基于CAN總線的樓宇恒壓變頻供水監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

1 引言

　　傳統(tǒng)的供水系統(tǒng)大部分仍然采用人工手動調整參數(shù)控制，生產過程中的重要參數(shù)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(wǎng)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(wǎng)壓力經(jīng)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(tǒng)的樓宇機電控制設備相互獨立，不具備網(wǎng)絡通訊的功能，難以實現(xiàn)非現(xiàn)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(tǒng)具有運行經(jīng)濟、可靠性高、節(jié)能效果明顯等優(yōu)點，利用CAN現(xiàn)場總線技術構成的底層控制網(wǎng)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(tǒng)在遠程監(jiān)控的實時性和可靠性要求。

　　樓宇供水系統(tǒng)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(xiàn)場控制器能夠完成現(xiàn)場管網(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(xiàn)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(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線上供上位監(jiān)控計算機接收，實現(xiàn)人機交互功能。

2 系統(tǒng)的硬件設計

　　2.1 基于CAN總線遠程監(jiān)控樓宇自動化系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)數(shù)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(tǒng)中的檢測和執(zhí)行機構之間的數(shù)據(jù)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(tǒng)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(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(tǒng)在惡劣環(huán)境中使用的可靠性。

圖1 樓宇供水系統(tǒng)的構成圖

圖2 供水系統(tǒng)現(xiàn)場控制器的組成框圖

　　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(tǒng)現(xiàn)場控制器的硬件設計

　　樓宇恒壓供水系統(tǒng)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(tǒng)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(jīng)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(shù)轉換，最終把采集到的多路模擬量信號轉換成數(shù)字量信號;同樣，經(jīng)CPU模糊PID運算處理后，通過數(shù)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(wǎng)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(jīng)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(jīng)驅動和繼電器隔離控制接觸器動作，產生相應的控制信號。