CAN总线控制系统在车站消防炮智能控制中的应用

张彪 上海铁路局上海铁路枢纽工程建设指挥部

CAN总线控制系统在车站消防炮智能控制中的应用

张彪 上海铁路局上海铁路枢纽工程建设指挥部

通过介绍消防炮CAN总线控制系统的工作原理、基本结构，对消防炮CAN总线控制系统的实际应用进行探讨。

消防炮；CAN总线；控制系统

1 工作原理

1.1 消防炮CAN总线控制系统适用范围

消防炮CAN总线控制系统是新型开发的一套系统，它基于CAN现场总线，专门用于消防炮、各类阀门等的运动控制，以及与泵房和泡沫站的联动控制，包括消防炮的上下左右运动、阀门的开启关闭运动、泵的开启和停止运动等。

该系统可以同时操作两门炮的动作及相应的阀门动作，并且可以方便的切换到其他对应炮的操作，使用简单方便。

1.2 系统工作环境

消防炮和各类阀门等主要用在输油码头、油库、石化企业、机场、铁路车站等领域，环境温度为-40℃～80℃，相对湿度为≤98%（+25℃）。

系统工作电源为三相AC380V50H，控制对象的执行部件为异步交流电机。

1.3 系统组成

本系统分主控板和终端板两部分，主控板安装在控制室里面，终端板安装在现场环境（如消防炮炮架下）。

主控板与终端板之间只需通过两种电缆连接即可完成控制功能，一种是含有三根动力线的动力电缆，另一种是含有两根线的双绞线作为通信总线电缆。

相比现有的控制方式，本系统可以大大的减少电缆的使用量，预估计可以减少70%的电缆量，方便了布线工程，从而很好的减少了成本支出，提高了经济效益；并且使用中安装调试也极为方便快捷，可以很好的减少工作量，提高工作效率，加快项目的交付使用。

另外，在控制性能上，由于采用了单片机以及先进的CAN总线技术，提高了系统的集成化程度和数据处理能力，加快了控制响应速度，增强了对环境的抗干扰性能，增强了消防炮控制系统的智能化水平。

1.4CAN总线

CAN是当前最有影响力的现场总线之一，在自动化领域得到了广泛的应用。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。CAN (ControllerAreaNetwork)即控制器局域网络，属于工业现场总线的范畴。与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN总线越来越受到人们的重视。

在消防领域，火灾报警控制系统包括火灾探测器、火灾报警控制器、消防联动控制设备等，已经很好的应用了现场总线。

CAN总线主要特点可概括如下：

（1）AN为多主工作方式，网络上任一节点均可在任意时刻主动的向网络上其他节点发送信息，而不分主从。而利用RS-485只能构成主从式结构系统，通信方式也只能以主站轮询的方式进行，系统的实时性、可靠性较差。

（2）CAN通过CAN控制器接口芯片的两个输出端CANH和CANL与物理总线相连，而CANH端的状态只能是高电平或悬浮状态，CANL端只能是低电平或悬浮状态。这就保证不会出现象在RS-485网络中，当系统有错误，出现多节点同时向总线发送数据时，导致总线呈现短路，从而损坏某些节点的现象。

（3）CAN节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其他节点的操作不受影响，从而保证不会出现象在网络中，因个别节点出现问题，使得总线处于“死锁”状态。

（4）CAN具有的完善的通信协议可由CAN控制器接口芯片来实现，从而大大降低系统开发难度，缩短了开发周期。

（5）CAN的直接通信距离最远可达10km（速率在5kbps以下）；通信速率最高可达1Mbps（此时通信距离最长为40 m）。

（6）CAN上的节点主要取决于总线驱动电路，目前可达110个。标准帧报文标识符有11位，而在扩展帧的报文标识符（29位）的个数几乎不受限制。

（7）CAN的通信介质可为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活。

另外，与其它现场总线比较而言，CAN总线是具有通信速率高、容易实现、且性价比高等诸多特点的一种已形成国际标准的现场总线。这些也是目前CAN总线应用于众多领域，具有强劲的市场竞争力的重要原因。

2 系统结构特征介绍

2.1 总体结构

系统分为控制室主控板、终端模块控制板两大部分，主控板与终端板间通过现场总线连接。

从系统抗干扰能力、运行稳定可靠性角度出发,系统核心控制芯片带CAN控制器的8位高性能单片机。

系统配备无线遥控接口，可无线遥控系统。系统通信为双向通信方式，主控板向终端板发送操作命令，终端板也能把一些相应的工作状态反馈回控制室。

系统可选择1个以上主控板作为系统主控系统。终端控制板可以用手操器控制本地节点的开/关。

使用时，通过与主控板相连的控制面板上的按钮操作，可以控制CAN总线的各个设备。系统总体结构图1所示。

图1 系统总体结构

图1中，无线接收器与主控板相连，安装在控制室内，用于无线遥控各控制设备。使用时，通过无线遥控器上的按钮操作来实现各设备的控制。

2.2 主控板的结构

控制室主控板上主要有以下接口：按键输入接口、指示灯输出接口、无线遥控器接口、CAN接口、数码管接口等。

其中按键输入接口、指示灯输出接口、数码管接口均与控制面板相连；CAN接口接入现场总线。

图2 控制室主控板结构

其结构如图2所示。主控板主要实现以下作用：①对各终端板进行编号；②读取控制面板按钮（包括摇杆）输入或无线按钮输入，进行终端板控制；

③接收各终端板的反馈信息；

④通过指示灯和数码管进行系统状态指示以及各终端控制设备的状态指示。

2.3 终端板的结构

终端板上主要有以下接口：外部信号输入口、控制信号输出口、手操器接口、CAN接口、地址拨码开关等。

当终端板用作消防炮或阀门的终端控制时，外部信号接入口接入各限位开关和力矩开关信号以及其他故障信号；当终端板用作联动时泵房或泡沫间的终端控制时，外部信号接入口输入泵或泡沫间的自动、运行、故障信号。

另外，控制信号输出口与可控硅模块或继电器模块连接；手操器接口接入手操器；CAN接口接入现场总线。

其结构如图3所示。

图3 终端控制板结构图

终端板主要实现以下作用：

①通过地址拨码开关，确定各终端板的编号；

②通过CAN总线接收主控信息帧，根据信息帧包含的信息驱动电机动作；

③向主控板反馈状态信息，包括故障信息、到位信息、停止信息等；

④通过手操器进行现场操作调试。

2.4 控制面板的结构及布置

控制面板是操作人员直接操作的平台，所以设计的比较简洁明了,易于操作。

控制面板上主要设置有：泡沫炮和水炮选择按钮、直流/喷雾操作按钮、炮摇杆操作按钮、阀门操作按钮、联动操作按钮及联动状态指示灯、数码管状态指示等。

控制面板的设计将系统分成多个通道，通过选择按钮对泡沫炮、水炮进行选定。选定后，可以进行该通道下面所对应的炮和阀的操作。并且可以同时操作泡沫炮通道和水炮两个通道。

2.5 主控板与终端板的连接

主控板与终端板通过CAN总线相连。

整个系统连接时，在总线的两端各接一个终端电阻。

CAN总线可选用双绞线或同轴电缆。

2.6 终端板的外部连接

终端板上与外部连接主要有：三相380V交流电、可控硅模块、继电器模块、手操器、通过CAN端口与主控板或其他终端板相连、外部输入接限位开关、力矩开关信号或泵房的自动、运行、故障信号。

2.7 手操器说明及使用

手操器专门用于现场调试。

手操器可实现简单的控制包括：“电机正转”、“电机反转”。并且带有“本机/远控”拨动选择开关。

当手操器与终端控制板正确连接后，拨动手操器上的“本机/远控，拨动开关”。如果选择“本机”即可通过手操器来控制终端板节点的动作。选择“远控”即手操器无效。

2.8 终端板的地址设置及节点配置

在CAN总线中，每个终端板都对应有一个地址号。相当于每个终端板所控制的消防炮、阀门等都对应有一个地址。可以通过终端板上的地址拨码开关设定。

对终端板的节点配置，要依据终端板的使用功能而定，包括是用于消防炮或阀门的终端控制，还是用于联动时泵房或泡沫间的终端控制。

2.9 系统状态及故障报警

控制面板上设有一个3位7段LED数码管，用于系统状态显示。

当系统发生故障时，发生故障的通道选择按钮带灯闪烁，报警蜂鸣器鸣叫，数码管显示相应故障代码。

系统每一通道以该通道的选择按钮带灯作为该通道的故障指示灯，当任一通道出现故障，其对应指示灯点亮。当按下相应的通道选择按钮时，数码管显示对应通道的故障代码。

根据故障代码分析，就可以迅速找出故障原因，解决故障。

3 系统配置

按如下步骤进行系统配置。

①分析项目中所需的泡沫炮和水炮数量以及相应的阀门数量；

②按照就近原则及对应消防炮和阀门，确定主控板和终端板数量，并分配终端板地址；

③进行终端板的节点配置，即编制终端板节点配置表，地址由拨码开关设定；

④根据确定的终端板数量及配置，对主控板程序配置进行更改并烧录；

通过上述的系统配置后，就可以明确新项目所需的主控板和终端板数量，以及所有终端板的安装位置。

这样就可以明确项目系统动力电缆和通信电缆的布线。

4 结论

消防炮CAN总线控制系统相对于目前的多线制控制系统，在安装、调试、维护管理以及成本方面都有明显的优势，对促进消防炮控制系统的技术更新是一次重要的尝试。该总线控制系统在铁路车站大空间消防炮控制系统中具有广阔的推广前景，将产生显著的社会经济效益。

责任编辑：宋飞 徐伟民
来稿时间：2014-1-15