基于ARM的小區(qū)供水嵌入式智能控制系統(tǒng)
0 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/149937.htm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(dòng)力學(xué)來(lái)分析它并沒(méi)有把變頻調(diào)速的節(jié)能潛力充分發(fā)揮出來(lái)。
本文針對(duì)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(shí)時(shí)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(jiǎn)介
LPC2000系列CPU都是基于16/32位ARM7TDMI-S,并支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的CPU,對(duì)于代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用場(chǎng)合可使用16位Thumb模式將代碼規(guī)模降低超過(guò)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(lèi)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(chǔ)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(gè)串行接口,包括兩個(gè)UART,一個(gè)I2C和兩個(gè)SPI接口,一個(gè)PWM單元(6路輸出)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘和看門(mén)狗定時(shí)器,多達(dá)47個(gè)可承受5V電壓的通用I/O口;④ 通過(guò)可編程的片內(nèi)鎖相環(huán)可實(shí)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(guò)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)功耗最小化。
2 系統(tǒng)工作原理與軟硬件實(shí)現(xiàn)
2.1 系統(tǒng)工作原理
本系統(tǒng)將泵理論和水動(dòng)力學(xué)做成專(zhuān)家系統(tǒng),通過(guò)對(duì)泵出口的壓力和流量的采集,由專(zhuān)家系統(tǒng)運(yùn)算后實(shí)時(shí)給出系統(tǒng)的工作點(diǎn),再通過(guò)模糊PID控制迅速的把系統(tǒng)穩(wěn)定在該工作點(diǎn)處。同時(shí)該系統(tǒng)還具有故障報(bào)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(xiě)應(yīng)用程序完成對(duì)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(jì)
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(gè)A/D轉(zhuǎn)換模塊接收泵出口的壓力和流量采集信號(hào),轉(zhuǎn)換好的數(shù)據(jù)送入專(zhuān)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(zhuān)家系統(tǒng)和模糊PID控制功能,其中專(zhuān)家系統(tǒng)部分把經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后的流量和壓力信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算,計(jì)算出用戶在該時(shí)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(duì)被控制對(duì)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(jiǎn)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?jí)控制,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(shí),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(dòng)態(tài)特性;誤差較小時(shí)即趨于穩(wěn)定時(shí),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(shí)滯性和非線性,同時(shí)建立它的精確數(shù)學(xué)模型在目前來(lái)看還是不可能的,因此本系統(tǒng)采用了模糊PID對(duì)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(gè)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(kāi)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(kāi)關(guān)量的輸入/輸出接口,用于接收火災(zāi)信號(hào)、緩沖水池的液位信號(hào),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(chǎng)總線是工業(yè)控制中的控制局域網(wǎng),代表了未來(lái)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(chǎng)總線靠攏,因此本系統(tǒng)還開(kāi)發(fā)了CAN接口(ARM7-LPC2129帶有一個(gè)CAN接口)驅(qū)動(dòng)程序,為系統(tǒng)能接入現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)提供技術(shù)支持。
2.3 軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)應(yīng)用程序采用結(jié)構(gòu)化模塊設(shè)計(jì),由主程序和中斷服務(wù)程序等組成。中斷服務(wù)程序定時(shí)檢測(cè)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(zhuān)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(guò)上下位機(jī)的通信程序?qū)崿F(xiàn)上位PC對(duì)下位機(jī)的監(jiān)控,同時(shí)在軟件的設(shè)計(jì)中加入了軟件看門(mén)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(yǔ)
由于本系統(tǒng)嵌入了含有泵理論和水動(dòng)力學(xué)的專(zhuān)家系統(tǒng)及模糊PID控制,所以能較好地實(shí)時(shí)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(shí)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。
linux操作系統(tǒng)文章專(zhuān)題:linux操作系統(tǒng)詳解(linux不再難懂)
評(píng)論