船用消防機器人自動控制技術

1、船用消防機器人自動控制技術引言船用消防機器人主要應用于大型客貨輪、滾裝輪的船艙火災現(xiàn)場、易燃易爆品船艙等含有火災隱患的危險場所進行滅火救災；同時又可在人所不能進入的有毒、有害氣體船艙內(nèi)進行探測工作；消防機器人通過所攜帶的各種專用傳感器可在火災現(xiàn)場對各種火災信息進行實時采樣；同時實現(xiàn)遠距離實時圖像傳輸、并將火場溫度、輻射熱等探測結果及時反饋給后方上位機（位于控制艙或后備艙），供操作人員實時觀察圖像與數(shù)據(jù)及時作出決策。消防機器人車體造型如圖1所示。 1、系統(tǒng)功能 船用消防機器人的控制系統(tǒng)組成如圖2所示。它可分為移動載體、消防炮系統(tǒng)、計算機控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、防爆系統(tǒng)、熱防護系統(tǒng)、卷盤系

2、統(tǒng)、附屬機構等九部分組成。下面將對各系統(tǒng)的控制功能作簡要的說明。 1.1控制功能 (1)移動載體移動載體的任務是執(zhí)行機器人的移動功能，采用關節(jié)型履帶輪移動車。消防機器人能執(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)消防炮是消防機器人主要執(zhí)行機構之一，它安裝在移動載體上，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)計算機控制系統(tǒng)計算機控制系統(tǒng)是整個船用消防機器人系統(tǒng)的控制中心。該機采用上下位機控制方式，靠專用通信模塊進行數(shù)據(jù)信號傳輸。上位機（工控機）系統(tǒng)安置在火災現(xiàn)場以外的安全艙位區(qū)，負責人-機接口界面

3、操作和監(jiān)控工作，該系統(tǒng)要求有很高的計算處理能力。下位機系統(tǒng)安置在機器人本體上，負責機器-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)船用消防機器人中傳感器系統(tǒng)是最重要的系統(tǒng)之一，它是消防機器人的“感覺器官”，負責探測火災現(xiàn)場內(nèi)各種有毒、可燃氣體、煙霧濃度；輻射熱、溫度、風向、風速的變化趨勢；同時探測機器人擺臂升降角度、車體傾斜、電流等信號。 (5)觀察系統(tǒng)觀察系統(tǒng)以實時顯示形式將船艙內(nèi)部前方火災現(xiàn)場的情形展現(xiàn)在操作員眼前。船用消防機器人本體移動車上裝有三臺攝像機：位于車體正前方彩色攝像機用以監(jiān)視車體正前方火災現(xiàn)場環(huán)境；位于車體左右兩側兩臺黑白攝像機用于監(jiān)視車體行走的前

4、后擺臂運行及路面情況。 (6)防爆系統(tǒng)爆炸是一種極其迅速的物理或者化學的能量釋放過程。船用消防機器人本體所攜帶的電子與電器設備可能產(chǎn)生電火花；本體的機械傳動部分也可能由于磨擦、撞擊等產(chǎn)生火花。船用消防機器人的防爆系統(tǒng)保證了在可燃氣體泄漏的情況下，機器人本體的一系列作業(yè)不會引起爆炸。防爆系統(tǒng)符合國家防爆標準GB2900.35-83。 (7)熱保護系統(tǒng)熱保護系統(tǒng)保證在火場的高溫環(huán)境中，機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，在設計上采用隔離和噴水冷卻的方法來進行熱防護。 (8)卷盤系統(tǒng)卷盤系統(tǒng)是電纜和水帶的輸送裝置。電纜通過卷盤和滑環(huán)與控制臺相連；兩路水帶通過快速接扣與海水泵相連接

5、。 (9)附屬機構主要有警燈、強光燈、揚聲器、電纜、水帶等組成，它們在系統(tǒng)中起著各自的作用。 1.2指標功能 (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：在熱輻射強度5kw/m2下連續(xù)工作1小時； (4)防爆性能：dIIBT6,ExPdeIIBT4; (5)防水性能：可防雨淋； (6)水炮流量達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120度； (9)消防炮上下俯仰角度為負10度-正80度。2、

6、控制系統(tǒng) 消防機器人的控制屬于隨動系統(tǒng)范疇，設計考慮采用上下位機的控制方式進行控制、執(zhí)行滅火救災工作，其控制系統(tǒng)結構圖如圖3所示。 2.1上位機 上位機采用威達586工控機，負責采樣操縱桿的模擬信號和控制臺操作信息，通過A/D轉(zhuǎn)換將采樣信息輸入到工控機，通過運行速度計算公式得到機器人左右驅(qū)動輪的行駛速度。同時通過專家輔助決策系統(tǒng)，得到下位機的現(xiàn)場各種參數(shù)后，再將控制信息發(fā)送給下位機，在現(xiàn)場執(zhí)行防護措施及處置對策。 2.2下位機 下位機采用西門子公司的S7-214系列PLC。I/O擴展模塊為5塊。下位機負責接收并執(zhí)行上位機的控制命令，同時采集火災現(xiàn)場幾十種傳感器信息。為了保證下位機向上位機傳輸信

7、息的正確性，專用傳感器每采樣5次信息，再進行5次異或校驗得到正確結果后實時反饋給上位機，以供操作員及時作出下步控制方式的決策；同時下位機還須完成上位機發(fā)送的執(zhí)行滅火、報警等處理工作。這些處理采樣及執(zhí)行滅火動作程序由下位機的PLC來完成。 3、執(zhí)行機構 下位機車體內(nèi)部PLC發(fā)出一系列控制命令給執(zhí)行機構，由這些執(zhí)行機構具體完成消防救災工作。執(zhí)行機構主要由變頻器、消防水炮、三相異步電機、水炮電機、攝像機、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器人的主要執(zhí)行機構。變頻器一方面是消防機器人行走于火災現(xiàn)場的肢腿;另一方面也是消防機器人變速

8、行走的執(zhí)行器；消防機器人能否前進、后退運行主要依靠于變頻器的工作狀態(tài)。消防機器人車體中采用松下DV707H3700交流變頻器，配用2.2KW的三相異步交流馬達。該變頻器具有體積小、價格低等優(yōu)點，同時具有欠壓保護、過流保護、過壓保護、失速防止及自診斷觸發(fā)等保護功能。兩臺變頻器安裝在車體內(nèi)部，用以驅(qū)動左右輪電機。變頻器的輸出頻率受控于上位機操作臺，整臺機器人行駛速度設定為四檔(5Hz、15Hz、35Hz、50Hz)。通常，在艙面、艙底火災現(xiàn)場較平整的情況下行駛速度設置頻率為35Hz-50Hz；在跨越障礙或爬梯時的行駛速度設置頻率為15Hz-35Hz；在原地轉(zhuǎn)彎時行駛速度設置頻率為5Hz-35Hz。

9、 3.2消防水炮 消防水炮是滅火噴水的主要執(zhí)行機構，通過上位機操作面板控制其水炮上、下(-10度+80度)，左、右(-120度+120度)旋轉(zhuǎn)運行，用自身攜帶的大流量遠控消防炮適時調(diào)整噴水落點，對火災相關部位進行泡沫噴射滅火或進行噴水冷卻保護。在進行化學有害物質(zhì)泄漏事故的處置過程中，可使用消防機器人對火災現(xiàn)場大面積流淌物或空氣進行噴水、噴霧、洗消和稀釋。 4、遠距離通訊 消防機器人的上、下位機之間的數(shù)據(jù)傳輸主要靠一塊ADAM7520專用通訊轉(zhuǎn)換器。該轉(zhuǎn)換器的功能是將上位工控機輸出通訊口RS-232轉(zhuǎn)換為RS-485通訊口，通過線長150米左右的電纜盤將信號傳輸給下位機PLC。它的作用一方面是將

10、上位機的控制命令傳輸給下位機；另一方面是將下位機在火災現(xiàn)場所采集的信息發(fā)送到上位機。     下位機S7-214PLC帶有一個串行通訊口，用PPI電纜直接與ADAM7520的RS-485通訊口聯(lián)接，其操作模式設定為自由口通訊方式。在這種方式下，用戶可用程序設置波特率、字符長度、奇偶校驗等通訊參數(shù)和通訊協(xié)議，利用發(fā)送中斷可簡化程序?qū)νㄓ嵉目刂啤Ｔ谧杂煽谕ㄓ嵎绞较?，通訊協(xié)議完全由梯形圖進行控制。自由口通訊控制寄存器SMB30控制方式一般采用1個起始位、7或8個數(shù)據(jù)位、1個停止位。我們在程序中選定控制字的格式如下： 5、控制軟件 上位機控制軟件運用VisualC+5.0編程。VC具有許多優(yōu)點適合于機器人控制系統(tǒng)軟件編程。為便于數(shù)據(jù)結構的管理，便于調(diào)試和程序的修改，使程序模塊具有完整性，編程設計考慮了對某一段程序模塊修改而不影響其它程序模塊的功能。上位機的程序流程見圖4所示。 下位機接收上位機發(fā)送的控制命令，控制PLC執(zhí)行消防救災工作。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