自動(dòng)消防水炮驅(qū)動(dòng)控制及其炮口噴射落水點(diǎn)校正研究

摘 要：利用兩臺(tái)直流伺服電機(jī)和一臺(tái)推桿直流電機(jī)作為執(zhí)行元件，設(shè)計(jì)了自動(dòng)消防水炮的驅(qū)動(dòng)控制方案，并對(duì)炮口噴射落水點(diǎn)進(jìn)行了校正研究，實(shí)現(xiàn)了在室內(nèi)供水壓力恒定條件下對(duì)著火點(diǎn)的準(zhǔn)確噴射滅火。

關(guān)鍵詞：消防水炮 驅(qū)動(dòng)控制 噴射曲線 自動(dòng)滅火

中圖分類號(hào)：TU998.1文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）05（a）-0001-04

自動(dòng)消防水炮系統(tǒng)是近年來(lái)我們國(guó)家消防裝備行業(yè)出現(xiàn)的新裝備，它可以實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的自動(dòng)探測(cè)、自動(dòng)定位和自動(dòng)撲滅，該類設(shè)備的出現(xiàn)對(duì)于提高工礦企業(yè)及民用大空間建筑物抵御火災(zāi)的能力，保護(hù)其消防安全，確保人民生命財(cái)產(chǎn)安全起到至關(guān)重要的作用，真正實(shí)現(xiàn)了“建筑消防自動(dòng)化”。

自動(dòng)消防水炮的主要特點(diǎn)是在無(wú)人職守的場(chǎng)所，火災(zāi)探測(cè)報(bào)警后系統(tǒng)能夠驅(qū)動(dòng)消防水炮本體做水平方向和垂直方向兩自由度的掃描運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)著火點(diǎn)的空間定位，然后噴射水或泡沫液進(jìn)行定點(diǎn)撲救滅火，真正做到“炮口打準(zhǔn)、早期撲滅”的滅火目標(biāo)，使火災(zāi)造成的損失減少到最低水平。消防水炮的驅(qū)動(dòng)控制以及炮口出水落水點(diǎn)的控制是能否實(shí)現(xiàn)“打準(zhǔn)”滅火目標(biāo)的重要決定因素，因此該文就這方面給出了設(shè)計(jì)和實(shí)施方案，應(yīng)用了此方案的自動(dòng)消防水炮產(chǎn)品較好地實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確噴水滅火。

1 自動(dòng)消防水炮驅(qū)動(dòng)控制概述

如圖1所示，本自動(dòng)消防水炮通過(guò)水平方向和垂直方向上的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的作用可以控制水炮噴頭實(shí)現(xiàn)兩自由度的轉(zhuǎn)動(dòng)。機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)伺服機(jī)構(gòu)在火焰定位器的引導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)炮口對(duì)著火點(diǎn)位置的定位。其運(yùn)動(dòng)過(guò)程簡(jiǎn)單敘述如下：水炮接到自動(dòng)滅火指令后，啟動(dòng)水平方向電機(jī)，炮管沿水平方向旋轉(zhuǎn)，遇到火源后停止，接著啟動(dòng)垂直方向電機(jī)，炮管沿豎直方向旋轉(zhuǎn)，遇到火源后紅外定位結(jié)束。再經(jīng)過(guò)圖像定位微調(diào)修正，最后根據(jù)炮口校正參量，自動(dòng)調(diào)整炮口位置，打開水閥噴射滅火。

本文中消防炮水平轉(zhuǎn)動(dòng)角度0～360 °，根據(jù)保護(hù)區(qū)域現(xiàn)場(chǎng)可以調(diào)整；垂直轉(zhuǎn)動(dòng)角度0～135 °。兩方向上分別安裝霍爾零點(diǎn)開關(guān)，起限位保護(hù)作用。為適應(yīng)近距離著火點(diǎn)的控制，炮口安裝直流推桿電機(jī)，能夠?qū)Τ鏊疇顟B(tài)進(jìn)行水柱/水霧切換。

自動(dòng)消防水炮安裝在消防水路末端，前面分別裝有水流指示器、電磁閥和手動(dòng)閥，安裝方式又分為倒裝和正裝兩種，其安裝圖如圖2和圖3所示。受機(jī)械結(jié)構(gòu)的限制，正裝式自動(dòng)消防水炮向下俯角范圍達(dá)不到90 °，存在噴水盲區(qū)，所以一般推薦采用倒裝方式，以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)消防水炮的最大保護(hù)范圍。

2 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 消防水炮控制器

自動(dòng)消防水炮控制器與消防水炮一對(duì)一配合使用，主要包括消防炮解碼器、水平電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、垂直電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開花電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和供電電源，其結(jié)構(gòu)組成如圖4所示。

作為自動(dòng)消防水炮的控制核心，自動(dòng)消防水炮解碼器控制自動(dòng)消防水炮按照要求完成一系列的動(dòng)作。本消防水炮控制器設(shè)計(jì)采用MICROCHIP公司的8位單片機(jī)PIC18F4580作為MCU，并和其他輔助外圍電路一起組成嵌入式系統(tǒng)。為增加系統(tǒng)的抗干擾能力，避免系統(tǒng)各模塊之間的互擾，系統(tǒng)主要輸出輸入接口信號(hào)均采用光電隔離處理?？刂破髋c現(xiàn)場(chǎng)手操盤之間采用RS485通信，保障現(xiàn)場(chǎng)手操盤作為消防水炮操作控制的最高優(yōu)先級(jí)；控制器與火災(zāi)監(jiān)控主機(jī)采用CAN總線通信，通信速率可高達(dá)1 Mbps，通信距離可達(dá)到10 km，傳輸電壓在5 V到24 V之間，采用差分信號(hào)傳輸，抗干擾性能好。其硬件電路設(shè)計(jì)框圖如圖5所示。

2.2 執(zhí)行器件選擇和驅(qū)動(dòng)控制

自動(dòng)水炮水平方向上和豎直方向上的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)采用直流伺服電機(jī)，輸出力矩穩(wěn)定，轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，控制精確，控制精度高，具有停止剎車功能，慣性小。本系統(tǒng)選用24 V供電的120 W直流無(wú)刷伺服電機(jī)，驅(qū)動(dòng)器選用普盛自控公司生產(chǎn)的專用驅(qū)動(dòng)器，控制器和驅(qū)動(dòng)器之間采用光電隔離。

水炮炮口直流推桿電機(jī)驅(qū)動(dòng)選用摩托羅拉公司雙高端開關(guān)器件MC33486，與外掛的兩個(gè)低端功率MOSFET構(gòu)成一個(gè)完整的H橋，圖6為其控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的電氣原理圖。芯片輸出引腳GLS1、GLS2接至外掛的兩個(gè)低端MOS管的門極，由輸入引腳IN1、IN2的邏輯狀態(tài)決定這兩個(gè)開關(guān)管的通斷，高端輸出引腳OUT1、OUT2直接用來(lái)驅(qū)動(dòng)負(fù)載電動(dòng)機(jī)。

3 噴射落水點(diǎn)校正研究

炮口噴射出水曲線校正工作由消防炮控制器完成。炮口和著火點(diǎn)成直線瞄準(zhǔn)定位，因重力等因素的影響，炮口水柱的出水曲線卻是一個(gè)類似于拋物線的形狀。以安裝高度15 m為例，在炮口出水壓力0.9 MPa的情況下，炮口出水落水點(diǎn)理論曲線和實(shí)際曲線如7所示。理論落水曲線是根據(jù)自動(dòng)消防水炮安裝高度和火焰定位后消防水炮炮口與豎直位置夾角，計(jì)算出來(lái)的自動(dòng)消防水炮到火源的地平線上的直線距離。而實(shí)際落水曲線是在相同的安裝高度下，測(cè)得的炮口與豎直方向上不同夾角的炮口出水曲線實(shí)際落水點(diǎn)。自動(dòng)消防水炮出水曲線受內(nèi)部水滴自身相互作用力、水流自身重力、空氣阻力、外部風(fēng)力等因素的影響，其受到的作用力非常復(fù)雜，炮口的出水軌跡數(shù)學(xué)建模非常困難，目前還沒(méi)有成熟可用的模型。

火源定位后，若要自動(dòng)消防水炮的落水點(diǎn)能夠準(zhǔn)確落在火源上，就需要根據(jù)火源點(diǎn)的遠(yuǎn)近即炮口與豎直方向上的夾角，進(jìn)行炮口的校正。從圖7可以看出，當(dāng)炮口與豎直方向的夾角大于40 °時(shí)，需要炮口上行一定角度進(jìn)行校正，夾角越大上行角度越大。從圖中計(jì)算出一組炮口校正數(shù)據(jù)，根據(jù)這組數(shù)據(jù)利用Matlab工具進(jìn)行最小二乘法擬合，可以得出一條擬合曲線如圖8所示。根據(jù)擬合得到的曲線得到一組校正數(shù)據(jù)，在實(shí)際中可以根據(jù)這組數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。

在實(shí)際應(yīng)用中，自動(dòng)消防水炮的出水壓力在不同的工程中有所不同，安裝高度也會(huì)有變化?？梢栽趯?shí)驗(yàn)室的條件下把不同條件下的校正曲線采用試驗(yàn)的方法得出?！豆潭ㄏ琅跍缁鹣到y(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中所規(guī)定的水利計(jì)算公式如下：

消防水炮的射程可以按照下式確定：

可以根據(jù)水利計(jì)算公式①、②確定校正曲線。

經(jīng)在室內(nèi)大空間滅火測(cè)試證明，在炮口出水壓力恒定情況下，校正后的自動(dòng)消防水炮噴射落水點(diǎn)在火源1米范圍之內(nèi)，滅火效果較好。

4 結(jié)語(yǔ)

本文闡述的自動(dòng)消防水炮驅(qū)動(dòng)控制方案及炮口噴射落水點(diǎn)校正措施已成功用于某大空間智能消防水炮滅火系統(tǒng)。經(jīng)試驗(yàn)證實(shí)，在室內(nèi)水炮供水壓力恒定條件下，自動(dòng)水炮有較好的滅火效果，但在室外受風(fēng)等不確定因素的影響，噴水“打準(zhǔn)”的效果一般，需要在這方面進(jìn)行更深入的研究。

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