基于CAN總線的樓宇遠程供水系統設計與實現
基于CAN總線的樓宇遠程供水系統設計與實現
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、節能效果明顯等優點，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、易于擴展等優點，能有效地滿足樓宇監制系統在遠程監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調節器）+工頻/變頻切換”的控制方案。現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其他節點（主要是上位監控計算機）的命令或者主動將自身的數據發送到CAN總線上供上位監控計算機接收，實現人機交互功能。
2 遠程供水系統的硬件設計
2.1 基于CAN總線遠程供水系統的硬件設計
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、實時性等優點,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總線遠程監控樓宇自動化系統的構成由計算機和各個智能節點組成，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流的損壞，增強系統在惡劣環境中使用的可靠性。
本遠程供水系統與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，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。
在CAN總線通信功能中硬件電路設計中，采用了PHILIPS公司的獨立CAN通信控制器SJA1000和CAN總線接口TJA1040組成的CAN總線接口電路如圖3所示。CAN總線節點的發送與接收是通過事先設置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節點從總線上接收哪些數據或命令。SJA1000由微控制器89C51通過8位地址數據復用總線和讀寫控制信號進行控制。SJA1000的中斷請求信號INT端連接至89C51的外部中斷輸入INT0端，CAN通信控制器可通過中斷與微控制器進行數據傳輸。SJA1000的發送輸出端TX0與接收輸入端RX0、RX1分別經高速集成光電耦合器6N137隔離后與CAN總線接口芯片TJA1040相連，6N137中的光敏器件采用了光敏二極管，可以滿足高速數字信號的傳輸，實現了CAN總線與節點間的隔離傳輸，有助于提高節點裝置的安全性和可靠性。
3 樓宇變頻恒壓供水監控系統的軟件設計
模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語言變量與模糊邏輯推理為基礎的計算機數字控制。模糊控制器由三部分組成:模糊化、模糊推理和解模糊。由于恒壓供水調速系統由水泵、電機、變頻器等多個環節所組成，整個系統涉及較多的參數，部分參數在系統運行過程中是變化的。水泵工作特性具有很強的非線性，管路水頭的變化以及電力負載及其特性的變化等都將導致水泵運行工況點的改變，從而改變了系統參數。對于這樣的控制對象，常規的PID控制器難以保證系統在任何工況條件下始終具有最佳的控制性能。本文采用參數自整定模糊PID算法，以誤差e和誤差變化率ec作為輸入，可以滿足不同時刻偏差e和誤差變化率ec。參數自整定模糊控制PID的參數自整定思想就是先找出控制器的3個參數KP、KI和KD與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關系，在運行中通過不斷的檢測e和ec并將它們作為控制器的輸入，由控制器根據模糊控制規則對3個參數進行在線調整，以滿足不同e和ec對控制器參數的不同要求，從而使被控對象具有良好的動、靜態性能。對PID參數自調整的要求，利用模糊控制規則對PID參數進行修改便構成了參數自整定模糊控制PID系統。參數自整定模糊控制PID控制器的結構如圖4所示。
在供水控制的過程中，由于時間滯后現象存在，對系統的控制性能產生不利影響，尤其是時滯較大時。在供水系統中，時滯現象導致系統的動態性能較差。雖然模糊PID控制大大減小了系統參數變化對系統控制性能的影響，但是它沒有從根本上解決系統的大時滯問題。在設計供水系統的模糊PID控制器的過程中，我們通過引入Smith預估控制，將兩者結合起來設計了具有Smith補償的模糊PID控制器，取得了較好的應用效果。
供水系統現場控制器的軟件設計大體可以分為三個部分：一部分為初始化，包括單片機的初始化和CAN控制器的初始化;第二部分為現場水壓的采樣、運算和控制輸出;另一部分為作為CAN節點要完成的自身數據發送和來自其他節點（包括上位監控計算機）的控制命令與參數。具體實現上系統軟件有主程序、定時器T0中斷程序、外部CAN通訊INT0中斷程序三部分構成。主程序主要完成系統初始化、鍵盤掃描、模糊PID運算、水位故障處理等，如圖5所示。
在本設計中定時器T0中斷是本供水系統進行現場控制中重要的程序，包括管網壓力采樣、管網壓力顯示、中值濾波、CAN發送子程序等模塊程序。定時器T0當工作于模式1時，最大定時時間為65.536ms，為了實現定時1s。定時器T0中斷的流程圖如圖6所示。現場控制器采樣的管網壓力，如果要進行遠程監視的話，必須通過通訊總線把壓力值傳送到上位機中，同時，現場控制器也應該接受來自上位機的控制命令，例如：緊急情況下，上位機發出的停止水泵運行的命令等，由于控制信息實時性的要求。本設計中采用了INT0中斷方式作為CAN通訊接收信息的程序。
3.2樓宇變頻恒壓供水系統計算機的監控軟件設計
系統的監控軟件采用VC6.0來編程施實現的。軟件總體設計的任務是確定軟件的總體結構、子系統和模塊的劃分，并確定模塊間的接口和評價模塊劃分的質量，以及進行數據分
圖8 系統軟件整體結構框圖
析。本設計根據軟件總體設計的要求和過程，對系統的信息管理及監控程序按不同的功能進行功能分解，劃分為不同的模塊。供水自動化計算機控制系統的信息管理及監控軟件主要包括數據采集和通信、設備狀態控制和數據管理三個部分。數據采集和通信部分采集水位、壓力、流量、電壓和電流等數據，用于記錄、存儲和分析，以及與CAN通信。設備控制部分根據采集到的數據判斷系統當前的運行狀態，并可通過修改運行參數對設備工作狀態進行調整。數據管理部分負責數據的統計、查詢以乃打印輸出，還有數據庫的備份和維護。系統軟件整體結構框圖如圖8所示。
6 結束語
經系統實踐調試，該智能節點的設計和實施方案是成功的。能夠可靠的運行和完成要求的任務,控制信息在現場進行處理,而管理層則在上位機中實現。體現了CAN總線高性能、高可靠性的特點，實現了樓宇自動化系統的遠程或集中監控的目的。
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