基于CAN總線(xiàn)的樓宇恒壓變頻供水監控系統設計與實(shí)現

1 引言

　　傳統的供水系統大部分仍然采用人工手動(dòng)調整參數控制，生產(chǎn)過(guò)程中的重要參數仍然依靠人工定時(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)壓力達不到規定的標準壓力，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)規定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴重。同時(shí)傳統的樓宇機電控制設備相互獨立，不具備網(wǎng)絡(luò )通訊的功能，難以實(shí)現非現場(chǎng)或遠程監控。本文提出采用模糊PID算法加Smith預估補償方式變頻器恒壓控制供水系統具有運行經(jīng)濟、可靠性高、節能效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，利用CAN現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)構成的底層控制網(wǎng)絡(luò )，采用了分布式結構和分散控制原理，具有使用方便、易于擴展等優(yōu)點(diǎn)，能有效地滿(mǎn)足樓宇監制系統在遠程監控的實(shí)時(shí)性和可靠性要求。

　　樓宇供水系統采用“通用變頻器+單片機（包括PID調節器）+工頻/變頻切換”的控制方案?，F場(chǎng)控制器能夠完成現場(chǎng)管網(wǎng)壓力反饋值的數據采集、壓力給定值的輸入、模糊PID調節運算，最后將控制量送入變頻器，控制水泵電機的轉速，達到恒壓供水的目的;同時(shí)通過(guò)CAN現場(chǎng)總線(xiàn)接收來(lái)自CAN其他節點(diǎn)（主要是上位監控計算機）的命令或者主動(dòng)將自身的數據發(fā)送到CAN總線(xiàn)上供上位監控計算機接收，實(shí)現人機交互功能。

2 系統的硬件設計

　　2.1 基于CAN總線(xiàn)遠程監控樓宇自動(dòng)化系統的硬件設計

　　CAN（Controller Area Network）總線(xiàn)是一種支持分布式實(shí)時(shí)控制系統的串行通信局域網(wǎng)。其信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節數為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),已廣泛應用于控制系統中的檢測和執行機構之間的數據通信。CAN總線(xiàn)符合ISO11898標準,最大傳輸速率可達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(xiàn)遠程監控樓宇自動(dòng)化系統的構成由計算機和各個(gè)智能節點(diǎn)組成，如圖1所示。計算上安裝具有高性能價(jià)格比的CAN 總線(xiàn)通訊接口卡PCI-9820 非智能兩通道CAN 接口卡，該產(chǎn)品采用標準PCI 接口，能讓計算機方便的連接到CAN 總線(xiàn)上，實(shí)現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立CAN 接口，使得在開(kāi)發(fā)應用中更顯方便和靈活：每個(gè)通道光電隔離，保護計算機機避免地環(huán)流的損壞，增強系統在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

圖1 樓宇供水系統的構成圖

圖2 供水系統現場(chǎng)控制器的組成框圖

　　本系統與DCS控制系統不同的是它的拓撲結構中不是所有的下位機都以上位機為中心,而是所有的節點(diǎn)都以“平等主體”的形式掛接在總線(xiàn)上，上位計算機僅僅作為CAN的一個(gè)平等智能節點(diǎn)。

　　2.2 樓宇供水系統現場(chǎng)控制器的硬件設計

　　樓宇恒壓供水系統可分為：CPU模塊、人機接口模塊（包括鍵盤(pán)輸入、LED顯示電路）、A/D和D/A轉換模塊、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公司片內具有4KB FLASH ROM的單片機芯片AT89C51。為提高系統的可靠性，采用了具有電壓監測、集成看門(mén)狗（Watchdog）的MAX1232芯片，可有效地防止程序的彈飛。A/D和D/A轉換模塊中信號輸入電路主要是把壓力變送器的電流（4～20mA）輸出信號，經(jīng)過(guò)電流電壓變換芯片RCV420放大濾波轉換成0～5V的電壓模擬信號，通過(guò)ADC0809模數轉換，最終把采集到的多路模擬量信號轉換成數字量信號;同樣，經(jīng)CPU模糊PID運算處理后，通過(guò)數模轉換器AD558變換成0～10V的電壓信號，控制變頻器的輸出轉速。

　　本設計采用一片8255進(jìn)行I/O擴展，8255的A口用于CAN網(wǎng)通訊的ID設置;8255的B口用于開(kāi)關(guān)量的輸入，外部的水位檢測等開(kāi)關(guān)量，經(jīng)光電耦合輸入到8255的B口;8255的C口用于開(kāi)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(kāi)狀態(tài)，單片機的控制信息從8255的C口輸出，經(jīng)驅動(dòng)和繼電器隔離控制接觸器動(dòng)作，產(chǎn)生相應的控制信號。