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消防炮炮座现场电控系统研制

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消防炮炮座现场电控系统研制

发布日期:2019-11-25 00:00 来源:http://jinlx.cn 点击:

 火灾指的是在空间层面和时间层面上因失控的物体燃烧而造成的包括物质损失﹑人员伤害在内的灾害。在大空间建筑物,例如车间﹑库房等内,火灾的发生会对国家人民生命财产安全带来极大的危害。针对大空间和多样的工业环境设计了消防炮现场电控系统。


  1、消防炮炮座系统总体设计


  智能消防炮整体主要包括前端采集部分(火灾探测器)﹑信息处理部分(中心控制主机)和消防炮联动三个部分。根据需要监测空间大小和监测空间内易燃物的类型选择不同的火灾探测器,系统工作时火灾探测器收集到相关的现场数据,并且根据对应的规则识别早期火灾并对其定位,定位后由现场控制人员或者系统本身自动启动灭火流程。联动的消防炮在接收到中心控制主机传输的灭火指令后,按照要求的角度尽可能快速的定位并开启灭火水枪阀门执行灭火。此时火灾探测器在中心控制主机控制下检测灭火地点,发现火灾已熄灭后发出停止射流指令,消防水炮归位,后续若再发现火灾复燃再次启动。智能消防炮现场电控系统主要是实现两路电机的精确定位和射流开关的打开关闭。在控制水平旋转电机和垂直旋转电机的同时还要有光电隔离电路,过流检测保护电路和电机限位开关输入信号处理。射流开关的控制电磁阀和直流电机一样需要对应驱动电路。为了满足现场使用还需要配备数据接口,包括接收需求角度信息的RS485通讯接口和有线现场控制手柄。


  电控系统工作过程:中心控制主机发送消防炮所需要瞄准的水平角度和垂直角度,以及需要的射流压力,电控系统的处理器在接收到数据后立即驱动两路电机做出响应,每路电机对应的码盘实时检测旋转角度,精准控制直流电机的定位角度。在达到需要的角度后,启动声光报警同时对压力传感器传输回来的数据进行比对,核实后打开电磁阀进行射流灭火,灭火动作完成后电机归位。


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  2、系统硬件设计


  2.1 微处理器模块设计


  微处理器在工业控制系统处于核心的地位,其性能对现场电控系统的工作能力起着决定性的作用,因此也会影响整个消防炮现场电控系统的运行效果。


  STM32系列单片机与之前常用的51单片机﹑AVR等相比,具有更高的性能﹑更低的功耗,并且在开发使用方面更加的方便快捷,缩短开发周期,经济性上面来说一些基于ARM Cortex M的芯片价格甚至可低至10元人民币左右。


  意法半导体公司(ST)推出的STM32F103C8T6微控制器便是一款基于Cortex-M3内核的微处理器。该芯片具有杰出的功耗控制以及众多的外设,最重要的是其性价比。片内FLASH为64K,SRAM为20K;片内双RC晶振,提供8M和32K的频率;支持片外高速晶振(8M)和片外低速晶振(32K);支持JTAG﹑SWD调试;多个GPIOS,3个通用定时器,1个高级定时器,2路SPI接口,2路I2C接口,3路USART接口,1个USB从设备接口,1个CAN接口;内置1个12位的ADC转换器(16通道)﹑DMA控制器﹑独立看门狗和窗口看门狗。此款芯片功能强大,完全满足了我们对仪器设计的要求。


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  2.2 炮体转动(直流电机)驱动


  系统设计采用H桥电路来控制直流电机的正反转。H桥式电机驱动电路包括2个NPN型三极管﹑2个PNP型三极管和一个被控制电机。成对的改变电路中四个三极管的导通关闭状态,从而控制进入直流动电机的电流方向,由此也就可以实现直流电动机的正反转。系统要达到控制直流电机的转速和定位的目的,还需要高频的PWM开关变换器,为了确保整个直流电机H桥驱动电路能稳定地工作在快速的PWM信号控制开关状态下,电路中需要给出可以确保稳定工作的栅极驱动电路。


  MC33152是一款专门设计在低电流数字电路和功率MOSFET之前用于连接的单片双MOSFET转换高速集成驱动器芯片。MC33152具有两个大电流输出通道,完全适用于驱动功率MOSFET,且其具有低输入电流,和晶体管-晶体管逻辑(TTL)和互补型金属氧化物半导体(CMOS)电路相容。


  电机驱动电路中的电容为防止电机产生的尖脉冲,二极管为了防止电机停止供电产生的反向大电流对驱动产生破坏,两种器件都用在此处。


  2.3 电机过流保护和防堵转保护


  系统选用的直流电机正常工作的额定电流为3A,空转电流为0.15A,为了防止长时间过大的电流对电机本身造成损坏或者对驱动电路造成影响,需要保证电机电流不能超过允许的条件,因此必须在电机控制设计时加入过流保护电路。


  在电机发生了堵转现象的时候也会使电机的电流升高,此时也需要检测电路识别出堵转现象并执行堵转保护。


  在直流电机的驱动电路加入一个小电阻RS1作为电机工作的取样电阻,电机工作电流经过RS1取样电阻会产生压降,因为选择取样电阻值都比较小,因此产生的压降也比较小,需要进过运算放大器放大之后才能进入电压比较器来确定电流值是否超过预设的阈值。


  3、系统软件设计


  系统在软件控制设计上面采用模块化的设计,将实现每一个功能的程序作为一个模块来执行,每一个模块程序单独分别编写﹑编译和调试,可以降低程序编写和维护的复杂程度,有利于程序执行的稳定程度,同时也可以使处理器更容易执行,缩短处理器工作的时间。如在后续有更多的功能要加入也容易进行后续的开发,必要时可对相应影响模块进行修改,而不需要全部重新编写。


  针对消防炮可以应用的多种恶劣工业环境进行了检测,包括高温﹑低温﹑恒定湿热﹑绝缘电阻﹑介电强度﹑电压波动适应能力及抗振动性能七项,并且结合机械部分进行灭火试验。实验表明智能消防炮现场电控系统工作稳定可靠,定位准确快速,符合国标要求且表现良好,可应用于大型建筑物内的固定消防系统。

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