自动消防水炮驱动控制及其炮口喷射落水点校正研究

摘 要：利用两台直流伺服电机和一台推杆直流电机作为执行元件，设计了自动消防水炮的驱动控制方案，并对炮口喷射落水点进行了校正研究，实现了在室内供水压力恒定条件下对着火点的准确喷射灭火。

关键词：消防水炮 驱动控制 喷射曲线 自动灭火

中图分类号：TU998.1 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2013）05（a）-0001-04

自动消防水炮系统是近年来我们国家消防装备行业出现的新装备，它可以实现火灾的自动探测、自动定位和自动扑灭，该类设备的出现对于提高工矿企业及民用大空间建筑物抵御火灾的能力，保护其消防安全，确保人民生命财产安全起到至关重要的作用，真正实现了“建筑消防自动化”。

自动消防水炮的主要特点是在无人职守的场所，火灾探测报警后系统能够驱动消防水炮本体做水平方向和垂直方向两自由度的扫描运动，实现对着火点的空间定位，然后喷射水或泡沫液进行定点扑救灭火，真正做到“炮口打准、早期扑灭”的灭火目标，使火灾造成的损失减少到最低水平。消防水炮的驱动控制以及炮口出水落水点的控制是能否实现“打准”灭火目标的重要决定因素，因此该文就这方面给出了设计和实施方案，应用了此方案的自动消防水炮产品较好地实现了准确喷水灭火。

1 自动消防水炮驱动控制概述

如图1所示，本自动消防水炮通过水平方向和垂直方向上的两个驱动电机的作用可以控制水炮喷头实现两自由度的转动。机械运转伺服机构在火焰定位器的引导下实现炮口对着火点位置的定位。其运动过程简单叙述如下：水炮接到自动灭火指令后，启动水平方向电机，炮管沿水平方向旋转，遇到火源后停止，接着启动垂直方向电机，炮管沿竖直方向旋转，遇到火源后红外定位结束。再经过图像定位微调修正，最后根据炮口校正参量，自动调整炮口位置，打开水阀喷射灭火。

本文中消防炮水平转动角度0～360 °，根据保护区域现场可以调整；垂直转动角度0～135 °。两方向上分别安装霍尔零点开关，起限位保护作用。为适应近距离着火点的控制，炮口安装直流推杆电机，能够对出水状态进行水柱/水雾切换。

自动消防水炮安装在消防水路末端，前面分别装有水流指示器、电磁阀和手动阀，安装方式又分为倒装和正装两种，其安装图如图2和图3所示。受机械结构的限制，正装式自动消防水炮向下俯角范围达不到90 °，存在喷水盲区，所以一般推荐采用倒装方式，以实现自动消防水炮的最大保护范围。

2 驱动系统设计方案

2.1 消防水炮控制器

自动消防水炮控制器与消防水炮一对一配合使用，主要包括消防炮解码器、水平电机驱动器、垂直电机驱动器、开花电机驱动器和供电电源，其结构组成如图4所示。

作为自动消防水炮的控制核心，自动消防水炮解码器控制自动消防水炮按照要求完成一系列的动作。本消防水炮控制器设计采用MICROCHIP公司的8位单片机PIC18F4580作为MCU，并和其他辅助电路一起组成嵌入式系统。为增加系统的抗干扰能力，避免系统各模块之间的互扰，系统主要输出输入接口信号均采用光电隔离处理。控制器与现场手操盘之间采用RS485通信，保障现场手操盘作为消防水炮操作控制的最高优先级；控制器与火灾监控主机采用CAN总线通信，通信速率可高达1 Mbps，通信距离可达到10 km，传输电压在5 V到24 V之间，采用差分信号传输，抗干扰性能好。其硬件电路设计框图如图5所示。

2.2 执行器件选择和驱动控制

自动水炮水平方向上和竖直方向上的动力驱动采用直流伺服电机，输出力矩稳定，转动平稳，控制精确，控制精度高，具有停止刹车功能，惯性小。本系统选用24 V供电的120 W直流无刷伺服电机，驱动器选用普盛自控公司生产的专用驱动器，控制器和驱动器之间采用光电隔离。

水炮炮口直流推杆电机驱动选用摩托罗拉公司双高端开关器件MC33486，与外挂的两个低端功率MOSFET构成一个完整的H桥，图6为其控制电机正反转的电气原理图。芯片输出引脚GLS1、GLS2接至外挂的两个低端MOS管的门极，由输入引脚IN1、IN2的逻辑状态决定这两个开关管的通断，高端输出引脚OUT1、OUT2直接用来驱动负载电动机。

3 喷射落水点校正研究

炮口喷射出水曲线校正工作由消防炮控制器完成。炮口和着火点成直线瞄准定位，因重力等因素的影响，炮口水柱的出水曲线却是一个类似于抛物线的形状。以安装高度15 m为例，在炮口出水压力0.9 MPa的情况下，炮口出水落水点理论曲线和实际曲线如7所示。理论落水曲线是根据自动消防水炮安装高度和火焰定位后消防水炮炮口与竖直位置夹角，计算出来的自动消防水炮到火源的地平线上的直线距离。而实际落水曲线是在相同的安装高度下，测得的炮口与竖直方向上不同夹角的炮口出水曲线实际落水点。自动消防水炮出水曲线受内部水滴自身相互作用力、水流自身重力、空气阻力、外部风力等因素的影响，其受到的作用力非常复杂，炮口的出水轨迹数学建模非常困难，目前还没有成熟可用的模型。

火源定位后，若要自动消防水炮的落水点能够准确落在火源上，就需要根据火源点的远近即炮口与竖直方向上的夹角，进行炮口的校正。从图7可以看出，当炮口与竖直方向的夹角大于40 °时，需要炮口上行一定角度进行校正，夹角越大上行角度越大。从图中计算出一组炮口校正数据，根据这组数据利用Matlab工具进行最小二乘法拟合，可以得出一条拟合曲线如图8所示。根据拟合得到的曲线得到一组校正数据，在实际中可以根据这组数据进行校正。

在实际应用中，自动消防水炮的出水压力在不同的工程中有所不同，安装高度也会有变化。可以在实验室的条件下把不同条件下的校正曲线采用试验的方法得出。《固定消防炮灭火系统设计规范》中所规定的水利计算公式如下：

消防水炮的射程可以按照下式确定：

可以根据水利计算公式①、②确定校正曲线。

经在室内大空间灭火测试证明，在炮口出水压力恒定情况下，校正后的自动消防水炮喷射落水点在火源1米范围之内，灭火效果较好。

4 结语

本文阐述的自动消防水炮驱动控制方案及炮口喷射落水点校正措施已成功用于某大空间智能消防水炮灭火系统。经试验证实，在室内水炮供水压力恒定条件下，自动水炮有较好的灭火效果，但在室外受风等不确定因素的影响，喷水“打准”的效果一般，需要在这方面进行更深入的研究。

参考文献

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