集，由專家系統運算后實時給出系統的工作點，再通過模糊PID控制迅速的把系統穩(wěn)定在該工作點處。同時該系統還具有故障報警，常規(guī)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編寫應用程序完成對下位機的監(jiān)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家系統進行進一步處理。
2.2.2 ARM7控制器
ARM7控制器嵌入了專家系統和模糊PID控制功能，其中專家系統部分把經A/D轉換后的流量和壓力信號進行運算，計算出用戶在該時刻的壓力需求并給出系統的工作點，然后經模糊PID控制把系統迅速穩(wěn)定在該工作點處，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模型依賴性弱、不需要建立精確數學模型的優(yōu)點，而PID控制算法具有簡單、容易實現等優(yōu)點，因此，把模糊控制與PID控制在不同的區(qū)域實行分級控制，就能發(fā)揮模糊控制和PID控制各自的優(yōu)點。在誤差較大時，采用模糊控制使系統快速趨向設定值，并且能實現超調較小的良好動態(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，進一步改善靜態(tài)特性。由于供水系統具有時滯性和非線性，同時建立它的精確數學模型在目前來看還是不可能的，因此本系統采用了模糊PID對供水系統進行控制。
2.2.3 串口通信模塊
本系統直接使用了ARM7-LPC2129的片內兩個UART接口。其中UART0與變頻器通信，UART1與上位機（PC）通信。
2.2.4 開關量輸入/輸出模塊
本系統采用了ARM7-LPC2129的通用輸入/輸出口做為開關量的輸入/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輔助功能。
2.2.5 CAN接口模塊
現場總線是工業(yè)控制中的控制局域網，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，各項工控技術均向現場總線靠攏，因此本系統還開發(fā)了CAN接口（ARM7-LPC2129帶有一個CAN接口）驅動程序，為系統能接入現場總線網絡提供技術支持。
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程序等組成。中斷服務程序定時檢測用戶端管道壓力和流量，并完成A/D轉換，采樣數據經數字濾波送專家系統分析確定系統的工作點。工作點確定后經模糊PID模塊迅速把系統穩(wěn)定在該工作點處，通過上下位機的通信程序實現上位PC對下位機的監(jiān)控，同時在軟件的設計中加入了軟件看門狗，增強了系統的抗干擾能力。主程序框圖如圖3。
3 結束語
由于本系統嵌入了含有泵理論和水動力學的專家系統及模糊PID控制，所以能較好地實時跟蹤用戶需求，更好地發(fā)揮了變頻調速的節(jié)能潛力并取得了良好的節(jié)能效果；同時系統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和節(jié)能效果，使得本系統不僅能應用在小區(qū)供水中還可以應用在樓宇供水及工廠企業(yè)的供水節(jié)能改造中。
參考文獻
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