基于CAN總線的智能電子脈沖攔魚裝置設計

王明武 楊帆 梁應選 王楠 王鵬 周文濤

摘? 要： 針對傳統攔魚設施承受不住大量污物和大流量洪水沖擊、易被堵塞的問題，以及電柵攔魚大區域水面控制難、智能化程度低等缺點，研制一種新型的基于CAN總線的電子脈沖攔魚裝置。該裝置實現了1個主機和16個從機之間的長距離大容量數據的通信，適用于不同水域面積的攔魚需求;不同檔位的母線直流高壓可連續切換運行，電脈沖參數可實時調節，解決了傳統的電柵攔魚長期運行效果不佳的難題;IGBT 能快速的換向，從而避免電極氧化生銹而失效的隱患，攔魚效率高、安全可靠，比傳統可控硅省電65%，而且大大降低了工作過程的噪聲污染;系統不僅具備觸摸屏實時監控、自動故障電話報警等功能，而且引入“互聯網+漁業”的新觀念，實現了手機或因特網的遠程操作。經實際應用表明，該新型智能攔魚裝置具有數字化、網絡化、自動化、智能化等特點，能夠適用于各類大小水庫水域面積的攔魚作業。

關鍵詞： 電子脈沖攔魚裝置; CAN總線; 數據通信; 電路設計; 軟件程序設計; 網絡遠程操作

中圖分類號： TN99?34; TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）18?0075?05

Abstract： In allusion to the shortcomings that the traditional fish screen facilities cannot withstand the impact of a large amount of sewage and flood， are easy to be blocked，? are difficult to control the water surface of the large electric fish screen area， and has low intelligent degree， a new?type intelligent electronic impulse fish screen device based on CAN bus is developed. This device has realized long?distance large?capacity data communication between one master and sixteen slave machines， which is suitable for fish blocking requirements for different water areas. The bus DC high voltage with different gears can be switched to operate continuously， and the parameters of electric impulse can be adjusted in real time， which improves the long?term poor operation effect of the traditional electric gate fish blocking device. IGBT （insulated gate bipolar transistor） can invert direction quickly to avoid the hidden danger of invalidation caused by the oxidation and rust of electrodes， with which its fish blocking efficiency is high， and it is safe and reliable. It can save 65% power? as much as the traditional device with SCR， and moreover the noise pollution during the working process is reduced greatly. The system not only has the functions of touch screen real?time monitoring， fault automatic telephone alarm and so on， but also introduces a new concept of Internet plus fishery， so that the remote operation of mobile phone or Internet network is realized. The practical applications indicate that the new?type intelligent fish screeen device has the characteristics of digitization， networking， automation and intellectualization， and can be applied to the fish screen in the various reservoir areas.

Keywords： electronic pulse fish blocking device; CAN filedbus; data communication; circuit design; software program design; network remote operation

中小型水庫發展多種經營，對穩定水利管理隊伍，發展水利事業具有重要意義，而發展水庫養殖則是開展多種經營的主要手段之一[1?4]。為了防止溢洪道泄洪時出現大量魚群逃離，裝備攔魚設施是十分必要的，它的防逃效果將直接影響到水庫漁業的經濟效益和社會效益[5?6]。傳統方法一般采用網箱和大面積隔離網進行防逃，洪水來時會夾雜大量的水草、樹枝、漂浮雜物，容易承受不住大量污物和大流量洪水的沖擊而被堵塞，不僅網破魚逃，還有可能減少泄洪過水面積，影響泄洪量，造成攔魚設備堵水損壩，甚至危及水庫安全，出現人身傷亡等事故現象[7?8]。

電柵攔魚是由脈沖電發生器、電極及導線組成，可控硅被觸發開通時，高容量的電能就向電極放電，得到連續的一定幅度、寬度的脈沖電流，從而在水中攔魚斷面上形成一定強度的不均勻電場。魚類受到刺激后將本能地向電場較弱的方向逃游，從而達到攔魚的目的。電柵攔魚具有結構簡單、施工方便、間距大、安裝牢固，對水利設施無危險等特點[9?11]。從根本上克服有形機械性攔魚設施的局限性，從而得到了較大范圍的應用。

盡管如此，市面上現有的電柵攔魚設備仍有許多不足之處，具體的因素主要包括以下幾個方面：

1） 大區域面積攔截困難。每臺攔魚設備的控制區域極為有限，大區域水域面積需要較多攔魚設備，而各個攔魚設備之間相互獨立，不能通信和集中監控，需要專人巡視設備。系統一旦出現故障，巡視員需要較長的時間從多個攔魚設備中找出故障，攔魚失控時間較長，較多的魚會在失控時間內逃脫，損失較大。

2） 智能化程度低。設備工作過于單一，沒有實現在魚群到來時工作，無魚群時斷電節能的功能，存在效率較低、不節能、資源浪費的情況。此外，目前的攔魚設備還沒有實現自動故障電話報警功能，以及通過計算機或手機實現遠程監控。

3） 長期運行效果不佳。電柵攔魚的應用對象是活體魚類，具有活動范圍廣、時間不定、無規律等特點，因此要求系統應當具有長期運行能力，以保持對魚類不間斷監測控制，市面上的電子脈沖攔魚裝置無法保證長時間連續穩定的工作，電柵攔魚設備的電極負極容易生銹氧化而存在失效的隱患。

4） 設備工作過程噪聲污染。現有的電柵攔魚設備工作時會發出巨大的噪聲，同時對設備維護人員也是一種傷害，電柵攔魚工作的噪聲應符合國家環境監測規定的要求，必須采用現代技術給予克服。

針對以上問題，筆者研發出一種基于CAN現場總線的電子脈沖智能攔魚裝置，可以有效地解決以上問題。

1? 系統網絡結構

攔魚裝置由電源及信號電纜、主機、多個從機等構成，網絡結構具體如圖1所示。主機控制器和從機控制器使用上海步科的KS105C1?16DT PLC，它們之間僅僅通過一根CAN（Controller Area Network）總線電纜即可完成一主多從連接，具有數字化、網絡化和自動化的特點，不僅可以大大降低電纜等工程造價，而且用戶可根據不同大小水域面積攔魚需求，靈活自由地選擇機組和從機個數。

主機產生的從機母線取放電的脈沖時序，并通過CANOpen協議與從機進行數據通信，用來控制不同從機的絕緣柵雙極型晶體管 （Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）分時輪流導通，導通時間為0.6～1.2 ms，放電頻率為3～12 Hz，導通時間和放電頻率均可調，從而適應不同泄洪量、不同水質和不同魚類的攔魚需求，克服了傳統的電柵攔魚設備工作較為單一的弊端。

觸摸屏與主機進行數據通信，一方面用于系統配置和參數設置，另一方面用于監控攔魚設備工作狀態，界面友好、操作簡單，方便操作人員進行及時排查和維護。同時，觸摸屏帶有虛擬網絡計算機技術 （Virtual Network Computer，VNC），系統利用此技術實現了攔魚裝置的網絡遠程操作。

2? 硬件電路設計

主機主要由PLC、變壓器、儲能單元、低壓設備元件等構成， 主機PLC通過CAN總線接口和RS 232串口，分別與從機PLC、觸摸屏、SIM800C GSM模塊連接。主機電路具體如圖2所示。

主機輸入AC 220 V，一路變壓器使用不同抽頭降壓成AC 6.3 V、AC 20 V和AC 28 V并進行橋式整流，再分別通過7805穩定芯片輸出DC 5 V供SIM800C GSM模塊使用，通過7824穩壓芯片輸出DC 24 V供主機PLC使用，以及輸出DC 36 V供從機使用。另外一路變壓器通過抽頭降壓成交流 AC 150 V，通過兩路電容儲能單元升壓成DC 420 V和DC 600 V母線電壓并通過數顯表進行顯示，控制K1，K2繼電器可以選擇輸出不同的母線電壓，從而針對不同的泄洪量和魚群切換相應的檔位。

從機主要由PLC、IGBT驅動板、防浪涌吸收電路板、信號接口板等構成，具體電路如圖3所示。

從機PLC接收到時序脈沖后，生成預設周期與寬度脈沖輸送給IGBT驅動板。正向導通時，脈沖施加給BG1和BG3;負向導通時，脈沖施加給BG2和BG4，從而實現了IGBT橋式電路的正負換向導通，利用IGBT的開關作用將母線高壓形成特殊脈沖電流作用于水域，達到在防逃區域形成一面看不見又不影響排水的刺激電網目的。

本裝置使用IGBT取代了傳統的電柵攔魚設備所用的可控硅，各電極輪流換向導通，不僅功耗低、效率高、安全可靠、控制迅速，更為重要的是，可避免水下的電極長期單向使用后，負極表面容易氧化或鈣化而導致的性能不穩定，乃至失效的安全隱患，同時還可以大大降低攔魚工作過程中的噪聲污染。為了防止IGBT關斷時瞬間的浪涌電流損壞IGBT，從機設計有可靠的防浪涌吸收保護，如圖4所示。通過電容吸收電路可以大幅減小IGBT關斷和續流二極管恢復時產生的尖峰電壓。經過實測，尖峰電壓降為峰?峰值的5%以下，保護了IGBT的安全可靠工作。

信號接口板采集從機的工作頻率、驅動板和總線通信等工況參數，并通過CAN總線反饋給主機，形成完善的故障保護機制。故障信號主要分類如下：

1） 頻率故障。母線輸出的直流高壓脈沖通過信號接口板分壓至24 V時，由PLC進行頻率采集。若采集的頻率與觸摸屏設置的放電頻率不一致則進行故障報警。

2） 驅動故障。驅動板出現過流時輸出高電平給從機PLC，從機PLC通過信號接口板報警電路反饋給主機PLC進行報警。

3） 通信故障。當通信電纜斷線或接觸不良，以及在線從機個數與預設從機個數不符時，攔魚裝置將會產生總線通信故障。系統使用心跳技術進行判斷，具體方法為所有的從機生成周期為1 s，占空比為50%的PWM方波，若主機在規定的時間內沒有收到某從機的心跳信號，即判斷為該從機出現通信故障。

3? 軟件程序設計

通過分析控制系統自身特點和工藝要求，所有從機時序是受主機控制的，區別僅在于從機的取放電次序時間和CAN通信地址不相同而已。因此，從機程序的程序架構和控制算法是完全相同的，PLC程序具有模塊化特點，大大減少了程序的編寫量。

3.1? 主機時序程序

主機產生的從機母線取放電的脈沖順序時序，用來控制不同從機的IGBT分時輪流導通。程序流程圖如圖5所示。

主機PLC讀取觸摸屏輸入的從機個數為n（1～16）、放電頻率為f（3～12 Hz）、脈寬長度參數為τ（0.6～1.2 ms），則每個從機輪流導通的間隔時間t=[1nτ]，并將t賦予SMD12，啟動定時中斷0。定時時間到后產生中斷，調用sequence時序子程序，復位上一從機控制位，并置位下一從機控制位，通道值個數加1;若通道個數大于從機個數，主機復位最后一個從機的控制位，置位第一個子機的輸出位，通道值個數清零，提前跳出循環，從頭重復定時輸出過程。主機通過CAN總線將控制位實時地傳送給各個子機，子機接收到控制位后，產生PWM方波，輪流換向導通放電。

3.2? CAN總線通信程序

系統通信使用CANOpen協議。通信對象標識符COB?ID的前10個，即181?18A，201?20A…依次類推，這些ID已被其他內部資源占用，因此留給用戶使用的標識符只能從18B，20B開始。主、從站的不同通道均有唯一的地址，各從機用上述的唯一地址進行讀寫。

對于時序控制位等實時性要求高的數據，主機使用高優先級的20BH～21AH地址發送給各從機。對于觸摸屏上電初始化設置的從站個數、放電頻率、脈寬等參數，以及從站遠程啟動/停止信號，主機則使用低優先級的COB_ID進行通信，即通過30BH～31AH地址發送觸摸屏初始化參數給各從機，通過40BH～41AH地址發送遠程啟動/停止信號給各從機。類似地，從機分別使用18B～19A，28B～29A發送狀態信息，以及采樣頻率給主機。通過優先級調度的做法旨在根據從機個數、任務緊急程度、通信速率、報文數量和總線負荷之間達到最優化調度，從而滿足系統的可靠性和穩定性。

3.3? 自動故障電話報警程序

系統具有完善的自動故障電話報警功能。當系統出現故障時，主機PLC通過內置有一張SIM電話卡的SIM800C GSM/GPRS模塊進行報警。自動故障電話報警流程如圖6所示。

主機PLC通過串口SIM800C進行連接，XMT指令用于發送存放具體的故障信息，RCV指令用于接收SIM800C反饋回來的狀態數據。主機PLC上電，首先發送AT指令給SIM800C模塊，若返回OK，則說明SIM800C模塊初始化成功，否則進行通信模塊不成功報警。初始化成功后，進行文本模式、文本參數模式、中英文模式等設置。

觸摸屏上可預設有2個手機號碼。當系統出現故障時，PLC發送指令給SIM800C撥打第1個手機，若第1個手機接通或掛斷，PLC會接收到“BUSY”參數，即代表用戶已接收到電話報警，PLC發送短信給第1個手機報告具體的錯誤代碼，報警操作結束。如果第1個手機持續3次無接通，即代表用戶沒有接到報警電話，則按照上述步驟撥打電話和發短息給第2個手機。如果第2個手機也持續3次無接通，間隔5 min后重復上述過程，直到用戶接收到報警電話和短信。

操作人員接收短信后，無需巡查即可足不出戶而及時準確地獲知故障位置與類型，從而迅速排查故障，避免長時間大量魚跑了，最大限度減少用戶損失，實現無人值守在水庫養殖業上的應用。

3.4? 組態監控設計

觸摸屏監控系統以圖文并茂的人機界面形式顯示了攔魚裝置運行狀態和各種狀態信息，把所需要的狀態數據，以及其他相關控制系統的參數在觸摸屏上進行顯示。主窗口如圖7所示。

參數設置界面能夠控制攔魚裝置、從機電源的啟停，以及對攔魚裝置的從機個數、放電頻率、長寬度、故障電話號碼、VNC工作模式及密碼等參數進行逐一設定，從而參與控制、調整攔魚裝置工作參數。除此之外，觸摸屏還有用戶權限設置、從站遠程啟停、從機故障報警顯示等界面。

系統利用觸摸屏的虛擬網絡計算機技術，借助于因特網將屏幕畫面實時地傳送到個人電腦或手機上，從而實現了網絡遠程操作，用戶可實時地掌握攔魚裝置的工況狀態，減少巡視人員的工作量，實現“互聯網+漁業”的設計思想。手機監控界面如圖8所示。用戶通過按鈕，即可實驗控制VNC的開啟、屏蔽用戶操作（只允許查看不允許操作）、操作密碼使能、查詢密碼使能等功能。

4? 整機參數與實際應用

該電子脈沖攔魚整機裝置可安裝在水庫、池塘、湖泊、水電站、河道口、溢洪道口。圖9所示為電子脈沖攔魚裝置施工示意圖。

混凝土立柱尖端跨距每10 m承受1 t拉力，主副繩高差按攔寬的6%計算。1，2，3出線為25 m2防氧化絕緣鋁導向，電極入水后其相互之間的阻值應在0.5～300 Ω范圍內，鋼管與鋼索，導線與鋼索的絕緣電阻大于50 MΩ/1 000 V，鋼索垂度小于0.5 m，所有鋼鐵件表面均做鍍鋅防銹處理。

該新型智能電子脈沖攔魚裝置已在多處水庫投入攔魚運行，如圖10所示。經應用實踐和用戶反饋情況表明，該攔魚裝置具有柔性自動化與智能化功能，克服了市面上現有電柵攔魚設備存在的各種弊端，極大地提升了攔魚設備的性能，可大大提高水庫的養魚經濟效益。

5? 結? 語

該新型電子脈沖攔魚裝置使用IGBT 取代了可控硅，不同檔位的母線直流高壓可快速連續換向切換，并且具有完善的防浪涌電路保護，不僅避免了電極氧化生銹而喪失攔魚功能的隱患，而且噪聲小、效率高、攔魚效果好、安全可靠。控制系統基于CAN總線實現了一主多從、長距離、大容量數據的通信，能夠適用于各類大小水庫水域面積的攔魚需求，具有工程造價低廉、數字化、網絡化、自動化的特點。該攔魚裝置還具備觸摸屏實時監控、自動故障電話報警及網絡遠程操作等功能，大大減少了用戶的巡檢工作量，實現了無人值守，并且為大型水庫養魚提供了先進有效的防逃技術手段，體現出了“互聯網+”在漁業上的應用。

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