張彪 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

CAN總線控制系統(tǒng)在車站消防炮智能控制中的應(yīng)用

張彪 上海鐵路局上海鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部

通過介紹消防炮CAN總線控制系統(tǒng)的工作原理、基本結(jié)構(gòu)，對消防炮CAN總線控制系統(tǒng)的實際應(yīng)用進行探討。

消防炮；CAN總線；控制系統(tǒng)

1 工作原理

1.1 消防炮CAN總線控制系統(tǒng)適用范圍

消防炮CAN總線控制系統(tǒng)是新型開發(fā)的一套系統(tǒng)，它基于CAN現(xiàn)場總線，專門用于消防炮、各類閥門等的運動控制，以及與泵房和泡沫站的聯(lián)動控制，包括消防炮的上下左右運動、閥門的開啟關(guān)閉運動、泵的開啟和停止運動等。

該系統(tǒng)可以同時操作兩門炮的動作及相應(yīng)的閥門動作，并且可以方便的切換到其他對應(yīng)炮的操作，使用簡單方便。

1.2 系統(tǒng)工作環(huán)境

消防炮和各類閥門等主要用在輸油碼頭、油庫、石化企業(yè)、機場、鐵路車站等領(lǐng)域，環(huán)境溫度為-40℃～80℃，相對濕度為≤98%（+25℃）。

系統(tǒng)工作電源為三相AC380V50H，控制對象的執(zhí)行部件為異步交流電機。

1.3 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)分主控板和終端板兩部分，主控板安裝在控制室里面，終端板安裝在現(xiàn)場環(huán)境（如消防炮炮架下）。

主控板與終端板之間只需通過兩種電纜連接即可完成控制功能，一種是含有三根動力線的動力電纜，另一種是含有兩根線的雙絞線作為通信總線電纜。

相比現(xiàn)有的控制方式，本系統(tǒng)可以大大的減少電纜的使用量，預(yù)估計可以減少70%的電纜量，方便了布線工程，從而很好的減少了成本支出，提高了經(jīng)濟效益；并且使用中安裝調(diào)試也極為方便快捷，可以很好的減少工作量，提高工作效率，加快項目的交付使用。

另外，在控制性能上，由于采用了單片機以及先進的CAN總線技術(shù)，提高了系統(tǒng)的集成化程度和數(shù)據(jù)處理能力，加快了控制響應(yīng)速度，增強了對環(huán)境的抗干擾性能，增強了消防炮控制系統(tǒng)的智能化水平。

1.4CAN總線

CAN是當(dāng)前最有影響力的現(xiàn)場總線之一，在自動化領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強有力的技術(shù)支持。CAN (ControllerAreaNetwork)即控制器局域網(wǎng)絡(luò)，屬于工業(yè)現(xiàn)場總線的范疇。與一般的通信總線相比，CAN總線的數(shù)據(jù)通信具有突出的可靠性、實時性和靈活性。由于其良好的性能及獨特的設(shè)計，CAN總線越來越受到人們的重視。

在消防領(lǐng)域，火災(zāi)報警控制系統(tǒng)包括火災(zāi)探測器、火災(zāi)報警控制器、消防聯(lián)動控制設(shè)備等，已經(jīng)很好的應(yīng)用了現(xiàn)場總線。

CAN總線主要特點可概括如下：

（1）AN為多主工作方式，網(wǎng)絡(luò)上任一節(jié)點均可在任意時刻主動的向網(wǎng)絡(luò)上其他節(jié)點發(fā)送信息，而不分主從。而利用RS-485只能構(gòu)成主從式結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，通信方式也只能以主站輪詢的方式進行，系統(tǒng)的實時性、可靠性較差。

（2）CAN通過CAN控制器接口芯片的兩個輸出端CANH和CANL與物理總線相連，而CANH端的狀態(tài)只能是高電平或懸浮狀態(tài)，CANL端只能是低電平或懸浮狀態(tài)。這就保證不會出現(xiàn)象在RS-485網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)系統(tǒng)有錯誤，出現(xiàn)多節(jié)點同時向總線發(fā)送數(shù)據(jù)時，導(dǎo)致總線呈現(xiàn)短路，從而損壞某些節(jié)點的現(xiàn)象。

（3）CAN節(jié)點在錯誤嚴重的情況下具有自動關(guān)閉輸出功能，以使總線上其他節(jié)點的操作不受影響，從而保證不會出現(xiàn)象在網(wǎng)絡(luò)中，因個別節(jié)點出現(xiàn)問題，使得總線處于“死鎖”狀態(tài)。

（4）CAN具有的完善的通信協(xié)議可由CAN控制器接口芯片來實現(xiàn)，從而大大降低系統(tǒng)開發(fā)難度，縮短了開發(fā)周期。

（5）CAN的直接通信距離最遠可達10km（速率在5kbps以下）；通信速率最高可達1Mbps（此時通信距離最長為40 m）。

（6）CAN上的節(jié)點主要取決于總線驅(qū)動電路，目前可達110個。標準幀報文標識符有11位，而在擴展幀的報文標識符（29位）的個數(shù)幾乎不受限制。

（7）CAN的通信介質(zhì)可為雙絞線、同軸電纜或光纖，選擇靈活。

另外，與其它現(xiàn)場總線比較而言，CAN總線是具有通信速率高、容易實現(xiàn)、且性價比高等諸多特點的一種已形成國際標準的現(xiàn)場總線。這些也是目前CAN總線應(yīng)用于眾多領(lǐng)域，具有強勁的市場競爭力的重要原因。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)特征介紹

2.1 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)分為控制室主控板、終端模塊控制板兩大部分，主控板與終端板間通過現(xiàn)場總線連接。

從系統(tǒng)抗干擾能力、運行穩(wěn)定可靠性角度出發(fā),系統(tǒng)核心控制芯片帶CAN控制器的8位高性能單片機。

系統(tǒng)配備無線遙控接口，可無線遙控系統(tǒng)。系統(tǒng)通信為雙向通信方式，主控板向終端板發(fā)送操作命令，終端板也能把一些相應(yīng)的工作狀態(tài)反饋回控制室。

系統(tǒng)可選擇1個以上主控板作為系統(tǒng)主控系統(tǒng)。終端控制板可以用手操器控制本地節(jié)點的開/關(guān)。

使用時，通過與主控板相連的控制面板上的按鈕操作，可以控制CAN總線的各個設(shè)備。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

圖1中，無線接收器與主控板相連，安裝在控制室內(nèi)，用于無線遙控各控制設(shè)備。使用時，通過無線遙控器上的按鈕操作來實現(xiàn)各設(shè)備的控制。

2.2 主控板的結(jié)構(gòu)

控制室主控板上主要有以下接口：按鍵輸入接口、指示燈輸出接口、無線遙控器接口、CAN接口、數(shù)碼管接口等。

其中按鍵輸入接口、指示燈輸出接口、數(shù)碼管接口均與控制面板相連；CAN接口接入現(xiàn)場總線。

圖2 控制室主控板結(jié)構(gòu)

其結(jié)構(gòu)如圖2所示。主控板主要實現(xiàn)以下作用：①對各終端板進行編號；②讀取控制面板按鈕（包括搖桿）輸入或無線按鈕輸入，進行終端板控制；

③接收各終端板的反饋信息；

④通過指示燈和數(shù)碼管進行系統(tǒng)狀態(tài)指示以及各終端控制設(shè)備的狀態(tài)指示。

2.3 終端板的結(jié)構(gòu)

終端板上主要有以下接口：外部信號輸入口、控制信號輸出口、手操器接口、CAN接口、地址撥碼開關(guān)等。

當(dāng)終端板用作消防炮或閥門的終端控制時，外部信號接入口接入各限位開關(guān)和力矩開關(guān)信號以及其他故障信號；當(dāng)終端板用作聯(lián)動時泵房或泡沫間的終端控制時，外部信號接入口輸入泵或泡沫間的自動、運行、故障信號。

另外，控制信號輸出口與可控硅模塊或繼電器模塊連接；手操器接口接入手操器；CAN接口接入現(xiàn)場總線。

其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 終端控制板結(jié)構(gòu)圖

終端板主要實現(xiàn)以下作用：

①通過地址撥碼開關(guān)，確定各終端板的編號；

②通過CAN總線接收主控信息幀，根據(jù)信息幀包含的信息驅(qū)動電機動作；

③向主控板反饋狀態(tài)信息，包括故障信息、到位信息、停止信息等；

④通過手操器進行現(xiàn)場操作調(diào)試。

2.4 控制面板的結(jié)構(gòu)及布置

控制面板是操作人員直接操作的平臺，所以設(shè)計的比較簡潔明了,易于操作。

控制面板上主要設(shè)置有：泡沫炮和水炮選擇按鈕、直流/噴霧操作按鈕、炮搖桿操作按鈕、閥門操作按鈕、聯(lián)動操作按鈕及聯(lián)動狀態(tài)指示燈、數(shù)碼管狀態(tài)指示等。

控制面板的設(shè)計將系統(tǒng)分成多個通道，通過選擇按鈕對泡沫炮、水炮進行選定。選定后，可以進行該通道下面所對應(yīng)的炮和閥的操作。并且可以同時操作泡沫炮通道和水炮兩個通道。

2.5 主控板與終端板的連接

主控板與終端板通過CAN總線相連。

整個系統(tǒng)連接時，在總線的兩端各接一個終端電阻。

CAN總線可選用雙絞線或同軸電纜。

2.6 終端板的外部連接

終端板上與外部連接主要有：三相380V交流電、可控硅模塊、繼電器模塊、手操器、通過CAN端口與主控板或其他終端板相連、外部輸入接限位開關(guān)、力矩開關(guān)信號或泵房的自動、運行、故障信號。

2.7 手操器說明及使用

手操器專門用于現(xiàn)場調(diào)試。

手操器可實現(xiàn)簡單的控制包括：“電機正轉(zhuǎn)”、“電機反轉(zhuǎn)”。并且?guī)в小氨緳C/遠控”撥動選擇開關(guān)。

當(dāng)手操器與終端控制板正確連接后，撥動手操器上的“本機/遠控，撥動開關(guān)”。如果選擇“本機”即可通過手操器來控制終端板節(jié)點的動作。選擇“遠控”即手操器無效。

2.8 終端板的地址設(shè)置及節(jié)點配置

在CAN總線中，每個終端板都對應(yīng)有一個地址號。相當(dāng)于每個終端板所控制的消防炮、閥門等都對應(yīng)有一個地址?？梢酝ㄟ^終端板上的地址撥碼開關(guān)設(shè)定。

對終端板的節(jié)點配置，要依據(jù)終端板的使用功能而定，包括是用于消防炮或閥門的終端控制，還是用于聯(lián)動時泵房或泡沫間的終端控制。

2.9 系統(tǒng)狀態(tài)及故障報警

控制面板上設(shè)有一個3位7段LED數(shù)碼管，用于系統(tǒng)狀態(tài)顯示。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)生故障的通道選擇按鈕帶燈閃爍，報警蜂鳴器鳴叫，數(shù)碼管顯示相應(yīng)故障代碼。

系統(tǒng)每一通道以該通道的選擇按鈕帶燈作為該通道的故障指示燈，當(dāng)任一通道出現(xiàn)故障，其對應(yīng)指示燈點亮。當(dāng)按下相應(yīng)的通道選擇按鈕時，數(shù)碼管顯示對應(yīng)通道的故障代碼。

根據(jù)故障代碼分析，就可以迅速找出故障原因，解決故障。

3 系統(tǒng)配置

按如下步驟進行系統(tǒng)配置。

①分析項目中所需的泡沫炮和水炮數(shù)量以及相應(yīng)的閥門數(shù)量；

②按照就近原則及對應(yīng)消防炮和閥門，確定主控板和終端板數(shù)量，并分配終端板地址；

③進行終端板的節(jié)點配置，即編制終端板節(jié)點配置表，地址由撥碼開關(guān)設(shè)定；

④根據(jù)確定的終端板數(shù)量及配置，對主控板程序配置進行更改并燒錄；

通過上述的系統(tǒng)配置后，就可以明確新項目所需的主控板和終端板數(shù)量，以及所有終端板的安裝位置。

這樣就可以明確項目系統(tǒng)動力電纜和通信電纜的布線。

4 結(jié)論

消防炮CAN總線控制系統(tǒng)相對于目前的多線制控制系統(tǒng)，在安裝、調(diào)試、維護管理以及成本方面都有明顯的優(yōu)勢，對促進消防炮控制系統(tǒng)的技術(shù)更新是一次重要的嘗試。該總線控制系統(tǒng)在鐵路車站大空間消防炮控制系統(tǒng)中具有廣闊的推廣前景，將產(chǎn)生顯著的社會經(jīng)濟效益。

責(zé)任編輯：宋飛 徐偉民
來稿時間：2014-1-15