大空間智能消防炮現場電控系統研制

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

大空間智能消防炮現場電控系統研制

李瑞民 馬 強 路芳宇 潘 伏

（沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

本文論述了智能消防炮的工作原理及電控系統的工作過程，針對電控系統的智能化要求設計了系統的硬件及軟件。

智能；電控系統；設計

前言

火災指的是在空間層面和時間層面上因失控的物體燃燒而造成的包括物質損失﹑人員傷害在內的災害。在大空間建筑物，例如車間﹑庫房等內，火災的發生會對國家人民生命財產安全帶來極大的危害。針對大空間和多樣的工業環境設計了智能消防炮系統現場電控系統。

1 系統總體設計

智能消防炮整體主要包括前端采集部分（火災探測器）﹑信息處理部分（中心控制主機）和消防炮聯動三個部分。根據需要監測空間大小和監測空間內易燃物的類型選擇不同的火災探測器，系統工作時火災探測器收集到相關的現場數據，并且根據對應的規則識別早期火災并對其定位，定位后由現場控制人員或者系統本身自動啟動滅火流程。聯動的消防炮在接收到中心控制主機傳輸的滅火指令后，按照要求的角度盡可能快速的定位并開啟滅火水槍閥門執行滅火。此時火災探測器在中心控制主機控制下檢測滅火地點，發現火災已熄滅后發出停止射流指令，消防水炮歸位，后續若再發現火災復燃再次啟動。智能消防炮現場電控系統主要是實現兩路電機的精確定位和射流開關的打開關閉。在控制水平旋轉電機和垂直旋轉電機的同時還要有光電隔離電路，過流檢測保護電路和電機限位開關輸入信號處理。射流開關的控制電磁閥和直流電機一樣需要對應驅動電路。為了滿足現場使用還需要配備數據接口，包括接收需求角度信息的RS485通訊接口和有線現場控制手柄。

電控系統工作過程：中心控制主機發送消防炮所需要瞄準的水平角度和垂直角度，以及需要的射流壓力，電控系統的處理器在接收到數據后立即驅動兩路電機做出響應，每路電機對應的碼盤實時檢測旋轉角度，精準控制直流電機的定位角度。在達到需要的角度后，啟動聲光報警同時對壓力傳感器傳輸回來的數據進行比對，核實后打開電磁閥進行射流滅火，滅火動作完成后電機歸位。

2 系統硬件設計

2.1 微處理器模塊設計

微處理器在工業控制系統處于核心的地位，其性能對現場電控系統的工作能力起著決定性的作用，因此也會影響整個消防炮現場電控系統的運行效果。

STM32系列單片機與之前常用的51單片機﹑AVR等相比，具有更高的性能﹑更低的功耗，并且在開發使用方面更加的方便快捷，縮短開發周期，經濟性上面來說一些基于ARM Cortex M的芯片價格甚至可低至10元人民幣左右。

意法半導體公司（ST）推出的STM32F103C8T6微控制器便是一款基于Cortex-M3內核的微處理器。該芯片具有杰出的功耗控制以及眾多的外設，最重要的是其性價比。片內FLASH為64K，SRAM為20K；片內雙RC晶振，提供8M和32K的頻率；支持片外高速晶振（8M）和片外低速晶振（32K）；支持JTAG﹑SWD調試；多個GPIOS，3個通用定時器，1個高級定時器，2路SPI接口，2路I2C接口，3路USART接口，1個USB從設備接口，1個CAN接口；內置1個12位的ADC轉換器（16通道）﹑DMA控制器﹑獨立看門狗和窗口看門狗。此款芯片功能強大，完全滿足了我們對儀器設計的要求。

2.2 炮體轉動（直流電機）驅動

系統設計采用H橋電路來控制直流電機的正反轉。H橋式電機驅動電路包括2個NPN型三極管﹑2個PNP型三極管和一個被控制電機。成對的改變電路中四個三極管的導通關閉狀態，從而控制進入直流動電機的電流方向，由此也就可以實現直流電動機的正反轉。系統要達到控制直流電機的轉速和定位的目的，還需要高頻的PWM開關變換器，為了確保整個直流電機H橋驅動電路能穩定地工作在快速的PWM信號控制開關狀態下，電路中需要給出可以確保穩定工作的柵極驅動電路。

MC33152是一款專門設計在低電流數字電路和功率MOSFET之前用于連接的單片雙MOSFET轉換高速集成驅動器芯片。MC33152具有兩個大電流輸出通道，完全適用于驅動功率MOSFET，且其具有低輸入電流，和晶體管-晶體管邏輯（TTL）和互補型金屬氧化物半導體（CMOS）電路相容。

電機驅動電路中的電容為防止電機產生的尖脈沖，二極管為了防止電機停止供電產生的反向大電流對驅動產生破壞，兩種器件都用在此處。

2.3 電機過流保護和防堵轉保護

系統選用的直流電機正常工作的額定電流為3A，空轉電流為0.15A，為了防止長時間過大的電流對電機本身造成損壞或者對驅動電路造成影響，需要保證電機電流不能超過允許的條件，因此必須在電機控制設計時加入過流保護電路。

在電機發生了堵轉現象的時候也會使電機的電流升高，此時也需要檢測電路識別出堵轉現象并執行堵轉保護。

在直流電機的驅動電路加入一個小電阻RS1作為電機工作的取樣電阻，電機工作電流經過RS1取樣電阻會產生壓降，因為選擇取樣電阻值都比較小，因此產生的壓降也比較小，需要進過運算放大器放大之后才能進入電壓比較器來確定電流值是否超過預設的閾值。

3 系統軟件設計

系統在軟件控制設計上面采用模塊化的設計，將實現每一個功能的程序作為一個模塊來執行，每一個模塊程序單獨分別編寫﹑編譯和調試，可以降低程序編寫和維護的復雜程度，有利于程序執行的穩定程度，同時也可以使處理器更容易執行，縮短處理器工作的時間。如在后續有更多的功能要加入也容易進行后續的開發，必要時可對相應影響模塊進行修改，而不需要全部重新編寫。

結語

針對消防炮可以應用的多種惡劣工業環境進行了檢測，包括高溫﹑低溫﹑恒定濕熱﹑絕緣電阻﹑介電強度﹑電壓波動適應能力及抗振動性能七項，并且結合機械部分進行滅火試驗。實驗表明智能消防炮現場電控系統工作穩定可靠，定位準確快速，符合國標要求且表現良好，可應用于大型建筑物內的固定消防系統。

[1]閆宏.城市防火減災能力評估研究及應用[D].西安科技大學，2006.

[2]李國文，孫千軍.基于STM32 的點位運動控制器設計[J].計測技術， 2012，32（04）：38-41.

TU998.1

A