船用消防機(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù)

1、船用消防機(jī)器人自動(dòng)控制技術(shù)引言船用消防機(jī)器人主要應(yīng)用于大型客貨輪、滾裝輪的船艙火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)、易燃易爆品船艙等含有火災(zāi)隱患的危險(xiǎn)場(chǎng)所進(jìn)行滅火救災(zāi)；同時(shí)又可在人所不能進(jìn)入的有毒、有害氣體船艙內(nèi)進(jìn)行探測(cè)工作；消防機(jī)器人通過(guò)所攜帶的各種專(zhuān)用傳感器可在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)各種火災(zāi)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣；同時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離實(shí)時(shí)圖像傳輸、并將火場(chǎng)溫度、輻射熱等探測(cè)結(jié)果及時(shí)反饋給后方上位機(jī)（位于控制艙或后備艙），供操作人員實(shí)時(shí)觀察圖像與數(shù)據(jù)及時(shí)作出決策。消防機(jī)器人車(chē)體造型如圖1所示。 1、系統(tǒng)功能 船用消防機(jī)器人的控制系統(tǒng)組成如圖2所示。它可分為移動(dòng)載體、消防炮系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)、熱防護(hù)系統(tǒng)、卷盤(pán)系

2、統(tǒng)、附屬機(jī)構(gòu)等九部分組成。下面將對(duì)各系統(tǒng)的控制功能作簡(jiǎn)要的說(shuō)明。 1.1控制功能 (1)移動(dòng)載體移動(dòng)載體的任務(wù)是執(zhí)行機(jī)器人的移動(dòng)功能，采用關(guān)節(jié)型履帶輪移動(dòng)車(chē)。消防機(jī)器人能執(zhí)行在船艙內(nèi)上下爬越樓梯、爬斜坡、跨越障礙等功能。 (2)消防炮系統(tǒng)消防炮是消防機(jī)器人主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一，它安裝在移動(dòng)載體上，執(zhí)行消防功能。滅火劑由二條直徑為80mm的水帶由海水泵供給，流量為30L/s,壓力為0.8-1.0MPa。 (3)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)是整個(gè)船用消防機(jī)器人系統(tǒng)的控制中心。該機(jī)采用上下位機(jī)控制方式，靠專(zhuān)用通信模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸。上位機(jī)（工控機(jī)）系統(tǒng)安置在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)以外的安全艙位區(qū)，負(fù)責(zé)人-機(jī)接口界面

3、操作和監(jiān)控工作，該系統(tǒng)要求有很高的計(jì)算處理能力。下位機(jī)系統(tǒng)安置在機(jī)器人本體上，負(fù)責(zé)機(jī)器-環(huán)境接口以及處理滅火工作，系統(tǒng)要求具有很高的可靠性。 (4)傳感器系統(tǒng)船用消防機(jī)器人中傳感器系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)之一，它是消防機(jī)器人的“感覺(jué)器官”，負(fù)責(zé)探測(cè)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)內(nèi)各種有毒、可燃?xì)怏w、煙霧濃度；輻射熱、溫度、風(fēng)向、風(fēng)速的變化趨勢(shì)；同時(shí)探測(cè)機(jī)器人擺臂升降角度、車(chē)體傾斜、電流等信號(hào)。 (5)觀察系統(tǒng)觀察系統(tǒng)以實(shí)時(shí)顯示形式將船艙內(nèi)部前方火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的情形展現(xiàn)在操作員眼前。船用消防機(jī)器人本體移動(dòng)車(chē)上裝有三臺(tái)攝像機(jī)：位于車(chē)體正前方彩色攝像機(jī)用以監(jiān)視車(chē)體正前方火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境；位于車(chē)體左右兩側(cè)兩臺(tái)黑白攝像機(jī)用于監(jiān)視車(chē)體行走的前

4、后擺臂運(yùn)行及路面情況。 (6)防爆系統(tǒng)爆炸是一種極其迅速的物理或者化學(xué)的能量釋放過(guò)程。船用消防機(jī)器人本體所攜帶的電子與電器設(shè)備可能產(chǎn)生電火花；本體的機(jī)械傳動(dòng)部分也可能由于磨擦、撞擊等產(chǎn)生火花。船用消防機(jī)器人的防爆系統(tǒng)保證了在可燃?xì)怏w泄漏的情況下，機(jī)器人本體的一系列作業(yè)不會(huì)引起爆炸。防爆系統(tǒng)符合國(guó)家防爆標(biāo)準(zhǔn)GB2900.35-83。 (7)熱保護(hù)系統(tǒng)熱保護(hù)系統(tǒng)保證在火場(chǎng)的高溫環(huán)境中，機(jī)器人本體能夠保持一定的適宜溫度，從而保證能夠正常工作，在設(shè)計(jì)上采用隔離和噴水冷卻的方法來(lái)進(jìn)行熱防護(hù)。 (8)卷盤(pán)系統(tǒng)卷盤(pán)系統(tǒng)是電纜和水帶的輸送裝置。電纜通過(guò)卷盤(pán)和滑環(huán)與控制臺(tái)相連；兩路水帶通過(guò)快速接扣與海水泵相連接

5、。 (9)附屬機(jī)構(gòu)主要有警燈、強(qiáng)光燈、揚(yáng)聲器、電纜、水帶等組成，它們?cè)谙到y(tǒng)中起著各自的作用。 1.2指標(biāo)功能 (1)能爬越30度的斜坡或樓梯；跨越250mm高度的垂直障礙； (2)最大行駛速度可大于50m/min，具有轉(zhuǎn)向、倒行功能；最小回轉(zhuǎn)半徑不大于1米； (3)耐熱性能：在熱輻射強(qiáng)度5kw/m2下連續(xù)工作1小時(shí)； (4)防爆性能：dIIBT6,ExPdeIIBT4; (5)防水性能：可防雨淋； (6)水炮流量達(dá)30L/s，泡沫炮流量32L/s； (7)水炮射程距離大于52米，泡沫炮射程大于48米； (8)消防炮水平回轉(zhuǎn)角度為正負(fù)120度； (9)消防炮上下俯仰角度為負(fù)10度-正80度。2、

6、控制系統(tǒng) 消防機(jī)器人的控制屬于隨動(dòng)系統(tǒng)范疇，設(shè)計(jì)考慮采用上下位機(jī)的控制方式進(jìn)行控制、執(zhí)行滅火救災(zāi)工作，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。 2.1上位機(jī) 上位機(jī)采用威達(dá)586工控機(jī)，負(fù)責(zé)采樣操縱桿的模擬信號(hào)和控制臺(tái)操作信息，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換將采樣信息輸入到工控機(jī)，通過(guò)運(yùn)行速度計(jì)算公式得到機(jī)器人左右驅(qū)動(dòng)輪的行駛速度。同時(shí)通過(guò)專(zhuān)家輔助決策系統(tǒng)，得到下位機(jī)的現(xiàn)場(chǎng)各種參數(shù)后，再將控制信息發(fā)送給下位機(jī)，在現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行防護(hù)措施及處置對(duì)策。 2.2下位機(jī) 下位機(jī)采用西門(mén)子公司的S7-214系列PLC。I/O擴(kuò)展模塊為5塊。下位機(jī)負(fù)責(zé)接收并執(zhí)行上位機(jī)的控制命令，同時(shí)采集火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)幾十種傳感器信息。為了保證下位機(jī)向上位機(jī)傳輸信

7、息的正確性，專(zhuān)用傳感器每采樣5次信息，再進(jìn)行5次異或校驗(yàn)得到正確結(jié)果后實(shí)時(shí)反饋給上位機(jī)，以供操作員及時(shí)作出下步控制方式的決策；同時(shí)下位機(jī)還須完成上位機(jī)發(fā)送的執(zhí)行滅火、報(bào)警等處理工作。這些處理采樣及執(zhí)行滅火動(dòng)作程序由下位機(jī)的PLC來(lái)完成。 3、執(zhí)行機(jī)構(gòu) 下位機(jī)車(chē)體內(nèi)部PLC發(fā)出一系列控制命令給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由這些執(zhí)行機(jī)構(gòu)具體完成消防救災(zāi)工作。執(zhí)行機(jī)構(gòu)主要由變頻器、消防水炮、三相異步電機(jī)、水炮電機(jī)、攝像機(jī)、電磁閥、警燈、照明等組成。由于篇幅有限這里僅介紹變頻器與消防水炮二部分。 3.1變頻器 變頻器是船用消防機(jī)器人的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。變頻器一方面是消防機(jī)器人行走于火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的肢腿;另一方面也是消防機(jī)器人變速

8、行走的執(zhí)行器；消防機(jī)器人能否前進(jìn)、后退運(yùn)行主要依靠于變頻器的工作狀態(tài)。消防機(jī)器人車(chē)體中采用松下DV707H3700交流變頻器，配用2.2KW的三相異步交流馬達(dá)。該變頻器具有體積小、價(jià)格低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、過(guò)壓保護(hù)、失速防止及自診斷觸發(fā)等保護(hù)功能。兩臺(tái)變頻器安裝在車(chē)體內(nèi)部，用以驅(qū)動(dòng)左右輪電機(jī)。變頻器的輸出頻率受控于上位機(jī)操作臺(tái)，整臺(tái)機(jī)器人行駛速度設(shè)定為四檔(5Hz、15Hz、35Hz、50Hz)。通常，在艙面、艙底火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)較平整的情況下行駛速度設(shè)置頻率為35Hz-50Hz；在跨越障礙或爬梯時(shí)的行駛速度設(shè)置頻率為15Hz-35Hz；在原地轉(zhuǎn)彎時(shí)行駛速度設(shè)置頻率為5Hz-35Hz。

9、 3.2消防水炮 消防水炮是滅火噴水的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，通過(guò)上位機(jī)操作面板控制其水炮上、下(-10度+80度)，左、右(-120度+120度)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，用自身攜帶的大流量遠(yuǎn)控消防炮適時(shí)調(diào)整噴水落點(diǎn)，對(duì)火災(zāi)相關(guān)部位進(jìn)行泡沫噴射滅火或進(jìn)行噴水冷卻保護(hù)。在進(jìn)行化學(xué)有害物質(zhì)泄漏事故的處置過(guò)程中，可使用消防機(jī)器人對(duì)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)大面積流淌物或空氣進(jìn)行噴水、噴霧、洗消和稀釋。 4、遠(yuǎn)距離通訊 消防機(jī)器人的上、下位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸主要靠一塊ADAM7520專(zhuān)用通訊轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的功能是將上位工控機(jī)輸出通訊口RS-232轉(zhuǎn)換為RS-485通訊口，通過(guò)線長(zhǎng)150米左右的電纜盤(pán)將信號(hào)傳輸給下位機(jī)PLC。它的作用一方面是將

10、上位機(jī)的控制命令傳輸給下位機(jī)；另一方面是將下位機(jī)在火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)所采集的信息發(fā)送到上位機(jī)。     下位機(jī)S7-214PLC帶有一個(gè)串行通訊口，用PPI電纜直接與ADAM7520的RS-485通訊口聯(lián)接，其操作模式設(shè)定為自由口通訊方式。在這種方式下，用戶可用程序設(shè)置波特率、字符長(zhǎng)度、奇偶校驗(yàn)等通訊參數(shù)和通訊協(xié)議，利用發(fā)送中斷可簡(jiǎn)化程序?qū)νㄓ嵉目刂啤Ｔ谧杂煽谕ㄓ嵎绞较?，通訊協(xié)議完全由梯形圖進(jìn)行控制。自由口通訊控制寄存器SMB30控制方式一般采用1個(gè)起始位、7或8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)停止位。我們?cè)诔绦蛑羞x定控制字的格式如下： 5、控制軟件 上位機(jī)控制軟件運(yùn)用VisualC+5.0編程。VC具有許多優(yōu)點(diǎn)適合于機(jī)器人控制系統(tǒng)軟件編程。為便于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的管理，便于調(diào)試和程序的修改，使程序模塊具有完整性，編程設(shè)計(jì)考慮了對(duì)某一段程序模塊修改而不影響其它程序模塊的功能。上位機(jī)的程序流程見(jiàn)圖4所示。 下位機(jī)接收上位機(jī)發(fā)送的控制命令，控制PLC執(zhí)行消防救災(zāi)工作。其字符、數(shù)據(jù)的發(fā)送采用中斷接收方式，程序流程圖如圖5所