基于CAN總線的智能電子脈沖攔魚裝置設(shè)計

王明武 楊帆 梁應(yīng)選 王楠 王鵬 周文濤

摘? 要： 針對傳統(tǒng)攔魚設(shè)施承受不住大量污物和大流量洪水沖擊、易被堵塞的問題，以及電柵攔魚大區(qū)域水面控制難、智能化程度低等缺點，研制一種新型的基于CAN總線的電子脈沖攔魚裝置。該裝置實現(xiàn)了1個主機和16個從機之間的長距離大容量數(shù)據(jù)的通信，適用于不同水域面積的攔魚需求;不同檔位的母線直流高壓可連續(xù)切換運行，電脈沖參數(shù)可實時調(diào)節(jié)，解決了傳統(tǒng)的電柵攔魚長期運行效果不佳的難題;IGBT 能快速的換向，從而避免電極氧化生銹而失效的隱患，攔魚效率高、安全可靠，比傳統(tǒng)可控硅省電65%，而且大大降低了工作過程的噪聲污染;系統(tǒng)不僅具備觸摸屏實時監(jiān)控、自動故障電話報警等功能，而且引入“互聯(lián)網(wǎng)+漁業(yè)”的新觀念，實現(xiàn)了手機或因特網(wǎng)的遠程操作。經(jīng)實際應(yīng)用表明，該新型智能攔魚裝置具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化、智能化等特點，能夠適用于各類大小水庫水域面積的攔魚作業(yè)。

關(guān)鍵詞： 電子脈沖攔魚裝置; CAN總線; 數(shù)據(jù)通信; 電路設(shè)計; 軟件程序設(shè)計; 網(wǎng)絡(luò)遠程操作

中圖分類號： TN99?34; TP273.5? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）18?0075?05

Abstract： In allusion to the shortcomings that the traditional fish screen facilities cannot withstand the impact of a large amount of sewage and flood， are easy to be blocked，? are difficult to control the water surface of the large electric fish screen area， and has low intelligent degree， a new?type intelligent electronic impulse fish screen device based on CAN bus is developed. This device has realized long?distance large?capacity data communication between one master and sixteen slave machines， which is suitable for fish blocking requirements for different water areas. The bus DC high voltage with different gears can be switched to operate continuously， and the parameters of electric impulse can be adjusted in real time， which improves the long?term poor operation effect of the traditional electric gate fish blocking device. IGBT （insulated gate bipolar transistor） can invert direction quickly to avoid the hidden danger of invalidation caused by the oxidation and rust of electrodes， with which its fish blocking efficiency is high， and it is safe and reliable. It can save 65% power? as much as the traditional device with SCR， and moreover the noise pollution during the working process is reduced greatly. The system not only has the functions of touch screen real?time monitoring， fault automatic telephone alarm and so on， but also introduces a new concept of Internet plus fishery， so that the remote operation of mobile phone or Internet network is realized. The practical applications indicate that the new?type intelligent fish screeen device has the characteristics of digitization， networking， automation and intellectualization， and can be applied to the fish screen in the various reservoir areas.

Keywords： electronic pulse fish blocking device; CAN filedbus; data communication; circuit design; software program design; network remote operation

中小型水庫發(fā)展多種經(jīng)營，對穩(wěn)定水利管理隊伍，發(fā)展水利事業(yè)具有重要意義，而發(fā)展水庫養(yǎng)殖則是開展多種經(jīng)營的主要手段之一[1?4]。為了防止溢洪道泄洪時出現(xiàn)大量魚群逃離，裝備攔魚設(shè)施是十分必要的，它的防逃效果將直接影響到水庫漁業(yè)的經(jīng)濟效益和社會效益[5?6]。傳統(tǒng)方法一般采用網(wǎng)箱和大面積隔離網(wǎng)進行防逃，洪水來時會夾雜大量的水草、樹枝、漂浮雜物，容易承受不住大量污物和大流量洪水的沖擊而被堵塞，不僅網(wǎng)破魚逃，還有可能減少泄洪過水面積，影響泄洪量，造成攔魚設(shè)備堵水損壩，甚至危及水庫安全，出現(xiàn)人身傷亡等事故現(xiàn)象[7?8]。

電柵攔魚是由脈沖電發(fā)生器、電極及導線組成，可控硅被觸發(fā)開通時，高容量的電能就向電極放電，得到連續(xù)的一定幅度、寬度的脈沖電流，從而在水中攔魚斷面上形成一定強度的不均勻電場。魚類受到刺激后將本能地向電場較弱的方向逃游，從而達到攔魚的目的。電柵攔魚具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、間距大、安裝牢固，對水利設(shè)施無危險等特點[9?11]。從根本上克服有形機械性攔魚設(shè)施的局限性，從而得到了較大范圍的應(yīng)用。

盡管如此，市面上現(xiàn)有的電柵攔魚設(shè)備仍有許多不足之處，具體的因素主要包括以下幾個方面：

1） 大區(qū)域面積攔截困難。每臺攔魚設(shè)備的控制區(qū)域極為有限，大區(qū)域水域面積需要較多攔魚設(shè)備，而各個攔魚設(shè)備之間相互獨立，不能通信和集中監(jiān)控，需要專人巡視設(shè)備。系統(tǒng)一旦出現(xiàn)故障，巡視員需要較長的時間從多個攔魚設(shè)備中找出故障，攔魚失控時間較長，較多的魚會在失控時間內(nèi)逃脫，損失較大。

2） 智能化程度低。設(shè)備工作過于單一，沒有實現(xiàn)在魚群到來時工作，無魚群時斷電節(jié)能的功能，存在效率較低、不節(jié)能、資源浪費的情況。此外，目前的攔魚設(shè)備還沒有實現(xiàn)自動故障電話報警功能，以及通過計算機或手機實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

3） 長期運行效果不佳。電柵攔魚的應(yīng)用對象是活體魚類，具有活動范圍廣、時間不定、無規(guī)律等特點，因此要求系統(tǒng)應(yīng)當具有長期運行能力，以保持對魚類不間斷監(jiān)測控制，市面上的電子脈沖攔魚裝置無法保證長時間連續(xù)穩(wěn)定的工作，電柵攔魚設(shè)備的電極負極容易生銹氧化而存在失效的隱患。

4） 設(shè)備工作過程噪聲污染?，F(xiàn)有的電柵攔魚設(shè)備工作時會發(fā)出巨大的噪聲，同時對設(shè)備維護人員也是一種傷害，電柵攔魚工作的噪聲應(yīng)符合國家環(huán)境監(jiān)測規(guī)定的要求，必須采用現(xiàn)代技術(shù)給予克服。

針對以上問題，筆者研發(fā)出一種基于CAN現(xiàn)場總線的電子脈沖智能攔魚裝置，可以有效地解決以上問題。

1? 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

攔魚裝置由電源及信號電纜、主機、多個從機等構(gòu)成，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)具體如圖1所示。主機控制器和從機控制器使用上海步科的KS105C1?16DT PLC，它們之間僅僅通過一根CAN（Controller Area Network）總線電纜即可完成一主多從連接，具有數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和自動化的特點，不僅可以大大降低電纜等工程造價，而且用戶可根據(jù)不同大小水域面積攔魚需求，靈活自由地選擇機組和從機個數(shù)。

主機產(chǎn)生的從機母線取放電的脈沖時序，并通過CANOpen協(xié)議與從機進行數(shù)據(jù)通信，用來控制不同從機的絕緣柵雙極型晶體管 （Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）分時輪流導通，導通時間為0.6～1.2 ms，放電頻率為3～12 Hz，導通時間和放電頻率均可調(diào)，從而適應(yīng)不同泄洪量、不同水質(zhì)和不同魚類的攔魚需求，克服了傳統(tǒng)的電柵攔魚設(shè)備工作較為單一的弊端。

觸摸屏與主機進行數(shù)據(jù)通信，一方面用于系統(tǒng)配置和參數(shù)設(shè)置，另一方面用于監(jiān)控攔魚設(shè)備工作狀態(tài)，界面友好、操作簡單，方便操作人員進行及時排查和維護。同時，觸摸屏帶有虛擬網(wǎng)絡(luò)計算機技術(shù) （Virtual Network Computer，VNC），系統(tǒng)利用此技術(shù)實現(xiàn)了攔魚裝置的網(wǎng)絡(luò)遠程操作。

2? 硬件電路設(shè)計

主機主要由PLC、變壓器、儲能單元、低壓設(shè)備元件等構(gòu)成， 主機PLC通過CAN總線接口和RS 232串口，分別與從機PLC、觸摸屏、SIM800C GSM模塊連接。主機電路具體如圖2所示。

主機輸入AC 220 V，一路變壓器使用不同抽頭降壓成AC 6.3 V、AC 20 V和AC 28 V并進行橋式整流，再分別通過7805穩(wěn)定芯片輸出DC 5 V供SIM800C GSM模塊使用，通過7824穩(wěn)壓芯片輸出DC 24 V供主機PLC使用，以及輸出DC 36 V供從機使用。另外一路變壓器通過抽頭降壓成交流 AC 150 V，通過兩路電容儲能單元升壓成DC 420 V和DC 600 V母線電壓并通過數(shù)顯表進行顯示，控制K1，K2繼電器可以選擇輸出不同的母線電壓，從而針對不同的泄洪量和魚群切換相應(yīng)的檔位。

從機主要由PLC、IGBT驅(qū)動板、防浪涌吸收電路板、信號接口板等構(gòu)成，具體電路如圖3所示。

從機PLC接收到時序脈沖后，生成預設(shè)周期與寬度脈沖輸送給IGBT驅(qū)動板。正向?qū)〞r，脈沖施加給BG1和BG3;負向?qū)〞r，脈沖施加給BG2和BG4，從而實現(xiàn)了IGBT橋式電路的正負換向?qū)?，利用IGBT的開關(guān)作用將母線高壓形成特殊脈沖電流作用于水域，達到在防逃區(qū)域形成一面看不見又不影響排水的刺激電網(wǎng)目的。

本裝置使用IGBT取代了傳統(tǒng)的電柵攔魚設(shè)備所用的可控硅，各電極輪流換向?qū)?，不僅功耗低、效率高、安全可靠、控制迅速，更為重要的是，可避免水下的電極長期單向使用后，負極表面容易氧化或鈣化而導致的性能不穩(wěn)定，乃至失效的安全隱患，同時還可以大大降低攔魚工作過程中的噪聲污染。為了防止IGBT關(guān)斷時瞬間的浪涌電流損壞IGBT，從機設(shè)計有可靠的防浪涌吸收保護，如圖4所示。通過電容吸收電路可以大幅減小IGBT關(guān)斷和續(xù)流二極管恢復時產(chǎn)生的尖峰電壓。經(jīng)過實測，尖峰電壓降為峰?峰值的5%以下，保護了IGBT的安全可靠工作。

信號接口板采集從機的工作頻率、驅(qū)動板和總線通信等工況參數(shù)，并通過CAN總線反饋給主機，形成完善的故障保護機制。故障信號主要分類如下：

1） 頻率故障。母線輸出的直流高壓脈沖通過信號接口板分壓至24 V時，由PLC進行頻率采集。若采集的頻率與觸摸屏設(shè)置的放電頻率不一致則進行故障報警。

2） 驅(qū)動故障。驅(qū)動板出現(xiàn)過流時輸出高電平給從機PLC，從機PLC通過信號接口板報警電路反饋給主機PLC進行報警。

3） 通信故障。當通信電纜斷線或接觸不良，以及在線從機個數(shù)與預設(shè)從機個數(shù)不符時，攔魚裝置將會產(chǎn)生總線通信故障。系統(tǒng)使用心跳技術(shù)進行判斷，具體方法為所有的從機生成周期為1 s，占空比為50%的PWM方波，若主機在規(guī)定的時間內(nèi)沒有收到某從機的心跳信號，即判斷為該從機出現(xiàn)通信故障。

3? 軟件程序設(shè)計

通過分析控制系統(tǒng)自身特點和工藝要求，所有從機時序是受主機控制的，區(qū)別僅在于從機的取放電次序時間和CAN通信地址不相同而已。因此，從機程序的程序架構(gòu)和控制算法是完全相同的，PLC程序具有模塊化特點，大大減少了程序的編寫量。

3.1? 主機時序程序

主機產(chǎn)生的從機母線取放電的脈沖順序時序，用來控制不同從機的IGBT分時輪流導通。程序流程圖如圖5所示。

主機PLC讀取觸摸屏輸入的從機個數(shù)為n（1～16）、放電頻率為f（3～12 Hz）、脈寬長度參數(shù)為τ（0.6～1.2 ms），則每個從機輪流導通的間隔時間t=[1nτ]，并將t賦予SMD12，啟動定時中斷0。定時時間到后產(chǎn)生中斷，調(diào)用sequence時序子程序，復位上一從機控制位，并置位下一從機控制位，通道值個數(shù)加1;若通道個數(shù)大于從機個數(shù)，主機復位最后一個從機的控制位，置位第一個子機的輸出位，通道值個數(shù)清零，提前跳出循環(huán)，從頭重復定時輸出過程。主機通過CAN總線將控制位實時地傳送給各個子機，子機接收到控制位后，產(chǎn)生PWM方波，輪流換向?qū)ǚ烹姟?/p>

3.2? CAN總線通信程序

系統(tǒng)通信使用CANOpen協(xié)議。通信對象標識符COB?ID的前10個，即181?18A，201?20A…依次類推，這些ID已被其他內(nèi)部資源占用，因此留給用戶使用的標識符只能從18B，20B開始。主、從站的不同通道均有唯一的地址，各從機用上述的唯一地址進行讀寫。

對于時序控制位等實時性要求高的數(shù)據(jù)，主機使用高優(yōu)先級的20BH～21AH地址發(fā)送給各從機。對于觸摸屏上電初始化設(shè)置的從站個數(shù)、放電頻率、脈寬等參數(shù)，以及從站遠程啟動/停止信號，主機則使用低優(yōu)先級的COB_ID進行通信，即通過30BH～31AH地址發(fā)送觸摸屏初始化參數(shù)給各從機，通過40BH～41AH地址發(fā)送遠程啟動/停止信號給各從機。類似地，從機分別使用18B～19A，28B～29A發(fā)送狀態(tài)信息，以及采樣頻率給主機。通過優(yōu)先級調(diào)度的做法旨在根據(jù)從機個數(shù)、任務(wù)緊急程度、通信速率、報文數(shù)量和總線負荷之間達到最優(yōu)化調(diào)度，從而滿足系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。

3.3? 自動故障電話報警程序

系統(tǒng)具有完善的自動故障電話報警功能。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，主機PLC通過內(nèi)置有一張SIM電話卡的SIM800C GSM/GPRS模塊進行報警。自動故障電話報警流程如圖6所示。

主機PLC通過串口SIM800C進行連接，XMT指令用于發(fā)送存放具體的故障信息，RCV指令用于接收SIM800C反饋回來的狀態(tài)數(shù)據(jù)。主機PLC上電，首先發(fā)送AT指令給SIM800C模塊，若返回OK，則說明SIM800C模塊初始化成功，否則進行通信模塊不成功報警。初始化成功后，進行文本模式、文本參數(shù)模式、中英文模式等設(shè)置。

觸摸屏上可預設(shè)有2個手機號碼。當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，PLC發(fā)送指令給SIM800C撥打第1個手機，若第1個手機接通或掛斷，PLC會接收到“BUSY”參數(shù)，即代表用戶已接收到電話報警，PLC發(fā)送短信給第1個手機報告具體的錯誤代碼，報警操作結(jié)束。如果第1個手機持續(xù)3次無接通，即代表用戶沒有接到報警電話，則按照上述步驟撥打電話和發(fā)短息給第2個手機。如果第2個手機也持續(xù)3次無接通，間隔5 min后重復上述過程，直到用戶接收到報警電話和短信。

操作人員接收短信后，無需巡查即可足不出戶而及時準確地獲知故障位置與類型，從而迅速排查故障，避免長時間大量魚跑了，最大限度減少用戶損失，實現(xiàn)無人值守在水庫養(yǎng)殖業(yè)上的應(yīng)用。

3.4? 組態(tài)監(jiān)控設(shè)計

觸摸屏監(jiān)控系統(tǒng)以圖文并茂的人機界面形式顯示了攔魚裝置運行狀態(tài)和各種狀態(tài)信息，把所需要的狀態(tài)數(shù)據(jù)，以及其他相關(guān)控制系統(tǒng)的參數(shù)在觸摸屏上進行顯示。主窗口如圖7所示。

參數(shù)設(shè)置界面能夠控制攔魚裝置、從機電源的啟停，以及對攔魚裝置的從機個數(shù)、放電頻率、長寬度、故障電話號碼、VNC工作模式及密碼等參數(shù)進行逐一設(shè)定，從而參與控制、調(diào)整攔魚裝置工作參數(shù)。除此之外，觸摸屏還有用戶權(quán)限設(shè)置、從站遠程啟停、從機故障報警顯示等界面。

系統(tǒng)利用觸摸屏的虛擬網(wǎng)絡(luò)計算機技術(shù)，借助于因特網(wǎng)將屏幕畫面實時地傳送到個人電腦或手機上，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)遠程操作，用戶可實時地掌握攔魚裝置的工況狀態(tài)，減少巡視人員的工作量，實現(xiàn)“互聯(lián)網(wǎng)+漁業(yè)”的設(shè)計思想。手機監(jiān)控界面如圖8所示。用戶通過按鈕，即可實驗控制VNC的開啟、屏蔽用戶操作（只允許查看不允許操作）、操作密碼使能、查詢密碼使能等功能。

4? 整機參數(shù)與實際應(yīng)用

該電子脈沖攔魚整機裝置可安裝在水庫、池塘、湖泊、水電站、河道口、溢洪道口。圖9所示為電子脈沖攔魚裝置施工示意圖。

混凝土立柱尖端跨距每10 m承受1 t拉力，主副繩高差按攔寬的6%計算。1，2，3出線為25 m2防氧化絕緣鋁導向，電極入水后其相互之間的阻值應(yīng)在0.5～300 Ω范圍內(nèi)，鋼管與鋼索，導線與鋼索的絕緣電阻大于50 MΩ/1 000 V，鋼索垂度小于0.5 m，所有鋼鐵件表面均做鍍鋅防銹處理。

該新型智能電子脈沖攔魚裝置已在多處水庫投入攔魚運行，如圖10所示。經(jīng)應(yīng)用實踐和用戶反饋情況表明，該攔魚裝置具有柔性自動化與智能化功能，克服了市面上現(xiàn)有電柵攔魚設(shè)備存在的各種弊端，極大地提升了攔魚設(shè)備的性能，可大大提高水庫的養(yǎng)魚經(jīng)濟效益。

5? 結(jié)? 語

該新型電子脈沖攔魚裝置使用IGBT 取代了可控硅，不同檔位的母線直流高壓可快速連續(xù)換向切換，并且具有完善的防浪涌電路保護，不僅避免了電極氧化生銹而喪失攔魚功能的隱患，而且噪聲小、效率高、攔魚效果好、安全可靠?？刂葡到y(tǒng)基于CAN總線實現(xiàn)了一主多從、長距離、大容量數(shù)據(jù)的通信，能夠適用于各類大小水庫水域面積的攔魚需求，具有工程造價低廉、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、自動化的特點。該攔魚裝置還具備觸摸屏實時監(jiān)控、自動故障電話報警及網(wǎng)絡(luò)遠程操作等功能，大大減少了用戶的巡檢工作量，實現(xiàn)了無人值守，并且為大型水庫養(yǎng)魚提供了先進有效的防逃技術(shù)手段，體現(xiàn)出了“互聯(lián)網(wǎng)+”在漁業(yè)上的應(yīng)用。

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