基于CAN總線的樓宇遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
基于CAN總線的樓宇遠(yuǎn)程供水系統(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。現(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 遠(yuǎn)程供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1 基于CAN總線遠(yuǎn)程供水系統(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(kāi)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。
本遠(yuǎn)程供水系統(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(kāi)關(guān)量的輸入，外部的水位檢測(cè)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(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)。
在CAN總線通信功能中硬件電路設(shè)計(jì)中，采用了PHILIPS公司的獨(dú)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(jié)點(diǎn)的發(fā)送與接收是通過(guò)事先設(shè)置驗(yàn)收碼和驗(yàn)收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點(diǎn)從總線上接收哪些數(shù)據(jù)或命令。SJA1000由微控制器89C51通過(guò)8位地址數(shù)據(jù)復(fù)用總線和讀寫(xiě)控制信號(hào)進(jìn)行控制。SJA1000的中斷請(qǐng)求信號(hào)INT端連接至89C51的外部中斷輸入INT0端，CAN通信控制器可通過(guò)中斷與微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。SJA1000的發(fā)送輸出端TX0與接收輸入端RX0、RX1分別經(jīng)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(shù)字信號(hào)的傳輸，實(shí)現(xiàn)了CAN總線與節(jié)點(diǎn)間的隔離傳輸，有助于提高節(jié)點(diǎn)裝置的安全性和可靠性。
3 樓宇變頻恒壓供水監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
模糊控制是一種以模糊集合論、模糊語(yǔ)言變量與模糊邏輯推理為基礎(chǔ)的計(jì)算機(jī)數(shù)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(diào)速系統(tǒng)由水泵、電機(jī)、變頻器等多個(gè)環(huán)節(jié)所組成，整個(gè)系統(tǒng)涉及較多的參數(shù)，部分參數(shù)在系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中是變化的。水泵工作特性具有很強(qiáng)的非線性，管路水頭的變化以及電力負(fù)載及其特性的變化等都將導(dǎo)致水泵運(yùn)行工況點(diǎn)的改變，從而改變了系統(tǒng)參數(shù)。對(duì)于這樣的控制對(duì)象，常規(guī)的PID控制器難以保證系統(tǒng)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(shù)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(shí)刻偏差e和誤差變化率ec。參數(shù)自整定模糊控制PID的參數(shù)自整定思想就是先找出控制器的3個(gè)參數(shù)KP、KI和KD與偏差e和偏差變化率ec之間的模糊關(guān)系，在運(yùn)行中通過(guò)不斷的檢測(cè)e和ec并將它們作為控制器的輸入，由控制器根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)3個(gè)參數(shù)進(jìn)行在線調(diào)整，以滿足不同e和ec對(duì)控制器參數(shù)的不同要求，從而使被控對(duì)象具有良好的動(dòng)、靜態(tài)性能。對(duì)PID參數(shù)自調(diào)整的要求，利用模糊控制規(guī)則對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改便構(gòu)成了參數(shù)自整定模糊控制PID系統(tǒng)。參數(shù)自整定模糊控制PID控制器的結(jié)構(gòu)如圖4所示。
在供水控制的過(guò)程中，由于時(shí)間滯后現(xiàn)象存在，對(duì)系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生不利影響，尤其是時(shí)滯較大時(shí)。在供水系統(tǒng)中，時(shí)滯現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能較差。雖然模糊PID控制大大減小了系統(tǒng)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)控制性能的影響，但是它沒(méi)有從根本上解決系統(tǒng)的大時(shí)滯問(wèn)題。在設(shè)計(jì)供水系統(tǒng)的模糊PID控制器的過(guò)程中，我們通過(guò)引入Smith預(yù)估控制，將兩者結(jié)合起來(lái)設(shè)計(jì)了具有Smith補(bǔ)償?shù)哪：齈ID控制器，取得了較好的應(yīng)用效果。
供水系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)控制器的軟件設(shè)計(jì)大體可以分為三個(gè)部分：一部分為初始化，包括單片機(jī)的初始化和CAN控制器的初始化;第二部分為現(xiàn)場(chǎng)水壓的采樣、運(yùn)算和控制輸出;另一部分為作為CAN節(jié)點(diǎn)要完成的自身數(shù)據(jù)發(fā)送和來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)（包括上位監(jiān)控計(jì)算機(jī)）的控制命令與參數(shù)。具體實(shí)現(xiàn)上系統(tǒng)軟件有主程序、定時(shí)器T0中斷程序、外部CAN通訊INT0中斷程序三部分構(gòu)成。主程序主要完成系統(tǒng)初始化、鍵盤掃描、模糊PID運(yùn)算、水位故障處理等，如圖5所示。
在本設(shè)計(jì)中定時(shí)器T0中斷是本供水系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制中重要的程序，包括管網(wǎng)壓力采樣、管網(wǎng)壓力顯示、中值濾波、CAN發(fā)送子程序等模塊程序。定時(shí)器T0當(dāng)工作于模式1時(shí)，最大定時(shí)時(shí)間為65.536ms，為了實(shí)現(xiàn)定時(shí)1s。定時(shí)器T0中斷的流程圖如圖6所示。現(xiàn)場(chǎng)控制器采樣的管網(wǎng)壓力，如果要進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視的話，必須通過(guò)通訊總線把壓力值傳送到上位機(jī)中，同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)控制器也應(yīng)該接受來(lái)自上位機(jī)的控制命令，例如：緊急情況下，上位機(jī)發(fā)出的停止水泵運(yùn)行的命令等，由于控制信息實(shí)時(shí)性的要求。本設(shè)計(jì)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(tǒng)計(jì)算機(jī)的監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用VC6.0來(lái)編程施實(shí)現(xiàn)的。軟件總體設(shè)計(jì)的任務(wù)是確定軟件的總體結(jié)構(gòu)、子系統(tǒng)和模塊的劃分，并確定模塊間的接口和評(píng)價(jià)模塊劃分的質(zhì)量，以及進(jìn)行數(shù)據(jù)分
圖8 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖
析。本設(shè)計(jì)根據(jù)軟件總體設(shè)計(jì)的要求和過(guò)程，對(duì)系統(tǒng)的信息管理及監(jiān)控程序按不同的功能進(jìn)行功能分解，劃分為不同的模塊。供水自動(dòng)化計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的信息管理及監(jiān)控軟件主要包括數(shù)據(jù)采集和通信、設(shè)備狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)管理三個(gè)部分。數(shù)據(jù)采集和通信部分采集水位、壓力、流量、電壓和電流等數(shù)據(jù)，用于記錄、存儲(chǔ)和分析，以及與CAN通信。設(shè)備控制部分根據(jù)采集到的數(shù)據(jù)判斷系統(tǒng)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，并可通過(guò)修改運(yùn)行參數(shù)對(duì)設(shè)備工作狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整。數(shù)據(jù)管理部分負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)、查詢以乃打印輸出，還有數(shù)據(jù)庫(kù)的備份和維護(hù)。系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。
6 結(jié)束語(yǔ)
經(jīng)系統(tǒng)實(shí)踐調(diào)試，該智能節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和實(shí)施方案是成功的。能夠可靠的運(yùn)行和完成要求的任務(wù),控制信息在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行處理,而管理層則在上位機(jī)中實(shí)現(xiàn)。體現(xiàn)了CAN總線高性能、高可靠性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了樓宇自動(dòng)化系統(tǒng)的遠(yuǎn)程或集中監(jiān)控的目的。
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