基于CAN總線的樓宇恒壓變頻供水監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)大部分仍然采用人工手動(dòng)調(diào)整參數(shù)控制，生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數(shù)仍然依靠人工定時(shí)記錄，用水量的需求具有時(shí)變性，在用水高峰期時(shí)，管網(wǎng)壓力達(dá)不到規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)壓力，造成高層建筑斷水;用水低峰期時(shí)，管網(wǎng)壓力經(jīng)常超過(guò)規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴(yán)重。同時(shí)傳統(tǒng)的樓宇機(jī)電控制設(shè)備相互獨(dú)立，不具備網(wǎng)絡(luò)通訊的功能，難以實(shí)現(xiàn)非現(xiàn)場(chǎng)或遠(yuǎn)程監(jiān)控。本文提出采用模糊PID算法加Smith預(yù)估補(bǔ)償方式變頻器恒壓控制供水系統(tǒng)具有運(yùn)行經(jīng)濟(jì)、可靠性高、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，利用CAN現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)構(gòu)成的底層控制網(wǎng)絡(luò)，采用了分布式結(jié)構(gòu)和分散控制原理，具有使用方便、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，能有效地滿足樓宇監(jiān)制系統(tǒng)在遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

　　樓宇供水系統(tǒng)采用“通用變頻器+單片機(jī)（包括PID調(diào)節(jié)器）+工頻/變頻切換”的控制方案?，F(xiàn)場(chǎng)控制器能夠完成現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)壓力反饋值的數(shù)據(jù)采集、壓力給定值的輸入、模糊PID調(diào)節(jié)運(yùn)算，最后將控制量送入變頻器，控制水泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到恒壓供水的目的;同時(shí)通過(guò)CAN現(xiàn)場(chǎng)總線接收來(lái)自CAN其他節(jié)點(diǎn)（主要是上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)）的命令或者主動(dòng)將自身的數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上供上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)接收，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 基于CAN總線遠(yuǎn)程監(jiān)控樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　CAN（Controller Area Network）總線是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)的串行通信局域網(wǎng)。其信號(hào)傳輸采用短幀結(jié)構(gòu)，每一幀的有效字節(jié)數(shù)為8個(gè)，因而傳輸時(shí)間短，受干擾的概率低。由于其高性能、高可靠性、實(shí)時(shí)性等優(yōu)點(diǎn),已廣泛應(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測(cè)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)通信。CAN總線符合ISO11898標(biāo)準(zhǔn),最大傳輸速率可達(dá)1MB/s（傳輸距離最大為40m），最大傳輸距離為10km（傳輸速率約為5k）。

　　基于CAN總線遠(yuǎn)程監(jiān)控樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的構(gòu)成由計(jì)算機(jī)和各個(gè)智能節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示。計(jì)算上安裝具有高性能價(jià)格比的CAN 總線通訊接口卡PCI-9820 非智能兩通道CAN 接口卡，該產(chǎn)品采用標(biāo)準(zhǔn)PCI 接口，能讓計(jì)算機(jī)方便的連接到CAN 總線上，實(shí)現(xiàn)CAN2.0B 協(xié)議（兼容CAN 2.0A ）的連接通訊。PCI-9820 接口卡配備兩通道邏輯獨(dú)立CAN 接口，使得在開發(fā)應(yīng)用中更顯方便和靈活：每個(gè)通道光電隔離，保護(hù)計(jì)算機(jī)機(jī)避免地環(huán)流的損壞，增強(qiáng)系統(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

圖1 樓宇供水系統(tǒng)的構(gòu)成圖

圖2 供水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器的組成框圖

　　本系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)不同的是它的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中不是所有的下位機(jī)都以上位機(jī)為中心,而是所有的節(jié)點(diǎn)都以“平等主體”的形式掛接在總線上，上位計(jì)算機(jī)僅僅作為CAN的一個(gè)平等智能節(jié)點(diǎn)。

　　2.2 樓宇供水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器的硬件設(shè)計(jì)

　　樓宇恒壓供水系統(tǒng)可分為：CPU模塊、人機(jī)接口模塊（包括鍵盤輸入、LED顯示電路）、A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊、DI/DO模塊、CAN通訊模塊五部分，如圖2所示。

　　CPU模塊中采用了ATMEL公司片內(nèi)具有4KB FLASH ROM的單片機(jī)芯片AT89C51。為提高系統(tǒng)的可靠性，采用了具有電壓監(jiān)測(cè)、集成看門狗（Watchdog）的MAX1232芯片，可有效地防止程序的彈飛。A/D和D/A轉(zhuǎn)換模塊中信號(hào)輸入電路主要是把壓力變送器的電流（4～20mA）輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)電流電壓變換芯片RCV420放大濾波轉(zhuǎn)換成0～5V的電壓模擬信號(hào)，通過(guò)ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換，最終把采集到的多路模擬量信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字量信號(hào);同樣，經(jīng)CPU模糊PID運(yùn)算處理后，通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器AD558變換成0～10V的電壓信號(hào)，控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速。

　　本設(shè)計(jì)采用一片8255進(jìn)行I/O擴(kuò)展，8255的A口用于CAN網(wǎng)通訊的ID設(shè)置;8255的B口用于開關(guān)量的輸入，外部的水位檢測(cè)等開關(guān)量，經(jīng)光電耦合輸入到8255的B口;8255的C口用于開關(guān)量的輸出，用于控制接觸器組，使其處于不同的接通和斷開狀態(tài)，單片機(jī)的控制信息從8255的C口輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)和繼電器隔離控制接觸器動(dòng)作，產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號(hào)。