基于預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表的自擺式大流量消防炮控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張 果，鄧成中

(西華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，四川 成都 610039)

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，應(yīng)對(duì)火災(zāi)的措施也在不斷改進(jìn)。在燃料倉(cāng)庫(kù)、石油化工廠、垃圾堆放場(chǎng)等容易出現(xiàn)暗火、陰燃的半露天或全封閉的場(chǎng)所，現(xiàn)有自擺式消防炮常結(jié)合較復(fù)雜的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)完成消防炮的自擺式運(yùn)動(dòng)，而較復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)會(huì)使消防炮的可靠性降低。同時(shí)，對(duì)于依附程序控制來(lái)實(shí)現(xiàn)消防炮的自擺式運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，其使用效果不好，很難滿足保護(hù)區(qū)域的消防安全要求[1]。

為此，本文設(shè)計(jì)了一種基于預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表的自擺式大流量消防炮控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)根據(jù)保護(hù)區(qū)域的環(huán)境參數(shù)來(lái)編寫(xiě)預(yù)置數(shù)據(jù)表，進(jìn)而依靠程序并結(jié)合大流量噴水的特點(diǎn)，控制消防炮的運(yùn)動(dòng)，自動(dòng)調(diào)整射水角度。同時(shí)，在自擺式消防炮的自擺方式上進(jìn)行了優(yōu)化：消防人員可根據(jù)保護(hù)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整相關(guān)參數(shù)，預(yù)防人員可根據(jù)保護(hù)區(qū)域的現(xiàn)場(chǎng)情況調(diào)整預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表參數(shù)庫(kù)，從而達(dá)到良好的滅火效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)形式

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表的自擺式大流量消防炮控制系統(tǒng)的總體框圖如圖1所示。預(yù)置區(qū)域即為需要進(jìn)行火災(zāi)安全保護(hù)的區(qū)域。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

自擺式大流量消防炮控制系統(tǒng)主要由消防炮機(jī)械結(jié)構(gòu)、水平和俯仰電機(jī)、電動(dòng)水閥、預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表以及主控制器等組成。根據(jù)預(yù)置區(qū)域的范圍，如面積、高度等，結(jié)合消防炮噴嘴水柱的掃射范圍等信息，編寫(xiě)預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表并將其寫(xiě)入到存儲(chǔ)器中。當(dāng)預(yù)置區(qū)域出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)，控制系統(tǒng)接收到來(lái)自外部輸入的火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，在其觸發(fā)下，主控制器控制電動(dòng)閥驅(qū)動(dòng)，打開(kāi)電動(dòng)水閥，同時(shí)調(diào)用存儲(chǔ)器中的預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表。主控制器根據(jù)預(yù)置的自擺式流程來(lái)控制水平、俯仰直流電機(jī)的動(dòng)作，兩者相互結(jié)合共同來(lái)完成消防炮的自擺式運(yùn)動(dòng)，同時(shí)噴嘴噴出的水柱按照預(yù)置滅火軌跡進(jìn)行噴水，直至整個(gè)預(yù)置區(qū)域的滅火結(jié)束。此外，相關(guān)人員可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)控制盤(pán)設(shè)置消防炮噴水水柱形式，控制消防炮的某一或多個(gè)動(dòng)作，調(diào)整預(yù)置參數(shù)等，也可利用RS485等總線方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離控制。

圖1中的預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表里面裝載了消防炮自擺式運(yùn)動(dòng)的信息，包括水平旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度、速度范圍參數(shù)，俯仰機(jī)構(gòu)的俯仰角度、速度范圍參數(shù)，需要何時(shí)進(jìn)行噴霧(水花霧狀)和直流噴射水柱形式切換的狀態(tài)位標(biāo)識(shí)，以及對(duì)保護(hù)區(qū)域中不需要進(jìn)行消防噴水的區(qū)域等。在實(shí)際應(yīng)用中，保護(hù)區(qū)域里有提供人員行走的樓梯(由耐火剛性材料制成)，在對(duì)保護(hù)區(qū)域進(jìn)行定期消防維護(hù)時(shí)，消防炮噴射的水柱在即將到達(dá)樓梯時(shí)，會(huì)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)方向的變化，使噴水軌跡繞過(guò)樓梯，繼續(xù)整個(gè)保護(hù)區(qū)域的消防維護(hù)工作流程。這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)設(shè)置等會(huì)提前寫(xiě)入數(shù)據(jù)表中，即預(yù)置數(shù)據(jù)表，在編寫(xiě)的控制器編譯器里表現(xiàn)為一個(gè)庫(kù)文件或者頭文件形式。

1.2 系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)形式分析

基于預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表的自擺式大流量消防炮控制系統(tǒng)的噴嘴運(yùn)動(dòng)空間如圖2所示。圖中的保護(hù)區(qū)域即為系統(tǒng)所工作的預(yù)置區(qū)域，將大流量消防炮安裝在預(yù)置區(qū)域合適的位置，使大流量消防炮噴射的水柱掃描滅火范圍并能夠全面覆蓋受保護(hù)區(qū)域。圖中的自擺式消防炮利用俯仰電機(jī)完成炮口及其連接桿的垂直于地面的上下步進(jìn)運(yùn)動(dòng)，利用水平電機(jī)完成除底座外的整個(gè)消防炮水平擺動(dòng)運(yùn)動(dòng)，2臺(tái)電機(jī)按照預(yù)置的水平擺動(dòng)角度和俯仰步進(jìn)角度相互配合、交替工作完成消防炮的自擺式運(yùn)動(dòng)，也就形成了消防炮噴嘴噴出的如圖2所示的箭頭所指向的“弓”字形的水柱滅火軌跡。噴嘴噴出的水柱因受到重力、風(fēng)力等外界環(huán)境的影響，呈拋物線。

圖2 自擺式大流量消防炮噴嘴空間運(yùn)動(dòng)示意圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主要元器件選擇

2.1.1 電機(jī)選擇

直流有刷電機(jī)作為執(zhí)行元件，調(diào)速性能好、低速轉(zhuǎn)矩性能優(yōu)異，主要用于驅(qū)動(dòng)大流量、大轉(zhuǎn)矩的裝置，一般啟動(dòng)以后工作轉(zhuǎn)速恒定，且易于控制，因此被選為自擺式大流量消防炮的水平、俯仰電機(jī)。

自擺式大流量消防炮的噴嘴流量大約為70～100 L/s，最大的射程約為100 m,工作壓力p≤0.8 MPa。其驅(qū)動(dòng)力矩需8 Nm,因此要求直流電機(jī)的保持轉(zhuǎn)矩至少大于8 Nm。結(jié)合以上因素，選用型號(hào)為130SYXB01的直流電機(jī)作為執(zhí)行元件，其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、低速運(yùn)行性能穩(wěn)定、輸出轉(zhuǎn)矩高。該直流電機(jī)的性能指標(biāo)如表1所示。

表1 直流電機(jī)的性能指標(biāo)

2.1.2 編碼器的選擇

消防炮的水平機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)范圍為0°～360°，俯仰機(jī)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)范圍為0°～180°。根據(jù)消防炮的安裝環(huán)境，需要的水平、俯仰機(jī)構(gòu)角位移的檢測(cè)裝置能夠工作穩(wěn)定、可靠輸出且輸出信號(hào)便于微控制器處理，因此選用防水型增量式編碼器E6A2-CWZ3C。編碼器需要與耦合器結(jié)合起來(lái)，其在消防炮內(nèi)部的安裝如圖3所示。

該編碼器的分辨率為200，增強(qiáng)耐軸負(fù)載性能，直流5 V電源輸入，依據(jù)RS422-A規(guī)格的高速、長(zhǎng)距離的數(shù)據(jù)傳送方式的線路驅(qū)動(dòng)器輸出，其輸出波形如圖4所示。

圖3 編碼器安裝示意圖

圖4 編碼器脈沖輸出波形

2.2 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)所選用的直流電機(jī)型號(hào)，若采用直接單獨(dú)選取直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的方式完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，其提供的驅(qū)動(dòng)電流較難達(dá)到電機(jī)的額定電流或超過(guò)額定電流一定的閾值，這樣電機(jī)的工作效率會(huì)急劇下降甚至給電機(jī)帶來(lái)一定的損害；因此，采用分立器件搭建電路[2]來(lái)完成對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)的直流電機(jī)H橋功率驅(qū)動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 H橋功率驅(qū)動(dòng)電路

在圖5中：IR2102芯片是一種高電壓、高速度的功率MOSFET和IGBT驅(qū)動(dòng)器，具有2個(gè)獨(dú)立的輸出通道HO和LO；C9、C19為自舉電容；LIN和HIN是一對(duì)互補(bǔ)輸入信號(hào)。假如設(shè)定電流由AOUT+流向AOUT-為正，當(dāng)H橋工作在正半周時(shí),AIN-為高電平，C9放電，相當(dāng)于一個(gè)電壓源，這時(shí)聚集在Q2柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)R24迅速對(duì)地放電，由于死區(qū)時(shí)間影響，使Q2在Q1開(kāi)通之前迅速關(guān)斷，同時(shí),對(duì)于右臂芯片的HIN為高電平，聚集在Q3柵極和源極的電荷在芯片內(nèi)部通過(guò)R29迅速放電使Q1關(guān)斷，AIN+為高電平時(shí)，此時(shí)Q1和Q4導(dǎo)通，電流由AOUT+流向AOUT-。在負(fù)半周時(shí),當(dāng)左臂HIN為高電平時(shí)，Q1關(guān)斷，經(jīng)過(guò)短暫的死區(qū)時(shí)間LIN為低電平，使電壓12 V經(jīng)過(guò)R24、Q2的柵極和源極形成回路，同時(shí)電壓12 V通過(guò)二極管M7、C9、Q2形成回路，對(duì)C9進(jìn)行充電，右臂與左臂工作原理相同，如此循環(huán)反復(fù)[3-5]。

2.3 無(wú)線遙控模塊設(shè)計(jì)

采用無(wú)線通信模塊SI4463作為無(wú)線遙控器發(fā)送端和接收端的通信模塊。無(wú)線遙控模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。

圖6 無(wú)線遙控模塊硬件框圖

射頻收發(fā)芯片SI4463的頻率范圍為119～1 050 MHz，接收靈敏度為-126 dBm，最大輸出功率可達(dá)+20 dBm，待機(jī)模式下電流可低至50 nA。該模塊的硬件接口電路如圖7所示。

圖7 SI4463模塊接口電路圖

在主動(dòng)模式且功率為10 dBm的條件下，SI4463模塊的發(fā)送電流消耗約為18 mA，接收電流消耗約為10 mA。SI4432模塊的發(fā)射電流為25.0 mA,接收電流為18.5 mA。極低的待機(jī)電流和快速喚醒可確保在最苛刻的應(yīng)用中延長(zhǎng)電池壽命。此外，在保證低功耗的同時(shí)，它的電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單且成本低[6-10]。

2.4 消防炮主控制器設(shè)計(jì)

采用超低功耗的高級(jí)ARM的32位MCU-STM32L053C8T6作為消防炮主控制器，其工作頻率為32 kHz～32 MHz,集成了存儲(chǔ)器保護(hù)單元、高速嵌入存儲(chǔ)器(64 kB閃存，2 kB數(shù)據(jù)EPROM和8 kB的RAM)，以及各種增強(qiáng)I/O和外設(shè)，工作電壓為1.65～3.6 V,待機(jī)模式下的電流低至0.27 μA,喚醒時(shí)間能夠快至3.5 μs,且定時(shí)分辨率高，中斷響應(yīng)速度快，指令執(zhí)行時(shí)間短。自擺式大流量消防炮的主控制硬件電路框圖如圖8所示。

圖8 主控制器硬件電路框圖

在圖8中：采用雙極性脈寬調(diào)制(PWM)控制模式控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路；主回路與控制回路之間的電氣隔離采用光電隔離電路來(lái)實(shí)現(xiàn)；水平、俯仰直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路相同；為避免H橋上下橋臂出現(xiàn)直通現(xiàn)象，通過(guò)軟件方法(即當(dāng)電機(jī)進(jìn)入正反轉(zhuǎn)換向時(shí)，插入一段延時(shí)程序)來(lái)實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間；利用通用定時(shí)器的計(jì)數(shù)功能來(lái)完成對(duì)A、B兩計(jì)數(shù)相輸出脈沖個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù),判斷A、B兩相的信號(hào)序列相位差來(lái)確定直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，同時(shí)根據(jù)Z相計(jì)圈來(lái)確定直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度；旋轉(zhuǎn)編碼器將電機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度實(shí)時(shí)反饋給控制器，控制器將接收到的數(shù)據(jù)與預(yù)置數(shù)據(jù)表里的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，直到達(dá)到預(yù)置數(shù)據(jù)表的電機(jī)旋轉(zhuǎn)角度，再進(jìn)行下一個(gè)電機(jī)旋轉(zhuǎn)工作流程。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

對(duì)整個(gè)消防炮的控制主要分為按照預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表消防炮自身做自擺式運(yùn)動(dòng)和操作人員使用有線操作盤(pán)或者無(wú)線遙控器對(duì)消防炮進(jìn)行操作兩部分。有線操作盤(pán)主要通過(guò)RS485總線的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)通信進(jìn)而控制消防炮。

3.1 無(wú)線遙控方式程序

無(wú)線遙控器中的按鍵處理采用類(lèi)似ARQ重傳機(jī)制來(lái)確保按鍵之間的數(shù)據(jù)可靠傳輸。遙控器通過(guò)按鍵在數(shù)據(jù)包發(fā)送完成后，等待消防炮接收點(diǎn)發(fā)來(lái)的ACK包來(lái)確認(rèn)本次傳輸數(shù)據(jù)包成功。考慮時(shí)間的開(kāi)銷(xiāo)，可以至多連續(xù)3次的指令重傳來(lái)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確及時(shí)的傳輸無(wú)線數(shù)據(jù)。無(wú)線遙控器的控制程序流程圖如圖9所示。

STM32L053和SI4463之間的通信采用4線制SPI配置寄存器的方式來(lái)設(shè)置數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)、前導(dǎo)碼長(zhǎng)度以及同步字內(nèi)容等，最后通過(guò)讀寫(xiě)寄存器從FIFO中發(fā)送或者讀取數(shù)據(jù)包。

圖9 無(wú)線遙控器的控制程序流程圖

3.2 基于預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表方式的控制程序

基于預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表的自擺式大流量消防炮控制系統(tǒng)上電后，主控制器首先將預(yù)置區(qū)域的數(shù)據(jù)表編入程序中，且植入到存儲(chǔ)器中，接著初始化各項(xiàng)設(shè)置(包括對(duì)SI4463、串口等初始化)。若未有報(bào)警信號(hào)輸入時(shí)，消防炮進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)，即消防炮的初始狀態(tài)；若檢測(cè)到火災(zāi)報(bào)警信號(hào)的輸入，主控制器立即調(diào)用預(yù)置的數(shù)據(jù)表，然后向直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)發(fā)出控制信號(hào)，使水平、俯仰機(jī)構(gòu)進(jìn)入自擺式的預(yù)置工作流程，同時(shí)也向電動(dòng)閥、噴霧和直流噴射電機(jī)發(fā)送控制信號(hào)。主控制器實(shí)時(shí)獲取編碼器所反饋的角度信息，調(diào)用預(yù)置數(shù)據(jù)表中相應(yīng)的模塊，發(fā)送下一個(gè)電機(jī)控制信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)到水平、俯仰機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)到水平、俯仰旋轉(zhuǎn)的設(shè)定閥值時(shí)，則進(jìn)入水平、俯仰機(jī)構(gòu)回轉(zhuǎn)狀態(tài)，直到進(jìn)入下一個(gè)初始狀態(tài)，程序也相應(yīng)開(kāi)始循環(huán)執(zhí)行，直到報(bào)警信號(hào)的解除，系統(tǒng)再次進(jìn)入等待報(bào)警信號(hào)狀態(tài)。該系統(tǒng)的控制流程如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)控制程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的基于預(yù)置區(qū)域自擺式大流量消防炮在實(shí)際的使用中性能穩(wěn)定、可靠，具有良好的使用效果，可有效解決大空間保護(hù)區(qū)域出現(xiàn)火災(zāi)時(shí)不能快速、有效的滅火問(wèn)題。此外，根據(jù)該消防炮預(yù)置、自擺式、大流量等特點(diǎn)，應(yīng)用到溫度不宜過(guò)高的大空間的半露天、全封閉等場(chǎng)所，可起到區(qū)域降溫的作用，定期防護(hù)，可大大減小火災(zāi)的發(fā)生率。本文所闡述的基于預(yù)置區(qū)域數(shù)據(jù)表的自擺式大流量消防炮已成功地應(yīng)用到廣東某電廠的消防工程上?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用如圖11所示。該系統(tǒng)是對(duì)大空間型消防設(shè)備的有效開(kāi)發(fā)，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。

圖11 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用圖

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