ARM在小區無壓給水設備供水嵌入式智能控制系統

　　目前的小區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，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能潛力充分發揮出來。

　　本文針對小區無壓給水設備供水系統節能這一課題，提出了一種基于ARM的小區供水無壓給水設備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，對于代碼規模有嚴格控制的應用場合可使用16位Thumb模式將代碼規模降低超過30%，而性能的損失卻很小。它們特別適用于工業控制、醫療系統、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，扇區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可實現較大為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，實現功耗較小化。

　　2 無壓給水設備系統工作原理與軟硬件實現

　　2.1 無壓給水設備系統工作原理

　　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定在該工作點處。同時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、不需要建立準確數學模型的優點，而PID控制算法具有簡單、容易實現等優點，因此，把模糊控制與PID控制在不同的區域實行分級控制，就能發揮模糊控制和PID控制各自的優點。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特性；誤差較小時即趨于穩定時，采用PID控制算法發揮PID控制準確、靜態誤差小等優點，進一步改善靜態特性。由于供水系統具有時滯性和非線性，同時建立它的準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

　　現場總線是工業控制中的控制局域網，代表了未來工業控制的發展方向。由于它的飛速發展，各項工控技術均向現場總線靠攏，因此本系統還開發了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，較好地發揮了變頻調速的節能潛力并取得了良好的節能效果；同時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和節能效果，使得本系統不僅能應用在小區無壓給水設備供水中還可以應用在樓宇供水及工廠企業的供水節能改造中。

 

無壓給水設備概述

      無壓給水設備是一種能直接與自來水管網連接，且對自來水管網不產生負壓的成套給水設備。傳統的供水方法離不開蓄水池，蓄水池的水一般由自來水管網供給，并且管網中有壓力的水進入水池后壓力為零，零造成了能源的浪費，無壓給水設備是我廠在變頻恒壓供水的基礎上，開發的新一代智能化高科技產品，無負壓給水設備可適用于需要增高水壓的給水系統，是一種理想的現代化建筑的給水設備。設備可以取代蓄水池，充分利用自來水管網的壓力，直接供水或間接供水，減少能源的二次浪費，避免水的二次污染，節省基本建設投資，并縮短建造工程。

      無壓給水設備由變頻控制柜、水泵機組、氣壓罐、穩流罐、自動雙關排氣裝置、遠程信號傳感器及管路構件組成，用戶可根據需求自選組合。性能特點：程序化的操作系統保證了多元化的操作功能及完善的保護功能；全封閉的供水環境，提高了水質，避免了二次污染。

 

無壓給水設備技術特點

      無壓給水設備根據當地和用水實際情況，確定有效的防止影響市政給水管網水力工況的技術措施和可靠的防負壓控制系統，防負壓控制系統的工作狀態應有明顯的標志。

當建筑物具備雙電源、雙水源條件時，該建筑物的管網疊壓供水設備應采用同等條件的電源和水源。 

無壓給水設備應選用符合衛生部門要求的管網疊壓變頻供水設備。

無壓給水設備設計流量確定 

1 建筑物給水設計流量應符合下列要求： 無高位水箱時，設計流量應按設計秒流量確定； 

2有高位水箱時，設計流量應按較大小時平均秒流量確定。

3居住小區給水設計流量應符合下列要求：

■供水規模小于3000人時，設計流量應符合以下要求■

1)小區建筑物全部采用室外管網直接供水時，設計流量應按建筑物的生活用水設計秒流量確定。

2)小區建筑物全部采用高位水箱供水時，設計流量應按建筑物的生活用水較大小時平均秒流量確定。

3)小區建筑物既有室外管網直接供水，又有高位水箱供水時，應按本條第（1)和2)分別計算流量后，取其中較大值作為設計增壓水量。 

4）供水規模大于3000人時，設計流量應按建筑物內的較大小時平均秒流量確定。

 

無壓給水設備工作原理：

a）當設備處于自動控制時，全系統需增壓。由P0水泵通過變頻器變速運行至共頻工作，水先進入氣壓罐，通過出水管道流入管網。

b）當用水量繼續增大，大于P0水泵共頻工作時，原傳壓力表繼續發出信號，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，則可繼續增加P2水泵工作，以滿足全系統的需要。

c）若此時壓力已滿足，則P2水泵由工頻轉變成變頻工作，直至停泵為止。P1水泵同樣如此。P0水泵仍在工作。

d）當用水等于零時，系統壓力保持不變的情況下，P0水泵停止工作，依靠罐內壓力繼續供水，維持系統壓力，達到了節省電能作用。

 

無壓給水設備造型說明

      無壓給水設備選型是根據用戶自來水進水量，（自來水進水口徑、壓力），用戶實際用水量，建筑物高度等數據來確定。選用合適的水泵流量，揚程、水泵型號和數量組成給水設備。設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-Q出）△t

Q進為一天較高用水高峰期自來水進水量（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時間（h）；

 

無壓給水設備工作環境

1.環境溫度：-10℃～+45℃；

2.相對溫度：≤85%；

3.介質溫度：-20℃～+120℃不凍結，易揮發；

4.環境條件：無導電粉塵，無腐蝕性氣體、無易燃易爆氣體。

 

無壓給水設備產品用途

◇城市居民小區、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的二次增壓泵站

◇暖通、空調、鍋爐、浴室等冷熱系統給水；

◇廣場音樂噴泉、瀑布的自動給水；

◇工業、民用建筑的消防、噴淋、生產、生活供水；