1引言

各類(lèi)蓄水池池底及池壁受水中雜物和污漬的侵蝕、污染、沉淀，需要定期清洗。以游泳池為例：傳統(tǒng)的方法是人工操作，利用附帶水泵吸管的排刷清洗頭來(lái)回拖動(dòng)擦洗池底或池壁，同時(shí)水泵將污垢和池水一起抽出。該作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率底，水資源浪費(fèi)嚴(yán)重。

本文介紹的智能化水池清洗器，是一種采用混濁度檢測(cè)傳感器和自適應(yīng)控制原理，在工作中能自動(dòng)判別沉淀在池底的不同的污垢分布，并采取相應(yīng)清洗力度的水下清洗機(jī)械裝置，主要適用于專(zhuān)業(yè)或經(jīng)營(yíng)性游泳場(chǎng)館以及有類(lèi)似需求的蓄水池，屬于智能化電動(dòng)器具。

主要技術(shù)參數(shù)如下：額定電壓42V；爬行速度8～40m/min；清洗水泵流量1200L/min；最大作業(yè)水深10m；清洗吸力80N；控制方式為工業(yè)控制計(jì)算機(jī)。

2水池清洗器工作原理

清洗器的工作原理類(lèi)似于吸塵器，即采用循環(huán)水過(guò)濾法濾去水中的污垢雜質(zhì)，過(guò)濾方式有濾紙或?yàn)V袋。水泵電機(jī)一般均采用單相交流電機(jī)或直流電機(jī)；清洗器的爬行驅(qū)動(dòng)電機(jī)通常采用直流電機(jī)。滾動(dòng)毛刷常用尼龍制成，也有用PVC材料的。主體結(jié)構(gòu)基本以工程塑料、有色金屬或不銹鋼組成。

操作控制方面早期產(chǎn)品以接觸器、開(kāi)關(guān)和繼電器等分立元器件為主，高級(jí)的有定時(shí)清洗加無(wú)線電遙控（仍帶電源電纜線）。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，單片機(jī)及PLC的應(yīng)用，帶有多種時(shí)間清洗程序的清洗器應(yīng)運(yùn)而生，像法國(guó)CYBERNAUT SW—16 型清洗器，內(nèi)置8個(gè)時(shí)間清洗程序；目前最新的控制系統(tǒng)已結(jié)合了當(dāng)今機(jī)器人研究方面的智能化技術(shù)，清洗器通過(guò)快速檢測(cè)泳池的面積后，自動(dòng)設(shè)置清洗時(shí)間程序，典型的有DOLPHIN系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)又稱(chēng)作SELF—DIAGNOSTIC SYSTEM，也是一種以時(shí)間為設(shè)置參數(shù)的自動(dòng)清洗系統(tǒng)。

清洗器清洗到池壁時(shí)可采取倒退換道或轉(zhuǎn)彎換道兩種方法。測(cè)距傳感器有非接觸式的紅外光電傳感器和接觸式的機(jī)械行程開(kāi)關(guān)。

3智能化水池清洗器設(shè)計(jì)

3.1污垢判別系統(tǒng)設(shè)計(jì)

水池清洗器發(fā)展至今，隨著新技術(shù)、新材料、新工藝的推廣應(yīng)用和制造手段的日臻完善，工程師在結(jié)構(gòu)件、功能器件以及材料的選用方面有了更大的回旋余地，但歸納起來(lái)在整體功能上不外乎是遙控加時(shí)間程序清洗，省力不省時(shí)。基于對(duì)水池池底沉淀物的分析表明，主要是沙石、毛發(fā)、棉絮、草葉等雜物，且呈現(xiàn)非均勻分布，所以單純的時(shí)間程序清洗無(wú)法從根本上解決清洗效率的問(wèn)題。

假設(shè)在清洗作業(yè)中，清洗器能根據(jù)水池池底污垢的分布狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)其清洗力度，那么清洗器的工作效率將顯著提高，這就引入了自適應(yīng)控制的概念。自適應(yīng)控制屬于智能化控制技術(shù)的范疇，由它組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)能夠連續(xù)測(cè)量輸入信號(hào)和系統(tǒng)特性的變化，自動(dòng)地改變系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與參數(shù)，使系統(tǒng)具有適應(yīng)環(huán)境的變化并始終保持優(yōu)良品質(zhì)，其原理框圖見(jiàn)圖1。

圖1.自適應(yīng)控制系統(tǒng)框圖

自適控制系統(tǒng)在金屬加工領(lǐng)域早已有應(yīng)用，如自適應(yīng)控制的立式銑床在銑削工件時(shí)，會(huì)根據(jù)刀具所受負(fù)荷的大小自動(dòng)調(diào)節(jié)銑削進(jìn)刀量，這就大大提高了加工效率。同樣，如果水池清洗器也采用自適應(yīng)控制技術(shù)，增加一套判別污物分布的傳感器和數(shù)據(jù)分析處理系統(tǒng)作為清洗器的最優(yōu)化裝置，那么也可以實(shí)現(xiàn)高效率的清洗，這就從實(shí)質(zhì)上解決了清洗效率的問(wèn)題。

怎樣判別污垢的多少？經(jīng)過(guò)對(duì)各種傳感器的功能分析和篩選，提出二種可行的方案，即圖像識(shí)別系統(tǒng)和光電式濁度檢測(cè)系統(tǒng)（或稱(chēng)混濁度傳感器），其系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖2、3。

圖2 CCD圖像識(shí)別系統(tǒng)框圖

圖中表示，置于清洗器前端的CCD攝像器先選擇池底清潔面作為池底原始標(biāo)準(zhǔn)圖像存儲(chǔ)于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中，清洗作業(yè)時(shí)CCD攝像器連續(xù)攝取位于清洗器爬行方向正前下方待清洗部位的圖像，該視頻信號(hào)通過(guò)高速圖像采集卡實(shí)施A/D轉(zhuǎn)換，形成最多可達(dá)256階的灰度等級(jí)并與存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中的原始標(biāo)準(zhǔn)圖像灰度等級(jí)不斷進(jìn)行比較。

原始標(biāo)準(zhǔn)圖像的灰度等級(jí)可以設(shè)置比較臨界點(diǎn)，即比較上限。只要CCD攝像器實(shí)時(shí)攝取的圖像灰階等級(jí)中有超出原始標(biāo)準(zhǔn)圖像灰階等級(jí)范圍比較上限的，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和相關(guān)軟件便啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)脈沖頻率控制指令，通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡去降低左右兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速；清洗器爬行速度的快慢，間接反映了清洗力度的大小。

隨著污物分布狀態(tài)的變化，清洗器的爬行速度會(huì)跟著變化，也就是說(shuō)清洗器的清洗力度跟著變化。

圖3 混濁度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)框圖

框圖表示清洗器工作時(shí)，受滾刷擦洗的污物與水混合組成的懸浮液受水泵作用必定要流經(jīng)水泵吸口，此時(shí)安裝在水泵吸口處的混濁度傳感器將水流的不同混濁度轉(zhuǎn)換成變化著的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)采集卡處理實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后，送至工業(yè)控制計(jì)算機(jī)由相關(guān)軟件進(jìn)行處理；控制輸出的脈沖頻率信號(hào)或“開(kāi)、停”指令經(jīng)多軸運(yùn)動(dòng)控制卡分別去控制左右兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速，水質(zhì)的混濁度高，清洗器的爬行速度變慢，清洗力度加大；反之則清洗力度減小。

CCD圖像識(shí)別系統(tǒng)除了判別污物外，還可用于水下監(jiān)視、攝像等擴(kuò)展功能，但對(duì)那些非均勻圖案，如彩色馬賽克材料鋪就的水池則無(wú)能為力，會(huì)產(chǎn)生判斷誤差；而混濁度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣，性?xún)r(jià)比較高，反應(yīng)靈敏，只是功能比較單一。從可靠性、生產(chǎn)成本和使用效果等幾方面考慮，以采用混濁度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)為宜。

要真正實(shí)現(xiàn)智能化的自適應(yīng)清洗，除了為清洗器配備能判別污物分布狀態(tài)的混濁度傳感器外，還應(yīng)配套定向、定位傳感器。由于清洗器作業(yè)采用了轉(zhuǎn)向平行軌跡法，實(shí)際工作中，清洗器要依靠這些傳感器自動(dòng)完成測(cè)距、后退、轉(zhuǎn)彎、平移等各種動(dòng)作。

機(jī)械式定位傳感器簡(jiǎn)單實(shí)用，但因是接觸式的，未留下動(dòng)作空間，所以轉(zhuǎn)向前先得倒退，冗余動(dòng)作過(guò)多。而非接觸式的紅外傳感器靈敏度高，穩(wěn)定可靠，幾乎已是高端清洗器的標(biāo)準(zhǔn)配備，也是本案的不二選擇，為此清洗器裝有四支紅外測(cè)距傳感器，正前面兩只，左右兩側(cè)各一只，主要用于自動(dòng)修正爬行軌跡。紅外測(cè)距傳感器有三種類(lèi)型：散射型、對(duì)射型和反射型。清洗器主要工作在常規(guī)的游泳池中，不可能裝有反射面或?qū)ι浣邮掌鳎蔬x用了E30—D100C1散射型紅外測(cè)距傳感器。

水池清洗器的控制系統(tǒng)融合了傳感器和計(jì)算機(jī)技術(shù)。計(jì)算機(jī)主機(jī)的配置以抗干擾性強(qiáng)的工業(yè)控制計(jì)算機(jī)為首選；混濁度傳感器的信號(hào)處理采用數(shù)據(jù)采集卡；驅(qū)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)的控制選用遠(yuǎn)動(dòng)控制卡。控制程序采用VB軟件和美國(guó)NI公司的Labview軟件編制，同時(shí)采用二套軟件的考慮是為系統(tǒng)留下擴(kuò)展的余地。

3.2傳動(dòng)系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，清洗器的清洗排量要達(dá)到1200L/min；最高爬行速度為40m/min。過(guò)去的老產(chǎn)品選用三相交流電機(jī)，為保證安全又要降為低壓42V，不得已配備了體積碩大的三相變壓器；傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括蝸輪蝸桿減速器、電磁離合器等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修保養(yǎng)不便。為此選用了無(wú)刷直流電機(jī)，功率0.75kw，轉(zhuǎn)速3000r/min。

無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)勢(shì)在于免除了碳刷的日常維護(hù)，又因?yàn)槭褂弥绷鞴╇姡浅０踩或?qū)動(dòng)電機(jī)則選用了可調(diào)速的二相混合式步進(jìn)電機(jī)，輸出最大扭矩可達(dá)6N·m，分別直接驅(qū)動(dòng)清洗器兩邊的帶輪，大大簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。由于清洗器在水下工作，所以電機(jī)的密封相當(dāng)重要，同時(shí)考慮到電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫升變化，需要及時(shí)散熱，特別采用了導(dǎo)熱性能和機(jī)械性能俱佳的鋁合金做電機(jī)的密封罩，以保證整機(jī)的可靠性。所有電機(jī)均為安全電壓供電，符合產(chǎn)品技術(shù)條件。

清洗器清洗作業(yè)時(shí)的爬行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)為齒形履帶結(jié)構(gòu)。這主要基于兩點(diǎn)考慮，一是齒形帶輪組成履帶式輪系可增大清洗器與水池的接觸面積，不容易打滑，滿(mǎn)足清洗器在轉(zhuǎn)彎、移位時(shí)較高的定位要求；二是在測(cè)量水池面積和顯示已清洗面積等功能上可保證相當(dāng)?shù)木龋驗(yàn)辇X形帶的滑差率基本為零，如果步進(jìn)電機(jī)的步距角為0.36?，那么步進(jìn)電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈需向其發(fā)送1000個(gè)脈沖，而此間清洗器的爬行距離S為：

S=2πr （1）

式中r是步進(jìn)電機(jī)軸端齒形帶輪的半徑。

由此可得每個(gè)脈沖的爬行距離S´為：

S´=2πr/1000（2）

而對(duì)應(yīng)的清洗面積A則分別為：

A=0.6S 或A´=0.6S´（3）

水泵無(wú)刷直流電機(jī)的殼體形狀特別，故采用鋁合金鑄件；水泵葉輪采用半開(kāi)式彎葉片，葉片出口角ß=36?，葉片數(shù)3。葉片的曲面比較復(fù)雜，試用最新的激光快速成型法加工獲得成功。整機(jī)箱體由PVC塑料板材熔焊成型。

整套清洗器包括清洗主機(jī)、控制部分及手推小車(chē)，清洗主機(jī)為水下作業(yè)部分；工控機(jī)和電源箱為陸上控制部分，連接單相220V電源。

4關(guān)鍵技術(shù)及解決辦法

4.1混濁度傳感器

某些半導(dǎo)體物質(zhì)在受到光照時(shí)會(huì)發(fā)生電學(xué)特性方面的變化，這種變化又被稱(chēng)之為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。混濁度傳感器要工作在清洗器的水泵吸口處，容易滿(mǎn)足光電池的應(yīng)用條件。這里采用了具有較高轉(zhuǎn)換效率的硅光電池板作為混濁度傳感器的光電轉(zhuǎn)換元件，理論上轉(zhuǎn)換效率可達(dá)17%。

另外，對(duì)光源的要求也比較高，必須有足夠的功率和穩(wěn)定性，特別是它的光譜范圍應(yīng)大部分落于硅光電池的峰值光譜區(qū)域，以提高傳感器的靈敏度，為此選用了鹵鎢燈。在光學(xué)設(shè)計(jì)時(shí)還要考慮光路的集中和均勻，保證混濁度檢測(cè)的正確性，避免形成點(diǎn)狀照射，遺漏檢測(cè)目標(biāo)。混濁度傳感器的放大電路采用了雙極性集成信號(hào)放大器，放大增益和測(cè)量輸出電壓范圍均可調(diào)。輸出電壓為0~5V，能適用不同現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)，具有很強(qiáng)的靈活性。

光電式混濁度傳感器的工作原理見(jiàn)圖4；當(dāng)鹵鎢燈點(diǎn)亮后，提供了傳感器所需要的光源。光線經(jīng)過(guò)透鏡的折射，均勻地聚集在硅光電池上。硅光電池的伏安特性將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)線性補(bǔ)償，由多級(jí)放大器對(duì)信號(hào)的比較放大后，輸出Vo到工控機(jī)中的PCL-818數(shù)據(jù)采集卡，計(jì)算機(jī)控制程序可以根據(jù)水泵吸口處水質(zhì)的混濁度（反映為混濁度傳感器的信號(hào)強(qiáng)弱）輸出相應(yīng)的脈沖來(lái)調(diào)節(jié)清洗器驅(qū)動(dòng)用步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而提高清洗的工作效率。

圖4 光電式混濁度傳感器原理框圖

為了保證檢測(cè)的正確性，混濁度傳感器的測(cè)試口與清洗器的水泵吸口是相接的。傳感器的測(cè)試口兩邊分別裝有鹵鎢燈和信號(hào)放大電路板，外罩連接配備了密封圈；信號(hào)線引出口用環(huán)氧膠封閉。光源發(fā)射窗和接收窗由耐磨硬質(zhì)石英玻璃制成，可防止水流中的沙石對(duì)光學(xué)鏡片的刮花，影響檢測(cè)效果。

4.2工控機(jī)配置及控制程序編制

從清洗器操作和控制的要求及產(chǎn)品的性?xún)r(jià)比等諸方面考慮工控機(jī)選用了威達(dá)電公司的EC—1040，自帶LCD顯示屏，方便建立人機(jī)界面。研華公司的PCL—818數(shù)據(jù)采集卡用于濁度傳感器的信號(hào)處理和清洗器定位轉(zhuǎn)向紅外開(kāi)關(guān)的信號(hào)檢測(cè)，PCL—839三軸步進(jìn)電機(jī)控制卡用于清洗器驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)的控制，還選擇了美國(guó)NI公司的PCL—1407圖像采集卡用于CCD攝像器的視頻信號(hào)處理。清洗器控制系統(tǒng)框圖見(jiàn)圖5。

圖5 清洗器控制系統(tǒng)框圖

控制程序的編制軟件也有多種選擇方案，原則上以簡(jiǎn)捷易懂為主要標(biāo)準(zhǔn)。目前流行的可視化編程軟件是不錯(cuò)的選擇。清洗器的控制程序采用VB軟件和美國(guó)NI公司的Labview軟件編制。

工控機(jī)的控制對(duì)象除了清洗器智能化自適應(yīng)清洗功能外，就是清洗器的爬行運(yùn)動(dòng)了。清洗器在作業(yè)時(shí)需要“爬”遍水池的四面八方，而步進(jìn)電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)中難免會(huì)發(fā)生失步現(xiàn)象，加之兩臺(tái)步進(jìn)電機(jī)的參數(shù)不會(huì)完全一致，兩側(cè)的履帶式傳動(dòng)機(jī)構(gòu)也有松緊差異，所以清洗器換道時(shí)極有可能產(chǎn)生軌跡的偏移，影響清洗效果。

為此把正前向紅外測(cè)距測(cè)距設(shè)計(jì)成雙聯(lián)並排安裝的形式，在每次換道轉(zhuǎn)向180º前自動(dòng)修正清洗器與池壁的垂直位置，保證了盡可能小的轉(zhuǎn)向誤差并消除了清洗時(shí)的累積誤差。清洗器放入水池的初始位置可以是任意的，不附加任何條件，這就要求在清洗作業(yè)前，先執(zhí)行一個(gè)起始定位的程序，使得清洗器的出發(fā)點(diǎn)總是在水池的一角。

配合該程序的運(yùn)行，清洗器兩側(cè)也裝上了紅外測(cè)距傳感器。另外，在時(shí)間程序清洗方式中利用四支紅外測(cè)距傳感器，可方便地實(shí)施隨機(jī)轉(zhuǎn)向。

4.3水下密封及安全防護(hù)

由于清洗器水下工作的特殊性，對(duì)水密封的要求甚高。水密封又分為動(dòng)密封和靜密封。水泵葉輪出軸及步進(jìn)電機(jī)出軸，需用動(dòng)密封裝置，為此選擇天成密封件制造有限公司生產(chǎn)的機(jī)械密封圈，泄漏量?jī)H0.3ml/h；步進(jìn)電機(jī)出軸采用單端面機(jī)械密封，水泵葉輪出軸采用雙端面機(jī)械密封，并帶有機(jī)油油腔潤(rùn)滑雙端面旋轉(zhuǎn)副。

至于結(jié)合面的靜密封則采用了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB1235—92、GB3452.1—82中的橡膠密封圈以及溝槽尺寸。在使用安全方面，除了直流低電壓供電外，電纜線的連接方法和保護(hù)措施等都是設(shè)計(jì)時(shí)考慮的重點(diǎn)。插頭和插座均為具備防水標(biāo)準(zhǔn)的航空多芯系列產(chǎn)品，再輔以環(huán)氧膠封固措施，保證了使用安全。清洗器水下部分照片見(jiàn)圖6。

圖6

5結(jié)論

Q1Q-SSI-600型智能化水池清洗器同以往的水池清洗器相比，揉和進(jìn)了計(jì)算機(jī)及傳感器技術(shù)，用先進(jìn)高效的驅(qū)動(dòng)元件取代了傳統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，使原來(lái)的水池清洗器產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，特別是智能化自適應(yīng)清洗技術(shù)的開(kāi)發(fā)，具備想當(dāng)?shù)膭?chuàng)新性，并在上海游泳館得以應(yīng)用。

當(dāng)然由于基礎(chǔ)工業(yè)的相對(duì)落后，在外型設(shè)計(jì)、加工工藝、制作材料等方面與發(fā)達(dá)國(guó)家的產(chǎn)品相比還有差距，元器件的選擇上也受到一定的制約。鑒于國(guó)外的水池清洗器已進(jìn)入家庭，國(guó)內(nèi)不少住宅區(qū)的會(huì)所也修建了游泳池，相信水池清洗器的使用范圍將逐步擴(kuò)大，以滿(mǎn)足人民群眾日益增長(zhǎng)的物質(zhì)文化生活的需要。

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標(biāo)題為“具備污垢判別能力的智能化水池清洗器”，作者為崔陵軍、施兆良。）