基于CAN總線的樓宇遠程供水系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)
基于CAN總線的樓宇遠程供水系統(tǒng)設(shè)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(diào)整參數(shù)控制,生產(chǎn)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(shè)備相互獨立,不具備網(wǎng)絡(luò)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(yù)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(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(diào)節(jié)器)+工頻/變頻切換”的控制方案。現(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(diào)節(jié)運算,最后將控制量送入變頻器,控制水泵電機的轉(zhuǎn)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 遠程供水系統(tǒng)的硬件設(shè)計
2.1 基于CAN總線遠程供水系統(tǒng)的硬件設(shè)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(jié)構(gòu),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(yīng)用于控制系統(tǒng)中的檢測和執(zhí)行機構(gòu)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(gòu)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(chǎn)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(yīng)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。
本遠程供水系統(tǒng)與DCS控制系統(tǒng)不同的是它的拓撲結(jié)構(gòu)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(shè)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(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(zhuǎn)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(zhuǎn)換成0~5V的電壓模擬信號,通過ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換,最終把采集到的多路模擬量信號轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器AD558變換成0~10V的電壓信號,控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速。
本設(shè)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(shè)置;8255的B口用于開關(guān)量的輸入,外部的水位檢測等開關(guān)量,經(jīng)光電耦合輸入到8255的B口;8255的C口用于開關(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狀態(tài),單片機的控制信息從8255的C口輸出,經(jīng)驅(qū)動和繼電器隔離控制接觸器動作,產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號。
在CAN總線通信功能中硬件電路設(shè)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(jié)點的發(fā)送與接收是通過事先設(shè)置驗收碼和驗收屏蔽碼可以控制智能節(jié)點從總線上接收哪些數(shù)據(jù)或命令。SJA1000由微控制器89C51通過8位地址數(shù)據(jù)復(fù)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(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)字信號的傳輸,實現(xiàn)了CAN總線與節(jié)點間的隔離傳輸,有助于提高節(jié)點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
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(chǔ)的計算機數(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、變頻器等多個環(huán)節(jié)所組成,整個系統(tǒng)涉及較多的參數(shù),部分參數(shù)在系統(tǒng)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(dǎo)致水泵運行工況點的改變,從而改變了系統(tǒng)參數(shù)。對于這樣的控制對象,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(jù)模糊控制規(guī)則對3個參數(shù)進行在線調(diào)整,以滿足不同e和ec對控制器參數(shù)的不同要求,從而使被控對象具有良好的動、靜態(tài)性能。對PID參數(shù)自調(diào)整的要求,利用模糊控制規(guī)則對PID參數(shù)進行修改便構(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。
在供水控制的過程中,由于時間滯后現(xiàn)象存在,對系統(tǒng)的控制性能產(chǎn)生不利影響,尤其是時滯較大時。在供水系統(tǒng)中,時滯現(xiàn)象導(dǎo)致系統(tǒng)的動態(tài)性能較差。雖然模糊PID控制大大減小了系統(tǒng)參數(shù)變化對系統(tǒng)控制性能的影響,但是它沒有從根本上解決系統(tǒng)的大時滯問題。在設(shè)計供水系統(tǒng)的模糊PID控制器的過程中,我們通過引入Smith預(yù)估控制,將兩者結(jié)合起來設(shè)計了具有Smith補償?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)場控制器的軟件設(shè)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(xiàn)場水壓的采樣、運算和控制輸出;另一部分為作為CAN節(jié)點要完成的自身數(shù)據(jù)發(fā)送和來自其他節(jié)點(包括上位監(jiān)控計算機)的控制命令與參數(shù)。具體實現(xiàn)上系統(tǒng)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(gòu)成。主程序主要完成系統(tǒng)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(shè)計中定時器T0中斷是本供水系統(tǒng)進行現(xiàn)場控制中重要的程序,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。定時器T0當工作于模式1時,最大定時時間為65.536ms,為了實現(xiàn)定時1s。定時器T0中斷的流程圖如圖6所示。現(xiàn)場控制器采樣的管網(wǎng)壓力,如果要進行遠程監(jiān)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(xiàn)場控制器也應(yīng)該接受來自上位機的控制命令,例如:緊急情況下,上位機發(fā)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(shè)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(tǒng)計算機的監(jiān)控軟件設(shè)計
系統(tǒng)的監(jiān)控軟件采用VC6.0來編程施實現(xiàn)的。軟件總體設(shè)計的任務(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價模塊劃分的質(zhì)量,以及進行數(shù)據(jù)分
圖8 系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖
析。本設(shè)計根據(jù)軟件總體設(shè)計的要求和過程,對系統(tǒng)的信息管理及監(jiān)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(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)當前的運行狀態(tài),并可通過修改運行參數(shù)對設(shè)備工作狀態(tài)進行調(diào)整。數(shù)據(jù)管理部分負責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、查詢以乃打印輸出,還有數(shù)據(jù)庫的備份和維護。系統(tǒng)軟件整體結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。
6 結(jié)束語
經(jīng)系統(tǒng)實踐調(diào)試,該智能節(jié)點的設(shè)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(wù),控制信息在現(xiàn)場進行處理,而管理層則在上位機中實現(xiàn)。體現(xiàn)了CAN總線高性能、高可靠性的特點,實現(xiàn)了樓宇自動化系統(tǒng)的遠程或集中監(jiān)控的目的。
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