基于CAN总线的楼宇恒压变频供水监控系统设计与实现

1 引言

　　传统的供水系统大部分仍然采用人工手动调整参数控制，生产过程中的重要参数仍然依靠人工定时记录，用水量的需求具有时变性，在用水高峰期时，管网压力达大功率电感贴片电感器不到规定的标准压力，造成高层建筑断水;用水低峰期时，管网压力经常超过规定的压力上限，极易造成爆管事故并且能源损耗严重。同时传统的楼宇机电控制设备相互独立，不具备网络通讯的功能，难以实现非现场或远程监控。本文提出采用模糊PID算法加Smith预估补偿方式变频器恒压控制供水系统具有运行经济、可靠性高、节能效果明显等优点，利用CAN现场总线技术构成的底层控制网络，采用了分布式结构和分散控制原理，具有使用方便、易于扩展等优点，能有效地满足楼宇监制系统在远程监控的实时性和可靠性要求。

　　楼宇供水系统采用“通用变频器+单片机（包括PID调节器）+工频/变频切换”的控制方案。现场控制器能够完成现场管网压力反馈值的数据采集、压力给定值的输入、模糊PID调节运算，最后将控制量送入变频器，控制水泵电机的转速，达到恒压供水的目的;同时通过CAN现场总线接收来自CAN其他节点（主要是上位监控计算机）的命令或者主动将自身的数据发送到CAN总线上供上位监控计算机接收，实现人机交互功能。

2 系统的硬件设计

　　2.1 基于CAN总线远程监控楼宇自动化系统的硬件设计

　　CAN（Controller Area Network）总线是一种支持分布式实时控制系统的串行通信局域网。其信号传输采用短帧结构，每一帧的有效字节数为8个，因而传输时间短，受干扰的概率低。由于其高性能、高可靠性、实时性等优点,已广泛应用于控制系统中的检测和执行机构之间的数据通信。CAN总线符合ISO11898标准,最大传输速率可达1MB/s（传输距离最大为40m），最大传输距离为10km（传输速率约为5k）。

　　基于CAN总线远程监控楼宇自动化系统的构成由计算机和各个智一体电感能节点组成，如图1所示。计算上安装具有高性能价格比的CAN 总线通讯接口卡PCI-9820 非智能两通道CAN 接口卡，该产品采用标准PCI 接口，能让计算机方便的连接到CAN 总线上，实现CAN2.0B 协议（兼容CAN 2.0A ）的连接通讯。PCI-9820 接口卡配备两通道逻辑独立CAN 接口，使得在开发应用中更显方便和灵活：每个通道共模电感光电隔离，保护计算机机避免地环流的损坏，增强系统在恶劣环境中使用的可靠性。

图1 楼宇供水系统的构成图

图2 供水系统现场控制器的组成框图

　　本系统与DCS控制系统不同的是它的拓扑结构中不是所有的下位机都以上位机为中心,而是所有的节点都以“平等主体”的形式挂接在总线上，上位计算机仅仅作为CAN的一个平等智能节点。

　　2.2 楼宇供水系统现场控制器的硬件设计

差模电感

　　楼宇恒压供水系统可分为：CPU模块、人机接口模块（包括键盘输入、LED显示电路）、A/D和D/A转换模块、DI/DO模块、CAN通讯模块五部分，如图2所示。

　　CPU模块中采用了ATMEL公司片内具有4KB FLASH ROM的单片机芯片AT89C51。为提高系统的可靠性，采用了具有电压监测、集成看门狗（Watchdog）的MAX1232芯片，可有效地防止程序的弹飞。A/D和D/A转换模块中信号输入电路主要是把压力变送器的电流（4～20mA）输出信号，经过电流电压变换芯片RCV420放大滤波转换成0～5V的电压模拟信号，通过ADC0809模数转换，最终把采集到的多路模拟量信号转换成数字量信号;同样，经CPU模糊PID运算处理后，通过数模转换器AD558变换成0～10V的电压信号，控制变频器的输出转速。

　　本设计采用一片8255进行I/O扩展，8255的A口用于CAN网通讯的ID设置;8255的B口用于开关量的输入，外部的水位检测等开关量，经光电耦合输入到8255的B口;8255的C口用于开关量的输出，用于控制接触器组，使其处于不同的接通和断开状态，单片机的控制信息从8255的C口输出，经驱动和继电器隔离控制接触器动作，产生相应的控制信号。

图3 供水系统CAN通讯模块电路原理图

　　在CAN总线通信功能中硬件电路设计中，采用了PHILIPS公司的独立CAN通信控制器SJA1000和CAN总线接口TJA1040组成的CAN总线接口电路如图3所示。CAN总线节点的发送与接收是通过事先设置验收码和验收屏蔽码可以控制智能节点从总线上接收哪些数据或命令。SJA1000由微控制器89C51通过8位地址数据复用总线和读写控制信号进行控制。SJA1000的中断请求信号INT端连接至89C51的外部中断输入INT0端，CAN通信控制器可通过中断与微控制器进行数据传输。SJA1000的发送输出端TX0与接收输入端RX0、RX1分别经高速集成光电耦合器6N137隔离后与CAN总线接口芯片TJA1040相连，6N137中的光敏器件采用了光敏二极管，可以满足高速数字信号的传输，实现了CAN总线与节点间的隔离传输，有助于提高节点装绕线型电感器置的安全性和可靠性。

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