ARM在小区无压给水设备供水嵌入式智能控制系统

　　目前的小区和楼宇供水系统普遍采用基于变频调速技术的恒压供水系统，与传统的恒速供水系统相比取得了可观的节能效果。但由于供水系统的泵出口压力恒定，不能依据用户需求做相应调节，因此从泵理论和水动力学来分析它并没有把变频调速的节能潜力充分发挥出来。

　　本文针对小区无压给水设备供水系统节能这一课题，提出了一种基于ARM的小区供水无压给水设备嵌入式智能控制系统，它能实时跟踪用户需求，因而能较充分发挥变频调速的节能潜力，与常规恒压供水系统相比能更大限度的节能。

　　1 ARM处理器的性能特点简介

　　LPC2000系列CPU都是基于16/32位ARM7TDMI-S，并支持实时仿真和跟踪的CPU，对于代码规模有严格控制的应用场合可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%，而性能的损失却很小。它们特别适用于工业控制、医疗系统、通信网关、协议转换器以及其它各种类型的应用。LPC2129具有以下特点：① 16KB片内SRAM，256KB片内Flash程序存储器；② 片内Boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP），Flash编程1ms可编程256字节，扇区擦除或整片擦处只需400ms；③ 多个串行接口，包括两个UART，一个I2C和两个SPI接口，一个PWM单元（6路输出）、实时时钟和看门狗定时器，多达47个可承受5V电压的通用I/O口；④ 通过可编程的片内锁相环可实现较大为60MHz的CPU工作频率范围，片内晶振的操作频率范围1-30MHz；⑤ 空闲和掉电两种低功耗模式，通过外部中断处理器从掉电模式中唤醒，外设功能可单独使能/禁止，实现功耗较小化。

　　2 无压给水设备系统工作原理与软硬件实现

　　2.1 无压给水设备系统工作原理

　　本系统将泵理论和水动力学做成专家系统，通过对泵出口的压力和流量的采集，由专家系统运算后实时给出系统的工作点，再通过模糊PID控制迅速的把系统稳定在该工作点处。同时该系统还具有故障报警，常规PLC启停逻辑控制，CAN通信，与上位机通信等功能，其中上位机采用VB编写应用程序完成对下位机的监控。系统的原理框图如图1所示。

 

　　2.2 硬件设计

　　2.2.1 A/D转换模块

　　本系统直接采用ARM7-LPC2129的片内两个A/D转换模块接收泵出口的压力和流量采集信号，转换好的数据送入专家系统进行进一步处理。

      2.2.2 ARM7控制器ARM7控制器

　　嵌入了专家系统和模糊PID控制功能，其中专家系统部分把经A/D转换后的流量和压力信号进行运算，计算出用户在该时刻的压力需求并给出系统的工作点，然后经模糊PID控制把系统迅速稳定在该工作点处，系统的控制原理图如图2所示。

 

　　模糊控制具有对被控制对象的数学模型依赖性弱、不需要建立准确数学模型的优点，而PID控制算法具有简单、容易实现等优点，因此，把模糊控制与PID控制在不同的区域实行分级控制，就能发挥模糊控制和PID控制各自的优点。在误差较大时，采用模糊控制使系统快速趋向设定值，并且能实现超调较小的良好动态特性；误差较小时即趋于稳定时，采用PID控制算法发挥PID控制准确、静态误差小等优点，进一步改善静态特性。由于供水系统具有时滞性和非线性，同时建立它的准确数学模型在目前来看还是不可能的，因此本系统采用了模糊PID对供水系统进行控制。

　　2.2.3 串口通信模块

　　本系统直接使用了ARM7-LPC2129的片内两个UART接口。其中UART0与变频器通信，UART1与上位机（PC）通信。

　　2.2.4 开关量输入/输出模块

　　本系统采用了ARM7-LPC2129的通用输入/输出口做为开关量的输入/输出接口，用于接收火灾信号、缓冲水池的液位信号，完成泵组启停逻辑控制等相关辅助功能。

　　2.2.5 CAN接口模块

　　现场总线是工业控制中的控制局域网，代表了未来工业控制的发展方向。由于它的飞速发展，各项工控技术均向现场总线靠拢，因此本系统还开发了CAN接口（ARM7-LPC2129带有一个CAN接口）驱动程序，为系统能接入现场总线网络提供技术支持。

　　2.3 软件设计

　　本系统应用程序采用结构化模块设计，由主程序和中断服务程序等组成。中断服务程序定时检测用户端管道压力和流量，并完成A/D转换，采样数据经数字滤波送专家系统分析确定系统的工作点。工作点确定后经模糊PID模块迅速把系统稳定在该工作点处，通过上下位机的通信程序实现上位PC对下位机的监控，同时在软件的设计中加入了软件看门狗，增强了系统的抗干扰能力。主程序框图如图3。

 

　　3 结束语

　　由于本系统嵌入了含有泵理论和水动力学的专家系统及模糊PID控制，所以能较好地实时跟踪用户需求，较好地发挥了变频调速的节能潜力并取得了良好的节能效果；同时系统还具有很好的快速性、稳定性和很好的抗干扰能力。由于具有良好的供水品质和节能效果，使得本系统不仅能应用在小区无压给水设备供水中还可以应用在楼宇供水及工厂企业的供水节能改造中。

 

无压给水设备概述

      无压给水设备是一种能直接与自来水管网连接，且对自来水管网不产生负压的成套给水设备。传统的供水方法离不开蓄水池，蓄水池的水一般由自来水管网供给，并且管网中有压力的水进入水池后压力为零，零造成了能源的浪费，无压给水设备是我厂在变频恒压供水的基础上，开发的新一代智能化高科技产品，无负压给水设备可适用于需要增高水压的给水系统，是一种理想的现代化建筑的给水设备。设备可以取代蓄水池，充分利用自来水管网的压力，直接供水或间接供水，减少能源的二次浪费，避免水的二次污染，节省基本建设投资，并缩短建造工程。

      无压给水设备由变频控制柜、水泵机组、气压罐、稳流罐、自动双关排气装置、远程信号传感器及管路构件组成，用户可根据需求自选组合。性能特点：程序化的操作系统保证了多元化的操作功能及完善的保护功能；全封闭的供水环境，提高了水质，避免了二次污染。

 

无压给水设备技术特点

      无压给水设备根据当地和用水实际情况，确定有效的防止影响市政给水管网水力工况的技术措施和可靠的防负压控制系统，防负压控制系统的工作状态应有明显的标志。

当建筑物具备双电源、双水源条件时，该建筑物的管网叠压供水设备应采用同等条件的电源和水源。 

无压给水设备应选用符合卫生部门要求的管网叠压变频供水设备。

无压给水设备设计流量确定 

1 建筑物给水设计流量应符合下列要求： 无高位水箱时，设计流量应按设计秒流量确定； 

2有高位水箱时，设计流量应按较大小时平均秒流量确定。

3居住小区给水设计流量应符合下列要求：

■供水规模小于3000人时，设计流量应符合以下要求■

1)小区建筑物全部采用室外管网直接供水时，设计流量应按建筑物的生活用水设计秒流量确定。

2)小区建筑物全部采用高位水箱供水时，设计流量应按建筑物的生活用水较大小时平均秒流量确定。

3)小区建筑物既有室外管网直接供水，又有高位水箱供水时，应按本条第（1)和2)分别计算流量后，取其中较大值作为设计增压水量。 

4）供水规模大于3000人时，设计流量应按建筑物内的较大小时平均秒流量确定。

 

无压给水设备工作原理：

a）当设备处于自动控制时，全系统需增压。由P0水泵通过变频器变速运行至共频工作，水先进入气压罐，通过出水管道流入管网。

b）当用水量继续增大，大于P0水泵共频工作时，原传压力表继续发出信号，接通P1水泵，P1水泵随用水量增大，同样由变频至工频工做，若此时流量和压力仍不能满足需要时，则可继续增加P2水泵工作，以满足全系统的需要。

c）若此时压力已满足，则P2水泵由工频转变成变频工作，直至停泵为止。P1水泵同样如此。P0水泵仍在工作。

d）当用水等于零时，系统压力保持不变的情况下，P0水泵停止工作，依靠罐内压力继续供水，维持系统压力，达到了节省电能作用。

 

无压给水设备造型说明

      无压给水设备选型是根据用户自来水进水量，（自来水进水口径、压力），用户实际用水量，建筑物高度等数据来确定。选用合适的水泵流量，扬程、水泵型号和数量组成给水设备。设备所选水罐的容积是按照自来水流量满足要求的情况下估算的，其公式推荐如下：

V容积=（Q进-Q出）△t

Q进为一天较高用水高峰期自来水进水量（m3/h）；

Q出为一天较高用水高峰期用户用水量（m3/h）；

△t为较大用水高峰期持续时间（h）；

 

无压给水设备工作环境

1.环境温度：-10℃～+45℃；

2.相对温度：≤85%；

3.介质温度：-20℃～+120℃不冻结，易挥发；

4.环境条件：无导电粉尘，无腐蚀性气体、无易燃易爆气体。

 

无压给水设备产品用途

◇城市居民小区、高层建筑、宾馆、饭店的生活供水及消防给水

◇自来水、清洁液体输送管道系统的二次增压泵站

◇暖通、空调、锅炉、浴室等冷热系统给水；

◇广场音乐喷泉、瀑布的自动给水；

◇工业、民用建筑的消防、喷淋、生产、生活供水；