基于嵌入式的智能多压供水控制系统开发

论文摘要

近年来,随着经济的飞速发展,人们的生活水平不断提高,对供水量的需求呈现快速放大的趋势,由此造成供水用电量猛增,由于公众节能意识的提高和能源价格的节节攀升,利用先进的控制技术、自动化技术降低供水系统能耗成为必然趋势。本课题的研究目的主要是探讨如何在变频恒压供水系统基础上设计出更加节能的供水系统。由于供水系统的性能主要取决于其控制单元,因此本文将开发更加先进、节能的供水控制系统作为核心目标,并将节能环保理念贯穿于系统设计的各个环节。本文对传统供水系统的运转模式及优缺点进行了分析,肯定了当前基于变频技术的恒压供水方式相比于传统供水系统在节能、工程量、空间等方面的优势。通过分析基于变频控制技术的水泵扬程—流量工作曲线,结合实际运行过程中供水管网水体流动时产生沿程损失和局部损失的情况,提出将恒压供水方式改进为多压供水控制方式,当用户用水量较大,超过一台变频泵额定功率时,系统采用常压供水控制方式,优先保证用户出水口水压充足;当用户用水量较小,低于一台变频泵额定功率时,该变频泵工作于节能效果显著的多压智能切换模式,从而使系统能效比得到较大程度提升。为实现多压供水控制系统实时响应,本文采用飞思卡尔公司带协处理器的16位高性能微控制器(MCU)作为实时控制单元核心,它一方面通过高分辨率AD采样通道对供水系统管网水压、水质等信息进行实时采集,一方面通过高性能DA输出控制变频器的工作频率,从而间接控制变频泵运转速度,使整个供水系统形成典型闭环负反馈控制系统,只需工作人员设置好合适的运行参数,系统即可实现智能化运行,减少了维护人员的工作量。为改进当前供水控制系统维护不便、操作界面不直观、操作不方便以及没有权限认证功能的普遍弊端,本文使用高性能嵌入式处理器PXA270(CPU)处理人机交互工作,使得供水系统运行状态信息可以非常直观的展现于5.6寸液晶显示屏,对工作参数的设置则使用附着于LCD的触摸板完成,方便了工作人员对供水系统的查看及设置,使得维护工作复杂度大大降低;并预留网络接口为后续的远程控制服务提供支持。MCU与CPU在完成各自任务的同时,通过Modbus不断进行信息交互,共同构成了嵌入式智能多压供水控制系统。该控制系统在实验室模拟环境下完成3个月的调试验证,优化了系统运行设置,设备人性化程度提高。之后在宁波某乡镇水厂进行了3个月的实际运行,运行结果证实该系统节能效果明显,与原有恒压供水方式同比节能达18%。鉴于我国人口众多而且工业较为发达,对供水控制系统的市场需求较为庞大,如该供水控制方式得以大范围推广,将产生可观的经济效益,为低碳社会做出贡献。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 供水控制系统概述
• 1.2 供水控制系统研究现状及发展趋势
• 1.2.1 国外研究现状
• 1.2.2 国内研究现状
• 1.2.3 变频恒压供水控制系统研究
• 1.2.4 供水控制系统发展趋势
• 1.3 课题背景及研究意义
• 1.4 论文结构安排
• 1.5 研究内容及完成的工作
• 第2章 智能多压供水控制系统工作原理
• 2.1 供水控制系统一般结构
• 2.2 智能多压供水控制系统特点及节能原理
• 2.2.1 变频器控制原理
• 2.2.2 供水系统水泵工作特性
• 2.2.3 变频供水控制系统节能原理
• 2.3 智能多压供水控制系统整体架构设计
• 2.4 本章小结
• 第3章 智能多压供水控制系统模块化硬件设计
• 3.1 高性能嵌入式处理器 PXA270
• 3.2 电源管理模块
• 3.2.1 核心板电源设计
• 3.2.2 扩展板电源设计
• 3.3 存储器接口电路设计
• 3.3.1 SDRAM 接口电路设计
• 3.3.2 NorFlash 接口电路设计
• 3.3.3 SD 卡接口设计
• 3.3.4 铁电存储器设计
• 3.4 支持触摸的 LCD 模块设计
• 3.4.1 LCD 显示模块
• 3.4.2 PXA270 的 LCD 控制器
• 3.4.3 LCD 显示模块电路设计
• 3.4.4 触摸屏控制电路设计
• 3.5 网络通信模块设计
• 3.5.1 以太网接口及变压器
• 3.5.2 以太网控制器
• 3.5.3 DM9000 与 PXA270 连接电路设计
• 3.6 16 路继电器扩展输出板
• 3.6.1 电磁继电器
• 3.6.2 ULN2803 驱动电路
• 3.7 水泵控制模块设计
• 3.7.1 变频器控制模块电路设计
• 3.7.2 AVI 输出控制电路设计
• 3.7.3 ACI 输出控制电路设计
• 3.7.4 RS485 通信电路设计
• 3.8 压力反馈模块电路设计
• 3.9 脉冲计数模块设计
• 3.10 ID 加密模块电路设计
• 3.11 本章小结
• 第4章 嵌入式智能多压供水控制系统程序设计
• 4.1 基于 Wince 系统的图形界面程序设计
• 4.1.1 Wince 系统 BSP 编译下载
• 4.1.2 基于 PXA270 的 SPI 驱动程序设计
• 4.1.3 Wince 系统图形界面设计
• 4.2 基于飞思卡尔 MCU 的实时控制单元程序设计
• 4.2.1 CodeWarrior 开发环境介绍
• 4.2.2 供水控制逻辑程序设计
• 4.2.3 协处理器程序设计
• 4.3 MCU 与 CPU 之间通信程序设计
• 4.3.1 硬件通信连接结构
• 4.3.2 Modbus 通信规约设计
• 4.3.3 通信程序设计
• 4.4 本章小结
• 第5章 供水系统调试及运行
• 5.1 实验室条件下调试运行
• 5.1.1 电路调试
• 5.1.2 实验室联机调试
• 5.2 水厂试运行
• 5.3 本章小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录-1
• 附录-2
• 附录-3
• 详细摘要