基于CAN總線的樓宇恒壓變頻供水監(jiān)控系統設計與實現

1 引言

　　傳統的供水系統大部分仍然采用人工手動調整參數控制，生產過程中的重要參數仍然依靠人工定時記錄，用水量的需求具有時變性，在用水高峰期時，管網壓力達不到規(guī)定的標準壓力，造成高層建筑斷水;用水低峰期時，管網壓力經常超過規(guī)定的壓力上限，極易造成爆管事故并且能源損耗嚴重。同時傳統的樓宇機電控制設備相互獨立，不具備網絡通訊的功能，難以實現非現場或遠程監(jiān)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濟、可靠性高、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，利用CAN現場總線技術構成的底層控制網絡，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，能有效地滿足樓宇監(jiān)制系統在遠程監(jiān)控的實時性和可靠性要求。

　　樓宇供水系統采用“通用變頻器+單片機（包括PID調節(jié)器）+工頻/變頻切換”的控制方案?，F場控制器能夠完成現場管網壓力反饋值的數據采集、壓力給定值的輸入、模糊PID調節(jié)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;同時通過CAN現場總線接收來自CAN其他節(jié)點（主要是上位監(jiān)控計算機）的命令或者主動將自身的數據發(fā)送到CAN總線上供上位監(jiān)控計算機接收，實現人機交互功能。

2 系統的硬件設計

　　2.1 基于CAN總線遠程監(jiān)控樓宇自動化系統的硬件設計

　　CAN（Controller Area Network）總線是一種支持分布式實時控制系統的串行通信局域網。其信號傳輸采用短幀結構，每一幀的有效字節(jié)數為8個，因而傳輸時間短，受干擾的概率低。由于其高性能、高可靠性、實時性等優(yōu)點,已廣泛應用于控制系統中的檢測和執(zhí)行機構之間的數據通信。CAN總線符合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總線遠程監(jiān)控樓宇自動化系統的構成由計算機和各個智能節(jié)點組成，如圖1所示。計算上安裝具有高性能價格比的CAN 總線通訊接口卡PCI-9820 非智能兩通道CAN 接口卡，該產品采用標準PCI 接口，能讓計算機方便的連接到CAN 總線上，實現CAN2.0B 協議（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，使得在開發(fā)應用中更顯方便和靈活：每個通道光電隔離，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(jié)點都以“平等主體”的形式掛接在總線上，上位計算機僅僅作為CAN的一個平等智能節(jié)點。

　　2.2 樓宇供水系統現場控制器的硬件設計

　　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(jiān)測、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，經過電流電壓變換芯片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CPU模糊PID運算處理后，通過數模轉換器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進行I/O擴展，8255的A口用于CAN網通訊的ID設置;8255的B口用于開關量的輸入，外部的水位檢測等開關量，經光電耦合輸入到8255的B口;8255的C口用于開關量的輸出，用于控制接觸器組，使其處于不同的接通和斷開狀態(tài)，單片機的控制信息從8255的C口輸出，經驅動和繼電器隔離控制接觸器動作，產生相應的控制信號。