CN203174694U

CN203174694U - 基于arm的恒压变频供水控制装置

Info

Publication number: CN203174694U
Application number: CN2013200997919U
Authority: CN
Inventors: 苏静明; 洪炎; 姚善化
Original assignee: Anhui University of Science and Technology
Current assignee: Anhui University of Science and Technology
Priority date: 2013-03-05
Filing date: 2013-03-05
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2023-03-05

Abstract

本实用新型公开了一种基于ARM的恒压变频供水控制装置，水压信号采集及处理模块是利用供水管网压力变送器将水压信息转换成0~5vDC信号，经预处理电路调整为0~+3.3v的电压信号，通过ARM9主控制器的模数转换模块实现水压信号的数字化处理；利用嵌入式专家模糊PID控制器完成管网压力设定值与实际压力的比较、智能PID运算控制，最终将控制系统新的运行参数转换为模拟信号后去控制变频器的输出频率，进而控制水泵电机的转速，最终使供水流量与用水流量达到新的平衡，实现对水泵机组的变速运行控制和供水管网的水压实时调节，从而达到节能的控制目的。本实用新型易于维护，由于系统简单，极大地方便了维护，降低维护成本。

Description

基于ARM的恒压变频供水控制装置

技术领域

本实用新型涉及一种给水排水装置，尤其涉及一种基于ARM的恒压变频供水控制装置。

背景技术

随着经济的不断发展，人们越来越多地聚居到城市中，供水系统的负担逐渐加重，如何有效解决居民供水问题，是关乎居民生活质量的关键因素之一。长期以来在居民生活供水、工业生产循环供水、市政供水、消防供水等技术一直比较落后，供水需求矛盾更为突出。由于供水不足而导致城市工业经济损失高达数千亿元，城镇居民生活质量严重下降，成为我国城市化进程中的一大难题。

供水需求之间的矛盾主要表现在供水不足或供水过剩。即在用水高峰期，出现水压降低供不应求的现象，例如居民小区在用水高峰期时高层的用户很难用到水。而在用水低峰期时又会出现供过于求的现象，造成水资源的浪费。产生供水需求之间的矛盾主要是由两个方面的原因引起的，一方面，传统的供水主要采用水塔或高位水箱供水、气压罐供水和泵组分时供水等方式。其主要缺点是占地面积大，投资高，而且水泵电机频繁启动、维护检修困难等，远远不能满足高层建筑，工业等高水压的供水要求。另一方面，由于用户用水量的随机性，供水的实时性很难得到保证，而且传统的供水方式主要是恒速控制系统，供水企业通常使水泵处于满负荷下工作，这样一来，在用水低峰期时，不仅水泵工作效率降低，供水压力不稳，而且造成电能的浪费。据统计，水泵电机的耗电量占国家总耗电量的20%以上。

因此，为了解决以上难题，研究具有智能处理能力的恒压变频供水控制系统，既能保持供水压力的恒定，即用户用水量和供水量之间保持平衡，使供水的压力稳定在特定的范围内，又能一定程度上节省供水能耗，是本专利的主要研究动机。

近年来，电力电子及计算机技术、交流变频调速技术、智能控制和远程通信技术的不断发展和成熟也为本专利的研究奠定了理论基础，与此同时，基于ARM嵌入式系统技术的也在不断推进，它易学、易用、结构简单、功能齐全、简化了系统设计，减小了系统规模，缩短设计周期，降低了生产设计成本，而且它还具有运算速度快、功耗低、网络通信方便的优点，这也为智能恒压变频供水控制系统的硬件设计提供了技术支持。

实用新型内容

本实用新型目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种基于ARM的恒压变频供水控制装置。

本实用新型是通过以下技术方案实现的：

一种基于ARM的恒压变频供水控制装置，包括有带有模糊-PID控制算法的ARM9主控制器、DA转换器、压力变送器、变频器、接触器组、水泵机组、供水管网和RJ-45以太网接口，所述的变频器的输出端分别连接所述的接触器组的多个接触器，所述的接触器组的多个接触器分别连接所述的水泵机组多个水泵机，所述的水泵机组与所述的供水管网的入口连接，所述的供水管网的出口处设有压力变送器，压力变送器的正负端管脚分别连接所述的ARM9主控制器的ADC转换通道中的通道2和通道3，所述的ARM9主控制器的输出端口连接所述的DA转换器的输入端口，DA转换器的输出端口连接所述的变频器的输入端，所述的ARM9主控制器的RTL8019的网络接口插件连接所述的RJ-45以太网接口。

所述的ARM9主控制器的型号为ARM9S3C2440，所述的压力变送器的型号为SMP131，所述的变频器的型号为MM430，所述的DA转换器的型号为AD5552。

所述的ARM9主控制器与DA转换器之间的连接为ARM9主控制器的管脚GPB.2、GPB.3、GPB.4和TXD分别与DA转换器的管脚、

Figure 2013200997919100002DEST_PATH_IMAGE004

、DIN和SCLK连接。

所述的ARM9主控制器中的ADC转换通道为8路10位转换通道。

本实用新型的工作原理是：所述供水管网水压采集与处理模块是由ARM9主控制器通过外接压力变送器、电流电压隔离变送单元和ARM9主控制器内置ADC转换通道相连，实现水压信息的定时采集并求出各时间段的均值，以减小实时水压误差。

所述ARM9主控制器首先从ADC转换通道的转换寄存器中读取实时压力值，根据智能专家PID控制算法求出变频控制频率参数给定值，再利用DAC转换模块滤波后传给变频器，实现电机的变频调速控制。

所述压力和变频控制参量利用ARM9内部的网络接口RTL8019通过RJ-45以太网接口打包上传到远程监控主机，在监控主机端实现智能远程监控系统设计。

本实用新型的优点是：

1、本实用新型以S3C2440为内核的ARM9嵌入式系统构建恒压变频控制实时采集处理及专家智能变频控制装置，取代了传统的PLC控制装置，提高了控制系统的运算速度和精度，利用嵌入式系统较强的存储能力实现了专家-模糊PID算法的有效移植，利用嵌入式系统多进程等高效的运算处理能力降低了复杂控制算法的耗时问题，提高了系统的实时处理能力，性能明显优于常规单片机控制系统；另一方面，由于嵌入式系统自带的网络接口卡有效便捷地将控制系统接入互联网络，使得压力变频控制系统的远程通信功能明显增强，有效提高了供水控制环节的远程智能监控，随时可从上位机端浏览查询恒压变频控制状态。

2、本实用新型通过移植专家模糊自适应PID控制算法到嵌入式系统中，使得该压力控制装置具有较强的自适应性、响应速度快，控制系统简单，系统控制部分的简单设置进一步带来了系统的高可靠性。

3、本实用新型系统采用单元化设置，使系统连线直观简便，系统的安装、调试与维护变得极为简便，通过编程控制可以实现水压监控、水压历史曲线等的绘制。

4、本实用新型易于维护，由于系统简单，极大地方便了维护，降低维护成本。

附图说明

图1为本实用新型系统构成方框图。

图2为本实用新型网络智能控制系统主控单元。

图3为本实用新型D/A转换变频输出控制驱动单元。

图4 为本实用新型网络通信接口电路驱动单元。

具体实施方式

如图1、2、3、4所示，一种基于ARM的恒压变频供水控制装置，包括有带有模糊-PID控制算法的ARM9主控制器1、DA转换器2、压力变送器4、变频器3、接触器组5、水泵机组6、供水管网7和RJ-45以太网接口8，所述的变频器3的输出端分别连接所述的接触器组5的多个接触器，所述的接触器组5的多个接触器分别连接所述的水泵机组6多个水泵机，所述的水泵机组6与所述的供水管网7的入口连接，所述的供水管网7的出口处设有压力变送器4，压力变送器4的正负端管脚分别连接所述的ARM9主控制器1的ADC转换通道中的通道2和通道3，所述的ARM9主控制器1的输出端口连接所述的DA转换器2的输入端口，DA转换器2的输出端口连接所述的变频器3的输入端，所述的ARM9主控制器1的RTL8019的网络接口插件连接所述的RJ-45以太网接口8。

所述的ARM9主控制器1的型号为ARM9S3C2440，所述的压力变送器4的型号为SMP131，所述的变频器3的型号为MM430，所述的DA转换器2的型号为AD5552。

所述的ARM9主控制器1与DA转换器2之间的连接为ARM9主控制器1的管脚GPB.2、GPB.3、GPB.4和TXD分别与DA转换器2的管脚

、

、DIN和SCLK连接。

所述的ARM9主控制器1中的ADC转换通道为8路10位转换通道。

图1所示为本实用新型系统构成方框图。本供水系统用户需水量的多少决定了管网实际应达到的水压的大小。由图1可以看到，整个控制系统由压力变送器4将供水管网7、水泵机组6和主控部分连接起来，供水系统通过压力变送器4采集管网水压，并把这个压力信号转变为电信号，经压力变送器接4入ARM9主控制器1内部的ADC转换模块转换为数字信号，然后经运算处理后，与供水系统设定的压力值进行对比，得到压力信号的偏差值，再经过嵌入式专家模糊-PID自适应控制器得到控制系统新的变频控制参数，转换为模拟信号后去控制变频器的输出频率，进而控制水泵电机的转速，最终使供水流量与用水流量达到新的平衡，管网压力恒定于设定值。其中，本恒压供水系统对压力的检测、显示和变送采用的是SMP131型通用压力变送器4，最终将水压信号转换成0~+3.3v的电压信号接入嵌入式系统ADC转换通道AIN1和AIN2，从而转换成电压数字量；水泵的变频控制是运用移植在嵌入式系统内的智能专家模糊PID控制模块通过压力实时值与设定值的比较、智能专家模糊PID运算、变频控制输出三步来完成的，智能专家模糊PID控制的运算结果是数字量，需要通过串行接口与外接DA转换器AD5552相连，不断地利用数字输出调节变频器MM430的频率输出参数；在调解水泵机组的转速时，采用一台变频，其余工频的方式工作，有效地提高了控制效率，提高了节能效果；监控模块利用套接字技术和TCP/IP协议通过以太网络RJ45接口实现与上位机的连接和远程通信，完成管网水压、变频器频率参数和水泵机组工作状态等参数的远程监控，最终完成嵌入式恒压变频控制装置的设计。

图2所示为本实用新型主控单元，即嵌入式最小控制系统，主要包括电源供电系统模块，可为内核、以太网络通信、JTAG调试、A/D转换能提供1.8~5V的电源信号；晶振电路为系统提供各种时钟信号；系统复位电路使用了专用微处理器电源监控芯片SP708S，能有效提高系统的可靠性，防止CPU发送错误指令；内部ADC接口可定时采集管网压力数据，利用内部寄存器ADDR存储转换结果以供查询；控制参量与外接DAC接口芯片通过串行方式，实现控制参量向DAC的串行传输；以太网接口模块完成嵌入式系统方便接入Ethernet，进而实现基于UDPSOCKET的远程通信。

图3所示为本实用新型变频数模驱动电路，主要功能是通过数模转换实现嵌入式系统对变频器的控制输出，进而完成异步电机的变速运行，从而有效调节管路流量大小，实现管网恒压变频控制和水泵机组的节能控制。ARM9 S3C2440通过GPA.2与AD5552模数转换器的

相连，利用GPB.3与AD5552的相连，利用串行接口GPA.4与DIN相连，实现串行数据的输入，利用TXD实现AD5552的时钟驱动信号接入，与AD5552的SCLK相连，数据在SCLK的上升沿被时钟信号引入DAC寄存器，并实现D/A转换。转换的输出通过Vout端与MM430变频器直接相连，完成变频控制参数的模拟传递。

图4所示为本实用新型网络通信接口电路，主要功能是利用RTL8019网卡和RJ45网络接口将嵌入式恒压变频控制系统快速接入企业内部以太网并与上位监控主机相连。S3C2440和RTL8019AS实现硬件连接如图4 所示，IOCS16B 是16 位I/O 的选择引脚，当网卡上电复位的时候，如果这个引脚输入为低电平，网卡工作于8 位模式；如果这个引脚输入为高电平，网卡工作于16 位模式，本设计中使用16 位方式读写RTL8019AS 芯片，将RTL8019AS上的IOCS16B 引脚通过10K的电阻上拉，使用IO模式读写RTL8019AS芯片，SMEMRB和SMEMWB 接上拉电阻为VCC。在RSTDRV引脚上施加一个800ns 以上的高电平RTL8019AS复位。地址线A0-A4 与SA0-SA4 相连接，SA8-SA9上拉后接Vcc，SA5-SA7、SA10-SA19 接地。最终完成了以太监控网络接入模块的设计。

Claims

1.一种基于ARM的恒压变频供水控制装置，其特征在于：包括有带有模糊-PID控制算法的ARM9主控制器、DA转换器、压力变送器、变频器、接触器组、水泵机组、供水管网和RJ-45以太网接口，所述的变频器的输出端分别连接所述的接触器组的多个接触器，所述的接触器组的多个接触器分别连接所述的水泵机组多个水泵机，所述的水泵机组与所述的供水管网的入口连接，所述的供水管网的出口处设有压力变送器，压力变送器的正负端管脚分别连接所述的ARM9主控制器的ADC转换通道中的通道2和通道3，所述的ARM9主控制器的输出端口连接所述的DA转换器的输入端口，DA转换器的输出端口连接所述的变频器的输入端，所述的ARM9主控制器的RTL8019的网络接口插件连接所述的RJ-45以太网接口。

2.根据权利要求1所述的基于ARM的恒压变频供水控制装置，其特征在于：所述的ARM9主控制器的型号为ARM9S3C2440，所述的压力变送器的型号为SMP131，所述的变频器的型号为MM430，所述的DA转换器的型号为AD5552。

3.根据权利要求1所述的基于ARM的恒压变频供水控制装置，其特征在于：所述的ARM9主控制器与DA转换器之间的连接为ARM9主控制器的管脚GPB.2、GPB.3、GPB.4和TXD分别与DA转换器的管脚

、

、DIN和SCLK连接。

4.根据权利要求1所述的基于ARM的恒压变频供水控制装置，其特征在于：所述的ARM9主控制器中的ADC转换通道为8路10位转换通道。