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船用消防机器人自动控制技术 |
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作者：翁新华 杨汝清 徐正飞 |
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摘要 本文介绍了船用消防机器人的系统功能特点、控制结构及工作原理，给出了上、下位机的硬件结构与控制软件的通讯技术及控制程序流程。
关键词 消防机器人，硬件控制，通讯
引言
船用消防机器人主要应用于大型客货轮、滚装轮的船舱火灾现场、易燃易爆品船舱等含有火灾隐患的危险场所进行灭火救灾；同时又可在人所不能进入的有毒、有害气体船舱内进行探测工作；消防机器人通过所携带的各种专用传感器可在火灾现场对各种火灾信息进行实时采样；同时实现远距离实时图像传输、并将火场温度、辐射热等探测结果及时反馈给后方上位机（位于控制舱或后备舱），供操作人员实时观察图像与数据及时作出决策。消防机器人车体造型如图1所示。
1 系统功能
船用消防机器人的控制系统组成如图2所示。它可分为移动载体、消防炮系统、计算机控制系统、传感器系统、观察系统、防爆系统、热防护系统、卷盘系统、附属机构等九部分组成。下面将对各系统的控制功能作简要的说明。
1.1 控制功能
(1)移动载体 移动载体的任务是执行机器人的移动功能，采用关节型履带轮移动车。消防机器人能执行在船舱内上下爬越楼梯、爬斜坡、跨越障碍等功能。
(2)消防炮系统 消防炮是消防机器人主要执行机构之一，它安装在移动载体上，执行消防功能。灭火剂由二条直径为80mm 的水带由海水泵供给，流量为30L/s,压力为0.8-1.0MPa。
(3)计算机控制系统 计算机控制系统是整个船用消防机器人系统的控制中心。该机采用上下位机控制方式，靠专用通信模块进行数据信号传输。上位机（工控机）系统安置在火灾现场以外的安全舱位区，负责人-机接口界面操作和监控工作，该系统要求有很高的计算处理能力。下位机系统安置在机器人本体上，负责机器-环境接口以及处理灭火工作，系统要求具有很高的可靠性。
(4)传感器系统船用消防机器人中传感器系统是最重要的系统之一，它是消防机器人的“感觉器官”，负责探测火灾现场内各种有毒、可燃气体、烟雾浓度；辐射热、温度、风向、风速的变化趋势；同时探测机器人摆臂升降角度、车体倾斜、电流等信号。
(5)观察系统 观察系统以实时显示形式将船舱内部前方火灾现场的情形展现在操作员眼前。船用消防机器人本体移动车上装有三台摄像机：位于车体正前方彩色摄像机用以监视车体正前方火灾现场环境；位于车体左右两侧两台黑白摄像机用于监视车体行走的前后摆臂运行及路面情况。
(6)防爆系统 爆炸是一种极其迅速的物理或者化学的能量释放过程。船用消防机器人本体所携带的电子与电器设备可能产生电火花；本体的机械传动部分也可能由于磨擦、撞击等产生火花。船用消防机器人的防爆系统保证了在可燃气体泄漏的情况下，机器人本体的一系列作业不会引起爆炸。防爆系统符合国家防爆标准GB2900.35-83。
(7)热保护系统 热保护系统保证在火场的高温环境中，机器人本体能够保持一定的适宜温度，从而保证能够正常工作，在设计上采用隔离和喷水冷却的方法来进行热防护。
(8)卷盘系统 卷盘系统是电缆和水带的输送装置。电缆通过卷盘和滑环与控制台相连；两路水带通过快速接扣与海水泵相连接。
(9)附属机构 主要有警灯、强光灯、扬声器、电缆、水带等组成，它们在系统中起着各自的作用。
1.2 指标功能
(1) 能爬越30度的斜坡或楼梯；跨越250mm高度的垂直障碍；
(2) 最大行驶速度可大于50m/min，具有转向、倒行功能；最小回转半径不大于1米；
(3) 耐热性能：在热辐射强度5kw/m2下连续工作1小时；
(4) 防爆性能：dII BT6,ExPdeII BT4;
(5) 防水性能：可防雨淋；
(6) 水炮流量达30L/s，泡沫炮流量32L/s；
(7) 水炮射程距离大于52米，泡沫炮射程大于48米；
(8) 消防炮水平回转角度为正负120度；
(9) 消防炮上下俯仰角度为负10度-正80度。
2 控制系统
消防机器人的控制属于随动系统范畴，设计考虑采用上下位机的控制方式进行控制、执行灭火救灾工作，其控制系统结构图如图3 所示。
2.1 上位机
上位机采用威达586工控机，负责采样操纵杆的模拟信号和控制台操作信息，通过A/D转换将采样信息输入到工控机，通过运行速度计算公式得到机器人左右驱动轮的行驶速度。同时通过专家辅助决策系统，得到下位机的现场各种参数后，再将控制信息发送给下位机，在现场执行防护措施及处置对策。
2.2 下位机
下位机采用西门子公司的S7-214系列PLC。I/O扩展模块为5块。下位机负责接收并执行上位机的控制命令，同时采集火灾现场几十种传感器信息。为了保证下位机向上位机传输信息的正确性，专用传感器每采样5次信息，再进行5次异或校验得到正确结果后实时反馈给上位机，以供操作员及时作出下步控制方式的决策；同时下位机还须完成上位机发送的执行灭火、报警等处理工作。这些处理采样及执行灭火动作程序由下位机的PLC来完成。
3 执行机构
下位机车体内部PLC发出一系列控制命令给执行机构，由这些执行机构具体完成消防救灾工作。执行机构主要由变频器、消防水炮、三相异步电机、水炮电机、摄像机、电磁阀、警灯、照明等组成。由于篇幅有限这里仅介绍变频器与消防水炮二部分。
3.1 变频器
变频器是船用消防机器人的主要执行机构。变频器一方面是消防机器人行走于火灾现场的肢腿;另一方面也是消防机器人变速行走的执行器；消防机器人能否前进、后退运行主要依靠于变频器的工作状态。消防机器人车体中采用松下DV707H3700交流变频器，配用2.2KW的三相异步交流马达。该变频器具有体积小、价格低等优点，同时具有欠压保护、过流保护、过压保护、失速防止及自诊断触发等保护功能。两台变频器安装在车体内部，用以驱动左右轮电机。变频器的输出频率受控于上位机操作台，整台机器人行驶速度设定为四档(5Hz、15Hz、35Hz、50Hz)。通常，在舱面、舱底火灾现场较平整的情况下行驶速度设置频率为35Hz-50Hz；在跨越障碍或爬梯时的行驶速度设置频率为15Hz-35Hz；在原地转弯时行驶速度设置频率为5Hz-35Hz。
3.2 消防水炮
消防水炮是灭火喷水的主要执行机构，通过上位机操作面板控制其水炮上、下(-10度——+80度)，左、右(-120度——+120度)旋转运行，用自身携带的大流量远控消防炮适时调整喷水落点，对火灾相关部位进行泡沫喷射灭火或进行喷水冷却保护。在进行化学有害物质泄漏事故的处置过程中，可使用消防机器人对火灾现场大面积流淌物或空气进行喷水、喷雾、洗消和稀释。
4 远距离通讯
消防机器人的上、下位机之间的数据传输主要靠一块ADAM7520专用通讯转换器。该转换器的功能是将上位工控机输出通讯口RS-232转换为RS-485通讯口，通过线长150米左右的电缆盘将信号传输给下位机PLC。它的作用一方面是将上位机的控制命令传输给下位机；另一方面是将下位机在火灾现场所采集的信息发送到上位机。
下位机S7-214PLC带有一个串行通讯口，用PPI电缆直接与ADAM7520的RS-485通讯口联接，其操作模式设定为自由口通讯方式。在这种方式下，用户可用程序设置波特率、字符长度、奇偶校验等通讯参数和通讯协议，利用发送中断可简化程序对通讯的控制。在自由口通讯方式下，通讯协议完全由梯形图进行控制。自由口通讯控制寄存器SMB30控制方式一般采用1个起始位、7或8个数据位、1个停止位。我们在程序中选定控制字的格式如下：
5 控制软件
上位机控制软件运用Visual C++5.0编程。VC具有许多优点适合于机器人控制系统软件编程。为便于数据结构的管理，便于调试和程序的修改，使程序模块具有完整性，编程设计考虑了对某一段程序模块修改而不影响其它程序模块的功能。上位机的程序流程见图4所示。
图4 上位机控制流程
下位机接收上位机发送的控制命令，控制PLC执行消防救灾工作。其字符、数据的发送采用中断接收方式，程序流程图如图5所示。
图5 下位机通讯流程
6 结束语
消防机器人的研制成功开拓了大型船舱利用机器人技术进行消防救灾的先例，它具有灭火救灾效率高、工作可靠、使用安全、可避免救灾人员伤亡等优点。可进一步推广应用到石油、化工、核工业、大型危险仓库等场合进行消防救灾、探测工作。有待改进的是，可将有线供电方式改为直流电瓶供电方式，采用无线遥控技术控制操作，对船用消防将更为方便。(end)
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(1/24/2006) |
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