自動消防水炮驅動控制及其炮口噴射落水點校正研究

摘 要：利用兩臺直流伺服電機和一臺推桿直流電機作為執行元件，設計了自動消防水炮的驅動控制方案，并對炮口噴射落水點進行了校正研究，實現了在室內供水壓力恒定條件下對著火點的準確噴射滅火。

關鍵詞：消防水炮 驅動控制 噴射曲線 自動滅火

中圖分類號：TU998.1文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）05（a）-0001-04

自動消防水炮系統是近年來我們國家消防裝備行業出現的新裝備，它可以實現火災的自動探測、自動定位和自動撲滅，該類設備的出現對于提高工礦企業及民用大空間建筑物抵御火災的能力，保護其消防安全，確保人民生命財產安全起到至關重要的作用，真正實現了“建筑消防自動化”。

自動消防水炮的主要特點是在無人職守的場所，火災探測報警后系統能夠驅動消防水炮本體做水平方向和垂直方向兩自由度的掃描運動，實現對著火點的空間定位，然后噴射水或泡沫液進行定點撲救滅火，真正做到“炮口打準、早期撲滅”的滅火目標，使火災造成的損失減少到最低水平。消防水炮的驅動控制以及炮口出水落水點的控制是能否實現“打準”滅火目標的重要決定因素，因此該文就這方面給出了設計和實施方案，應用了此方案的自動消防水炮產品較好地實現了準確噴水滅火。

1 自動消防水炮驅動控制概述

如圖1所示，本自動消防水炮通過水平方向和垂直方向上的兩個驅動電機的作用可以控制水炮噴頭實現兩自由度的轉動。機械運轉伺服機構在火焰定位器的引導下實現炮口對著火點位置的定位。其運動過程簡單敘述如下：水炮接到自動滅火指令后，啟動水平方向電機，炮管沿水平方向旋轉，遇到火源后停止，接著啟動垂直方向電機，炮管沿豎直方向旋轉，遇到火源后紅外定位結束。再經過圖像定位微調修正，最后根據炮口校正參量，自動調整炮口位置，打開水閥噴射滅火。

本文中消防炮水平轉動角度0～360 °，根據保護區域現場可以調整；垂直轉動角度0～135 °。兩方向上分別安裝霍爾零點開關，起限位保護作用。為適應近距離著火點的控制，炮口安裝直流推桿電機，能夠對出水狀態進行水柱/水霧切換。

自動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。受機械結構的限制，正裝式自動消防水炮向下俯角范圍達不到90 °，存在噴水盲區，所以一般推薦采用倒裝方式，以實現自動消防水炮的最大保護范圍。

2 驅動系統設計方案

2.1 消防水炮控制器

自動消防水炮控制器與消防水炮一對一配合使用，主要包括消防炮解碼器、水平電機驅動器、垂直電機驅動器、開花電機驅動器和供電電源，其結構組成如圖4所示。

作為自動消防水炮的控制核心，自動消防水炮解碼器控制自動消防水炮按照要求完成一系列的動作。本消防水炮控制器設計采用MICROCHIP公司的8位單片機PIC18F4580作為MCU，并和其他輔助外圍電路一起組成嵌入式系統。為增加系統的抗干擾能力，避免系統各模塊之間的互擾，系統主要輸出輸入接口信號均采用光電隔離處理。控制器與現場手操盤之間采用RS485通信，保障現場手操盤作為消防水炮操作控制的最高優先級；控制器與火災監控主機采用CAN總線通信，通信速率可高達1 Mbps，通信距離可達到10 km，傳輸電壓在5 V到24 V之間，采用差分信號傳輸，抗干擾性能好。其硬件電路設計框圖如圖5所示。

2.2 執行器件選擇和驅動控制

自動水炮水平方向上和豎直方向上的動力驅動采用直流伺服電機，輸出力矩穩定，轉動平穩，控制精確，控制精度高，具有停止剎車功能，慣性小。本系統選用24 V供電的120 W直流無刷伺服電機，驅動器選用普盛自控公司生產的專用驅動器，控制器和驅動器之間采用光電隔離。

水炮炮口直流推桿電機驅動選用摩托羅拉公司雙高端開關器件MC33486，與外掛的兩個低端功率MOSFET構成一個完整的H橋，圖6為其控制電機正反轉的電氣原理圖。芯片輸出引腳GLS1、GLS2接至外掛的兩個低端MOS管的門極，由輸入引腳IN1、IN2的邏輯狀態決定這兩個開關管的通斷，高端輸出引腳OUT1、OUT2直接用來驅動負載電動機。

3 噴射落水點校正研究

炮口噴射出水曲線校正工作由消防炮控制器完成。炮口和著火點成直線瞄準定位，因重力等因素的影響，炮口水柱的出水曲線卻是一個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，炮口出水落水點理論曲線和實際曲線如7所示。理論落水曲線是根據自動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，計算出來的自動消防水炮到火源的地平線上的直線距離。而實際落水曲線是在相同的安裝高度下，測得的炮口與豎直方向上不同夾角的炮口出水曲線實際落水點。自動消防水炮出水曲線受內部水滴自身相互作用力、水流自身重力、空氣阻力、外部風力等因素的影響，其受到的作用力非常復雜，炮口的出水軌跡數學建模非常困難，目前還沒有成熟可用的模型。

火源定位后，若要自動消防水炮的落水點能夠準確落在火源上，就需要根據火源點的遠近即炮口與豎直方向上的夾角，進行炮口的校正。從圖7可以看出，當炮口與豎直方向的夾角大于40 °時，需要炮口上行一定角度進行校正，夾角越大上行角度越大。從圖中計算出一組炮口校正數據，根據這組數據利用Matlab工具進行最小二乘法擬合，可以得出一條擬合曲線如圖8所示。根據擬合得到的曲線得到一組校正數據，在實際中可以根據這組數據進行校正。

在實際應用中，自動消防水炮的出水壓力在不同的工程中有所不同，安裝高度也會有變化。可以在實驗室的條件下把不同條件下的校正曲線采用試驗的方法得出。《固定消防炮滅火系統設計規范》中所規定的水利計算公式如下：

消防水炮的射程可以按照下式確定：

可以根據水利計算公式①、②確定校正曲線。

經在室內大空間滅火測試證明，在炮口出水壓力恒定情況下，校正后的自動消防水炮噴射落水點在火源1米范圍之內，滅火效果較好。

4 結語

本文闡述的自動消防水炮驅動控制方案及炮口噴射落水點校正措施已成功用于某大空間智能消防水炮滅火系統。經試驗證實，在室內水炮供水壓力恒定條件下，自動水炮有較好的滅火效果，但在室外受風等不確定因素的影響，噴水“打準”的效果一般，需要在這方面進行更深入的研究。

參考文獻

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