基于CAN总线的恒压供水监控系统设计说明

1、. . . . 基于CAN总线的恒压供水监控系统设计设计关键词：恒压供水系统CAN总线 变频器 PLC技术 自动控制技术一、设计要求 1、系统现状小区有一座水厂、4个水源井；水厂设有水池2个，4台供水泵为居民供水，2条供水管路；每个水源井设置1台深井泵。供水方式为深井泵将水源井的水抽至水仓，再由供水泵将水排至供水管道，再由供水管道供给各用户生活的需要。2、系统组成要求水厂泵房实现自动控制，对4个水源井泵的远程启动，水井水位的监测。系统由PLC（可编程逻辑控制器）与其远程扩展模块、操作屏、检测部分（模拟量和开关量）、执行部分、上位机等组成。l PLC与其远程扩展模块系统的核心部分，完成

2、对于监测量的处理、运算和存储，并根据监测结果控制水泵启停等。l 操作屏现场设置一台操作屏，实时生动的显示水泵当前运行状态，现场提供水泵自动控制平台。l 模拟量检测部分主要完成对监控需要的模拟量的采集和处理，并送入PLC。主要包括以下几类传感器：Ø 水仓水位传感变送器；Ø 流量传感器；Ø 压力传感变送器；Ø 温度传感器。l 开关量检测部分将液压闸阀、电动球阀、高压柜等的工作状态与启闭位置等开关量信号接入PLC，监测系统当前运行状态。l 执行部分由就地控制箱、PLC集控柜与电动闸阀系统组成,可完成对水泵、闸阀、电动球阀的控制。l 上位机上位机实现供水自动控制

3、系统和监控中心自动控制平台之间通信；实现对供水系统的远程操控。3、设计要求设计出系统的详细监控方案，包括：Ø PLC各个模块的型号Ø 传感器型号Ø 计算机配置Ø 采用的通信系统Ø 拟采用的上位机软件设计思路。二、引言1、恒压供水系统介绍供水系统是国民生产生活中不可缺少的重要一环。传统供水方式占地面积大，水质易污染，基建投资多，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

4、限，极易造成爆管事故并且能源损耗严重。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，能有效地满足监控系统在远程监控的实时性和可靠性要求。变频调速技术是一种新型成熟的交流电机无极调速技术，它以其独特优良的控制性能被广泛应用于速度控制领域，特别是供水行业中。由于安全生产和供水质量的特殊需要，对恒压供水压力有着严格的要求，因而变频调速技术得到了更加深入的应用。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”

5、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profibus-fms现场总线接收来自其他节点（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profibus总线上供上位监控计算机接收，实现人机交互功能。恒压供水方式技术先进、水压恒定、操作方便、运行可靠、节约电能、自动化程度高，在泵站供水中可完成以下功能： （1）维持水压恒定 （2）控制系统可手动/自动运行 （3）多台泵自动切换运行 （4）系统睡眠与唤醒，当外界停止用水时，系统处于睡眠状态，直至有用水需求时自动唤

6、醒 （5）在线调整PID参数； （6）泵组与线路保护检测报警，信号显示等 将管网的实际压力经反馈后与给定压力进行比较，当管网压力不足时，变频器增大输出频率，水泵转速加快，供水量增加，迫使管网压力上升。反之水泵转速减慢，供水量减小，管网压力下降，保持恒压供水。 2、系统硬件构成系统采用压力传感器、PLC和SAJ变频器作为中心控制装置，实现所需功能。 来源:输配电设备网安装在管网干线上的压力传感器，用于检测管网的水压，将压力转化为420 mA的电流或者是010V的电压信号，提供给SAJ变频器。 SAJ变频器是水泵电机的控制设备，能按照水压恒定需要将050 Hz的频率信号供给水泵电机，调整其转速，S

7、AJ变频器功能强大，即预先编置好的参数集，将使用过程中所需设定的参数数量减小到最小，参数的缺省值依应用宏的选择而不同。系统采用PID控制的应用宏，进行闭环控制。SAJ变频器根据恒压时对应的电压设定值与从压力传感器获得的反馈电流信号，利用PID控制宏自动调节，改变频率输出值来调节所控制的水泵电机转速，以保证管网压力恒定要求。 3、系统的其它优点变频恒压供水系统同其它供水方式相比较，除了具有显著的节能效果外，还有以下显而易见的优势： 1、恒压供水技术因采用变频器改变电动机电源频率，而达到调节水泵转速改变水泵出口压力，比靠调节阀门的控制水泵出口压力的方式，具有降低管道阻力大大减少截流损失的效能。 2

8、、由于变量泵工作在变频工况，在其出口流量小于额定流量，泵转速降低，减少了轴承的磨损和发热，延长泵和电动机的机械使用寿命。 3、水泵电动机采用软启动方式，按设定的加速时间加速，避免电动机启动时的电流冲击，对电网电压造成波动的影响，同时也避免了电动机突然加速造成泵系统的喘振。彻底消除水锤现象。 4、实现恒压自动控制，不需要操作人员频繁操作，降低了人员的劳动强度，节省了人力。4、恒压供水使用的领域1、自来水供水、生活小区与消防供水系统，亦可用于热水供应、恒压喷淋等系统。 2、工业企业生活、生产供水系统与工厂其它需恒压控制领域（如空压机系统的恒压供气、恒压供风）。各种场合的恒压、变压控制，冷却水和循环

9、供水系统。 3、污水泵站、污水处理与污水提升系统。 4、农业排灌、园林喷淋、水景和音乐喷泉系统。 5、宾馆、大型公共建筑供水与消防系统。三、 系统的硬件设计3.1  过程控制系统装置系统装置由对象装置、仪表控制屏、软件系统（MCGS组态软件）、个人电脑四部分组成。3.2技术指标工作电源：单相三线 220V±5% 50Hz外形尺寸：1510×700×1900mm整机容量： <2KVA控制信号：电压15V 电流420mA控制对象：储水箱,锅炉系统动力： 双路功率可调的循环水泵 检测传感器：扩散硅压力液位传感器 涡轮流量传感器和流量积算仪Pt1

10、00热电阻温度传感器执行机构：单相可控硅调压装置：电动调节阀3.3 仪表控制屏I7000系列数据采集模块AI808系列智能调节仪OMRON系列CPM1A-30型PLC电源控制和信号接口面板快插连接线电气附件3.4软件系统MCGS工控组态软件DDC系统软件仪表系统软件S7200PLC系统软件OMRON型 CPM1A-30型编程软件3.5 基于CAN总线远程监控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

11、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总线远程监控自动化系统的构成由计算机和各个智能节点组成，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：每个通道光电隔离，

12、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 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。3.6 供水系统现场控制器的硬件设计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

13、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转换模块号输入电路主要是把压力变送器的电流（420mA）输出信号，经过电流电压变换芯片RCV420放大滤波转换成05V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010V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

14、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

15、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，有助于提高节点装置的安全性和可靠性。3.7 变频器技术3.7.1 变频器原理与应用用户用水的多少是经常变动的，因此，供水不足或供水过剩的情况时有发生。而用水和供水之间的不平衡集中地表现在供水压力上：用水多而供水少，则压力低；用水少而供水多，则压力大。保持供水的压力恒定，可使供

16、水和用水之间保持平衡，从而提高供水的质量。另一方面用变频调速来实现恒压供水节能效果十分显著。S7-300变频器是西门子公司推出的通用变频器，适用于自控等各类场合。在恒压供水中采用这种变频器，可以更稳定、更安全地保证系统运行。 变频器采用IGBT的PWM控制，采用空间矢量PWM技术，在控制方面有很多突出的优点：低电流纹波，低转矩纹波，低电动机温升，并提高了功率因素，这是IH变频器的基本控制特性。这种空间矢量PWM技术在很多具体的应用场合得到了验证。另外，置PI控制功能，此功能使用于过程控制，通过闭环的给定值和反馈值之间的比较，应用比例、积分的算法控制流量、温度、压力等。恒压供水是指用户端在任何时

17、候，不管用水量的大小，总能保持管网中水压的基本恒定。在恒压供水系统中，为保持管网水压的反馈信号进行比较以调节水泵的转速，达到控制管网中水压的目的。3.7.2 其他产品与比较      针对传统的变频调速供水设备的不足之处，国外不少生产厂家近年来纷纷推出了一系列新型产品，如ABB公司的ACS600、ACS400系列产品，富士公司的G11S/P11S系列产品。这些产品将PID调节器以与简易可编程器的功能都综合进变频器，形成了各种新型变频器的。这类变频器的价格仅比通用变频器略高一点，但功能却强很多。本系统选用的西门子S7-300通用变频器，

18、置PID控制功能，对节省系统的成本很有利。首先须设定PID功能有效，然后确定PID控制器的型号类型为反馈信号输入，设定值由面板给定。3.7.3 系统原理图图4  恒压供水系统3.8 PLC控制系统3.8.1可编程控制器的选择本系统PLC硬件主要采用日本OMRON公司生产的CPM1A-30型，其输入点有18个，输出点有12个，而且具有可实现平稳输入输出动作的输入滤波器和快闪存，能够满足本系统的控制要求。其主要特点是体积较小，价格合理，处理能力与速度适合该设备，且其抗干扰能力强，可靠性高，能够保证设备的稳定运行，完全能够安全、稳定地工作于恒压供水系统。3.8.2 PLC软件设计

19、PLC具有自己的编程软件，采自易学易会的梯形图语言，其具有控制灵活方便、抗干扰能力强、应用围广、运行稳定可靠等优点，所以我们采用可编程控制器。在其部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时等操作指令，并通过数字量、模拟量的输入输出，控制整个恒压供水工作过程。它还能够实现系统的在线监测和参数测量，当产品需要升级改型时，只需修改程序即可，操作非常方便。运行方式分为手动和自动两种，当调试或需要调整时，可选择手动。3.8.3 可编程控制器I/O口地址分配表名称 地址 名称 地址启  动 I00 反转 I11振动手启 I01 反转指示灯 I12振动手停 I02 正转 I13欠、超压信号 I0

20、3 正转指示灯 I14缺相信号 I04 故障指示灯 Q06低压报警 I05 启动输出Q 00高压报警 I06 水泵输出Q 01低位传感器 I07 故障报警输出Q 02高位传感器 I08 低、高压报警输出 Y03急停 I09 低位传感器输出Q 04故障报警 I10 高位传感器输出Q 05液位上限 I15 变频故障 I17液位下限 I16 3.9水泵变频器控制流程图升频控制第n台泵水压设定值小于K=N频率50HZ延 时YYN第n台泵切换为市电运行第n1台泵软启动N=N+1降频控制第n台泵频率10HZN延 时水压>设定值第k-1台泵切换为市电运行k=k-1N大于图5 水泵变频器控制流程图3.1

21、0模糊控制介绍模糊控制是一种以模糊集合论、模糊语言变量与模糊逻辑推理为基础的计算机数字控制。模糊控制器由三部分组成:模糊化、模糊推理和解模糊。由于恒压供水调速系统由水泵、电机、变频器等多个环节所组成，整个系统涉与较多的参数，部分参数在系统运行过程中是变化的。水泵工作特性具有很强的非线性，管路水头的变化以与电力负载与其特性的变化等都将导致水泵运行工况点的改变，从而改变了系统参数。对于这样的控制对象，常规的PID控制器难以保证系统在任何工况条件下始终具有最佳的控制性能。本文采用参数自整定模糊PID算法，以误差e和误差变化率ec作为输入，可以满足不同时刻偏差e和误差变化率ec。参数自整定模糊控制PI

22、D的参数自整定思想就是先找出控制器的3个参数KP、KI和KD与偏差e和偏差变化率ec之间的模糊关系，在运行过不断的检测e和ec并将它们作为控制器的输入，由控制器根据模糊控制规则对3个参数进行在线调整，以满足不同e和ec对控制器参数的不同要求，从而使被控对象具有良好的动、静态性能。对PID参数自调整的要求，利用模糊控制规则对PID参数进行修改便构成了参数自整定模糊控制PID系统。参数自整定模糊控制PID控制器的结构如图6所示。图6参数自整定模糊控制PID控制器的结构图在供水控制的过程中，由于时间滞后现象存在，对系统的控制性能产生不利影响，尤其是时滞较大时。在供水系统中，时滞现象导致系统的动态性能

23、较差。虽然模糊PID控制大大减小了系统参数变化对系统控制性能的影响，但是它没有从根本上解决系统的大时滞问题。在设计供水系统的模糊PID控制器的过程中，我们通过引入Smith预估控制，将两者结合起来设计了具有Smith补偿的模糊PID控制器，取得了较好的应用效果。四、变频恒压供水监控系统的软件设计4.1变频恒压供水系统控制器的软件设计    本系统由4个水源井向蓄水池供水，通过液位变送器监测水位信号，同时采用压力变送器监控2条供水管路的管网压力，并将所得信号反馈给变频器，然后由变频器根据实际需要进行参数整定，并最终由中央控制室将整定数据通过水位控制器调节水

24、压，从而达到恒压供水的目的。整个系统主要基于PID闭环系统，并采用MCGS软件系统进行模拟量控制，从而能够更加清晰、直观地了解水位与管网水压情况，并与时采自动取相应措施。如图7  所示系统工作原理图 。 PLC低压电气控制柜变频器124314号水泵传感器图7  系统工作原理图本系统采用人机界面控制：状态显示、变频器故障显示、热故障显示、水位过低显示、电源显示、水泵工况显示、运行参数数字显示（频率、转速、电流、水压）、手动/自动切换、变频/共频切换、变频器参数设定、报警解除、报警实验。由压力传感器将监测的系统水压信号通过4-20mA信号反馈给PI调节器，控

25、制、处理欠压、超压、泵位置信号、开关信号、PLC运行/停止信号、故障信号、达频信号等信号，并通过变频器给定频率、转速参数，控制水压，并安全、稳定地保持水压恒定，满足需求的同时节约水力资源。4.2供水系统现场控制器的软件设计供水系统现场控制器的软件设计大体可以分为三个部分：一部分为初始化，包括单片机的初始化和CAN控制器的初始化;第二部分为现场水压的采样、运算和控制输出;另一部分为作为CAN节点要完成的自身数据发送和来自其他节点（包括上位监控计算机）的控制命令与参数。具体实现上系统软件有主程序、定时器T0中断程序、外部CAN通讯INT0中断程序三部分构成。主程序主要完成系统初始化、键盘扫描、模糊

26、PID运算、水位故障处理等，如图8所示。、图8 系统主程序流程图在本设计中定时器T0中断是本供水系统进行现场控制中重要的程序，包括管网压力采样、管网压力显示、中值滤波、CAN发送子程序等模块程序。定时器T0当工作于模式1时，最大定时时间为65.536ms，为了实现定时1s。定时器T0中断的流程图如图6所示。现场控制器采样的管网压力，如果要进行远程监视的话，必须通过通讯总线把压力值传送到上位机中，同时，现场控制器也应该接受来自上位机的控制命令，例如：紧急情况下，上位机发出的停止水泵运行的命令等，由于控制信息实时性的要求。本设计中采用了INT0中断方式作为CAN通讯接收信息的程序。INT0中断程序

27、流程图如图9所示。水泵变频器控制流程图如图10所示.图10 CAN中断接收程序流程图图9 定时器T0中断的流程图4.3变频恒压供水系统计算机的监控软件设计系统的监控软件采用VC6.0来编程施实现的。软件总体设计的任务是确定软件的总体结构、子系统和模块的划分，并确定模块间的接口和评价模块划分的质量，以与进行数据分析。本设计根据软件总体设计的要求和过程，对系统的信息管理与监控程序按不同的功能进行功能分解，划分为不同的模块。供水自动化计算机控制系统的信息管理与监控软件主要包括数据采集和通信、设备状态控制和数据管理三个部分。数据采集和通信部分采集水位、压力、流量、电压和电流等数据，用于记录、存储和分析

28、，以与与CAN通信。设备控制部分根据采集到的数据判断系统当前的运行状态，并可通过修改运行参数对设备工作状态进行调整。数据管理部分负责数据的统计、查询以乃打印输出，还有数据库的备份和维护。系统软件整体结构框图如图11所示。图11 系统软件整体结构框图4.4系统故障与保护当出现缺相、变频器故障、液位下限、上限、超压、差压等情况时，系统皆能发出声响报警信号；特别是当出现缺相、变频器故障、液位下限、上限、超压时，系统还会自动停机，并发出声响报警信号，通知维修人员前来维修。此外，变频器故障时，系统自动停机，此时可切换至手动方式保证系统不间断供水。五、    系统设

29、计疑难与切身体会5.1 系统设计疑难在完成本次设计的过程中，遇到了很多棘手的问题和疑问，有时甚至到了无从下手的地步，例如：如何学习以前从未接触过的MCGS软件？如何集成自动化控制系统，并将MCGS软件、变频技术、PLC技术综合应用？采用何种方式实现故障报警功能以与怎样才能有效地完善该系统？这些问题都或多或少地阻碍了我们的进展。 5.2 设计体会   在恒压供水系统设计初期由于对系统硬件与软件的的掌握力度和研究深度不够，设计过程中不断的出现了疑难问题，但也不断的解决了很多问题。六、 总结  在供水系统中采用变频调速运行方式，系统可根据实际设定水压自动调节水泵电机的转速或加减泵，使供水系统管网中的压力保持在给定值，以求最大限度的节能、节水、节地、节资，并使系统处于可靠运行的状态，实现恒压供水；减泵时采用“先启先停”的切换方式，更能确保各泵使用平均以延长设备的使用寿命；增加了硬件/软件备用功能，有效延长了设备的使用寿命。 压力闭环控制，系统用水量任