基于CAN总线的智能电子脉冲拦鱼装置设计

王明武 杨帆 梁应选 王楠 王鹏 周文涛

摘  要：
针对传统拦鱼设施承受不住大量污物和大流量洪水冲击、易被堵塞的问题，以及电栅拦鱼大区域水面控制难、智能化程度低等缺点，研制一种新型的基于CAN总线的电子脉冲拦鱼装置。该装置实现了1个主机和16个从机之间的长距离大容量数据的通信，适用于不同水域面积的拦鱼需求;不同档位的母线直流高压可连续切换运行，电脉冲参数可实时调节，解决了传统的电栅拦鱼长期运行效果不佳的难题;IGBT 能快速的换向，从而避免电极氧化生锈而失效的隐患，拦鱼效率高、安全可靠，比传统可控硅省电65%，而且大大降低了工作过程的噪声污染;系统不仅具备触摸屏实时监控、自动故障电话报警等功能，而且引入“互联网+渔业”的新观念，实现了手机或因特网的远程操作。经实际应用表明，该新型智能拦鱼装置具有数字化、网络化、自动化、智能化等特点，能够适用于各类大小水库水域面积的拦鱼作业。

关键词：
电子脉冲拦鱼装置; CAN总线; 数据通信; 电路设计; 软件程序设计; 网络远程操作

中图分类号：
TN99?34; TP273.5                 文献标识码：
A                       文章编号：
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

中小型水库发展多种经营，对稳定水利管理队伍，发展水利事业具有重要意义，而发展水库养殖则是开展多种经营的主要手段之一[1?4]。为了防止溢洪道泄洪时出现大量鱼群逃离，装备拦鱼设施是十分必要的，它的防逃效果将直接影响到水库渔业的经济效益和社会效益[5?6]。传统方法一般采用网箱和大面积隔离网进行防逃，洪水来时会夹杂大量的水草、树枝、漂浮杂物，容易承受不住大量污物和大流量洪水的冲击而被堵塞，不仅网破鱼逃，还有可能减少泄洪过水面积，影响泄洪量，造成拦鱼设备堵水损坝，甚至危及水库安全，出现人身伤亡等事故现象[7?8]。

电栅拦鱼是由脉冲电发生器、电极及导线组成，可控硅被触发开通时，高容量的电能就向电极放电，得到连续的一定幅度、宽度的脉冲电流，从而在水中拦鱼断面上形成一定强度的不均匀电场。鱼类受到刺激后将本能地向电场较弱的方向逃游，从而达到拦鱼的目的。电栅拦鱼具有结构简单、施工方便、间距大、安装牢固，对水利设施无危险等特点[9?11]。从根本上克服有形机械性拦鱼设施的局限性，从而得到了较大范围的应用。

尽管如此，市面上现有的电栅拦鱼设备仍有许多不足之处，具体的因素主要包括以下几个方面：

1） 大区域面积拦截困难。每台拦鱼设备的控制区域极为有限，大区域水域面积需要较多拦鱼设备，而各个拦鱼设备之间相互独立，不能通信和集中监控，需要专人巡视设备。系统一旦出现故障，巡视员需要较长的时间从多个拦鱼设备中找出故障，拦鱼失控时间较长，较多的鱼会在失控时间内逃脱，损失较大。

2） 智能化程度低。设备工作过于单一，没有实现在鱼群到来时工作，无鱼群时断电节能的功能，存在效率较低、不节能、资源浪费的情况。此外，目前的拦鱼设备还没有实现自动故障电话报警功能，以及通过计算机或手机实现远程监控。

3） 长期运行效果不佳。电栅拦鱼的应用对象是活体鱼类，具有活动范围广、时间不定、无规律等特点，因此要求系统应当具有长期运行能力，以保持对鱼类不间断监测控制，市面上的电子脉冲拦鱼装置无法保证长时间连续稳定的工作，电栅拦鱼设备的电极负极容易生锈氧化而存在失效的隐患。

4） 设备工作过程噪声污染。现有的电栅拦鱼设备工作时会发出巨大的噪声，同时对设备维护人员也是一种伤害，电栅拦鱼工作的噪声应符合国家环境监测规定的要求，必须采用现代技术给予克服。

针对以上问题，笔者研发出一种基于CAN现场总线的电子脉冲智能拦鱼装置，可以有效地解决以上问题。

1  系统网络结构

拦鱼装置由电源及信号电缆、主机、多个从机等构成，网络结构具体如图1所示。主机控制器和从机控制器使用上海步科的KS105C1?16DT PLC，它们之间仅仅通过一根CAN（Controller Area Network）總线电缆即可完成一主多从连接，具有数字化、网络化和自动化的特点，不仅可以大大降低电缆等工程造价，而且用户可根据不同大小水域面积拦鱼需求，灵活自由地选择机组和从机个数。

主机产生的从机母线取放电的脉冲时序，并通过CANOpen协议与从机进行数据通信，用来控制不同从机的绝缘栅双极型晶体管 （Insulated Gate Bipolar Transistor， IGBT）分时轮流导通，导通时间为0.6～1.2 ms，放电频率为3～12 Hz，导通时间和放电频率均可调，从而适应不同泄洪量、不同水质和不同鱼类的拦鱼需求，克服了传统的电栅拦鱼设备工作较为单一的弊端。

触摸屏与主机进行数据通信，一方面用于系统配置和参数设置，另一方面用于监控拦鱼设备工作状态，界面友好、操作简单，方便操作人员进行及时排查和维护。同时，触摸屏带有虚拟网络计算机技术 （Virtual Network Computer，VNC），系统利用此技术实现了拦鱼装置的网络远程操作。

2  硬件电路设计

主机主要由PLC、变压器、储能单元、低压设备元件等构成， 主机PLC通过CAN总线接口和RS 232串口，分别与从机PLC、触摸屏、SIM800C GSM模块连接。主机电路具体如图2所示。

主机输入AC 220 V，一路变压器使用不同抽头降压成AC 6.3 V、AC 20 V和AC 28 V并进行桥式整流，再分别通过7805稳定芯片输出DC 5 V供SIM800C GSM模块使用，通过7824稳压芯片输出DC 24 V供主机PLC使用，以及输出DC 36 V供从机使用。另外一路变压器通过抽头降压成交流 AC 150 V，通过两路电容储能单元升压成DC 420 V和DC 600 V母线电压并通过数显表进行显示，控制K1，K2继电器可以选择输出不同的母线电压，从而针对不同的泄洪量和鱼群切换相应的档位。

从机主要由PLC、IGBT驱动板、防浪涌吸收电路板、信号接口板等构成，具体电路如图3所示。

从机PLC接收到时序脉冲后，生成预设周期与宽度脉冲输送给IGBT驱动板。正向导通时，脉冲施加给BG1和BG3;负向导通时，脉冲施加给BG2和BG4，从而实现了IGBT桥式电路的正负换向导通，利用IGBT的开关作用将母线高压形成特殊脉冲电流作用于水域，达到在防逃区域形成一面看不见又不影响排水的刺激电网目的。

本装置使用IGBT取代了传统的电栅拦鱼设备所用的可控硅，各电极轮流换向导通，不仅功耗低、效率高、安全可靠、控制迅速，更为重要的是，可避免水下的电极长期单向使用后，负极表面容易氧化或钙化而导致的性能不稳定，乃至失效的安全隐患，同时还可以大大降低拦鱼工作过程中的噪声污染。为了防止IGBT关断时瞬间的浪涌电流损坏IGBT，从机设计有可靠的防浪涌吸收保护，如图4所示。通过电容吸收电路可以大幅减小IGBT关断和续流二极管恢复时产生的尖峰电压。经过实测，尖峰电压降为峰?峰值的5%以下，保护了IGBT的安全可靠工作。

信号接口板采集从机的工作频率、驱动板和总线通信等工况参数，并通过CAN总线反馈给主机，形成完善的故障保护机制。故障信号主要分类如下：

1） 频率故障。母线输出的直流高压脉冲通过信号接口板分压至24 V时，由PLC进行频率采集。若采集的频率与触摸屏设置的放电频率不一致则进行故障报警。

2） 驱动故障。驱动板出现过流时输出高电平给从机PLC，从机PLC通过信号接口板报警电路反馈给主机PLC进行报警。

3） 通信故障。当通信电缆断线或接触不良，以及在线从机个数与预设从机个数不符时，拦鱼装置将会产生总线通信故障。系统使用心跳技术进行判断，具体方法为所有的从机生成周期为1 s，占空比为50%的PWM方波，若主机在规定的时间内没有收到某从机的心跳信号，即判断为该从机出现通信故障。

3  软件程序设计

通过分析控制系统自身特点和工艺要求，所有从机时序是受主机控制的，区别仅在于从机的取放电次序时间和CAN通信地址不相同而已。因此，从机程序的程序架构和控制算法是完全相同的，PLC程序具有模块化特点，大大减少了程序的编写量。

3.1  主机时序程序

主机产生的从机母线取放电的脉冲顺序时序，用来控制不同从机的IGBT分时轮流导通。程序流程图如图5所示。

主机PLC读取触摸屏输入的从机个数为n（1～16）、放电频率为f（3～12 Hz）、脉宽长度参数为τ（0.6～1.2 ms），则每个从机轮流导通的间隔时间t=[1nτ]，并将t赋予SMD12，启动定时中断0。定时时间到后产生中断，调用sequence时序子程序，复位上一从机控制位，并置位下一从机控制位，通道值个数加1;若通道个数大于从机个数，主机复位最后一个从机的控制位，置位第一个子机的输出位，通道值个数清零，提前跳出循环，从头重复定时输出过程。主机通过CAN总线将控制位实时地传送给各个子机，子机接收到控制位后，产生PWM方波，轮流换向导通放电。

3.2  CAN总线通信程序

系统通信使用CANOpen协议。通信对象标识符COB?ID的前10个，即181?18A，201?20A…依次类推，这些ID已被其他内部资源占用，因此留给用户使用的标识符只能从18B，20B开始。主、从站的不同通道均有唯一的地址，各从机用上述的唯一地址进行读写。

对于时序控制位等实时性要求高的数据，主机使用高优先级的20BH～21AH地址发送给各从机。对于触摸屏上电初始化设置的从站个数、放电频率、脉宽等参数，以及从站远程启动/停止信号，主机则使用低优先级的COB_ID进行通信，即通过30BH～31AH地址发送触摸屏初始化参数给各从机，通过40BH～41AH地址发送远程启动/停止信号给各从机。类似地，从机分别使用18B～19A，28B～29A发送状态信息，以及采样频率给主机。通过优先级调度的做法旨在根据从机个数、任务紧急程度、通信速率、报文数量和总线负荷之间达到最优化调度，从而满足系统的可靠性和稳定性。

3.3  自动故障电话报警程序

系统具有完善的自动故障电话报警功能。当系统出现故障时，主机PLC通过内置有一张SIM电话卡的SIM800C GSM/GPRS模块进行报警。自动故障电话报警流程如图6所示。

主机PLC通过串口SIM800C进行连接，XMT指令用于发送存放具体的故障信息，RCV指令用于接收SIM800C反馈回来的状态数据。主机PLC上电，首先发送AT指令给SIM800C模块，若返回OK，则说明SIM800C模块初始化成功，否则进行通信模块不成功报警。初始化成功后，进行文本模式、文本参数模式、中英文模式等设置。

触摸屏上可预设有2个手机号码。当系统出现故障时，PLC发送指令给SIM800C拨打第1个手机，若第1个手机接通或挂断，PLC会接收到“BUSY”参数，即代表用户已接收到电话报警，PLC发送短信给第1个手机报告具体的错误代码，报警操作结束。如果第1个手机持续3次无接通，即代表用户没有接到报警电话，则按照上述步骤拨打电话和发短息给第2个手机。如果第2个手机也持续3次无接通，间隔5 min后重复上述过程，直到用户接收到报警电话和短信。

操作人员接收短信后，无需巡查即可足不出户而及时准确地获知故障位置与类型，从而迅速排查故障，避免长时间大量鱼跑了，最大限度减少用户损失，实现无人值守在水库养殖业上的应用。

3.4  组态监控设计

触摸屏监控系统以图文并茂的人机界面形式显示了拦鱼装置运行状态和各种状态信息，把所需要的状态数据，以及其他相关控制系统的参数在触摸屏上进行显示。主窗口如图7所示。

参数设置界面能够控制拦鱼装置、从机电源的启停，以及对拦鱼装置的从机个数、放电频率、长宽度、故障电话号码、VNC工作模式及密码等参数进行逐一设定，从而参与控制、调整拦鱼装置工作参数。除此之外，触摸屏还有用户权限设置、从站远程啟停、从机故障报警显示等界面。

系统利用触摸屏的虚拟网络计算机技术，借助于因特网将屏幕画面实时地传送到个人电脑或手机上，从而实现了网络远程操作，用户可实时地掌握拦鱼装置的工况状态，减少巡视人员的工作量，实现“互联网+渔业”的设计思想。手机监控界面如图8所示。用户通过按钮，即可实验控制VNC的开启、屏蔽用户操作（只允许查看不允许操作）、操作密码使能、查询密码使能等功能。

4  整机参数与实际应用

该电子脉冲拦鱼整机装置可安装在水库、池塘、湖泊、水电站、河道口、溢洪道口。图9所示为电子脉冲拦鱼装置施工示意图。

混凝土立柱尖端跨距每10 m承受1 t拉力，主副绳高差按拦宽的6%计算。1，2，3出线为25 m2防氧化绝缘铝导向，电极入水后其相互之间的阻值应在0.5～300 Ω范围内，钢管与钢索，导线与钢索的绝缘电阻大于50 MΩ/1 000 V，钢索垂度小于0.5 m，所有钢铁件表面均做镀锌防锈处理。

该新型智能电子脉冲拦鱼装置已在多处水库投入拦鱼运行，如图10所示。经应用实践和用户反馈情况表明，该拦鱼装置具有柔性自动化与智能化功能，克服了市面上现有电栅拦鱼设备存在的各种弊端，极大地提升了拦鱼设备的性能，可大大提高水库的养鱼经济效益。

5  结  语

该新型电子脉冲拦鱼装置使用IGBT 取代了可控硅，不同档位的母线直流高压可快速连续换向切换，并且具有完善的防浪涌电路保护，不仅避免了电极氧化生锈而丧失拦鱼功能的隐患，而且噪声小、效率高、拦鱼效果好、安全可靠。控制系统基于CAN总线实现了一主多从、长距离、大容量数据的通信，能够适用于各类大小水库水域面积的拦鱼需求，具有工程造价低廉、数字化、网络化、自动化的特点。该拦鱼装置还具备触摸屏实时监控、自动故障电话报警及网络远程操作等功能，大大减少了用户的巡检工作量，实现了无人值守，并且为大型水库养鱼提供了先进有效的防逃技术手段，体现出了“互联网+”在渔业上的应用。

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