1引言

各類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回拖動擦洗池底或池壁，同時水泵將污垢和池水一起抽出。該作業(yè)勞動強度大，效率底，水資源浪費嚴重。

本文介紹的智能化水池清洗器，是一種采用混濁度檢測傳感器和自適應(yīng)控制原理，在工作中能自動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械裝置，主要適用于專業(yè)或經(jīng)營性游泳場館以及有類似需求的蓄水池，屬于智能化電動器具。

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)控制計算機。

2水池清洗器工作原理

清洗器的工作原理類似于吸塵器，即采用循環(huán)水過濾法濾去水中的污垢雜質(zhì)，過濾方式有濾紙或濾袋。水泵電機一般均采用單相交流電機或直流電機；清洗器的爬行驅(qū)動電機通常采用直流電機。滾動毛刷常用尼龍制成，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、開關(guān)和繼電器等分立元器件為主，高級的有定時清洗加無線電遙控（仍帶電源電纜線）。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，單片機及PLC的應(yīng)用，帶有多種時間清洗程序的清洗器應(yīng)運而生，像法國CYBERNAUT SW—16 型清洗器，內(nèi)置8個時間清洗程序；目前最新的控制系統(tǒng)已結(jié)合了當今機器人研究方面的智能化技術(shù)，清洗器通過快速檢測泳池的面積后，自動設(shè)置清洗時間程序，典型的有DOLPHIN系列產(chǎn)品，其控制系統(tǒng)又稱作SELF—DIAGNOSTIC SYSTEM，也是一種以時間為設(shè)置參數(shù)的自動清洗系統(tǒng)。

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

3智能化水池清洗器設(shè)計

3.1污垢判別系統(tǒng)設(shè)計

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，但歸納起來在整體功能上不外乎是遙控加時間程序清洗，省力不省時?；趯λ爻氐壮恋砦锏姆治霰砻?，主要是沙石、毛發(fā)、棉絮、草葉等雜物，且呈現(xiàn)非均勻分布，所以單純的時間程序清洗無法從根本上解決清洗效率的問題。

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，由它組成的自動控制系統(tǒng)能夠連續(xù)測量輸入信號和系統(tǒng)特性的變化，自動地改變系統(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，會根據(jù)刀具所受負荷的大小自動調(diào)節(jié)銑削進刀量，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，那么也可以實現(xiàn)高效率的清洗，這就從實質(zhì)上解決了清洗效率的問題。

怎樣判別污垢的多少？經(jīng)過對各種傳感器的功能分析和篩選，提出二種可行的方案，即圖像識別系統(tǒng)和光電式濁度檢測系統(tǒng)（或稱混濁度傳感器），其系統(tǒng)框圖見圖2、3。

圖2 CCD圖像識別系統(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準圖像存儲于工業(yè)控制計算機中，清洗作業(yè)時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，該視頻信號通過高速圖像采集卡實施A/D轉(zhuǎn)換，形成最多可達256階的灰度等級并與存儲在計算機中的原始標準圖像灰度等級不斷進行比較。

原始標準圖像的灰度等級可以設(shè)置比較臨界點，即比較上限。只要CCD攝像器實時攝取的圖像灰階等級中有超出原始標準圖像灰階等級范圍比較上限的，工業(yè)控制計算機和相關(guān)軟件便啟動步進電機脈沖頻率控制指令，通過運動控制卡去降低左右兩臺步進電機的驅(qū)動轉(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跟著變化，也就是說清洗器的清洗力度跟著變化。

圖3 混濁度傳感器檢測系統(tǒng)框圖

框圖表示清洗器工作時，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，該電壓信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡處理實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換后，送至工業(yè)控制計算機由相關(guān)軟件進行處理；控制輸出的脈沖頻率信號或“開、停”指令經(jīng)多軸運動控制卡分別去控制左右兩臺步進電機的驅(qū)動轉(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圖像識別系統(tǒng)除了判別污物外，還可用于水下監(jiān)視、攝像等擴展功能，但對那些非均勻圖案，如彩色馬賽克材料鋪就的水池則無能為力，會產(chǎn)生判斷誤差；而混濁度傳感器檢測系統(tǒng)適應(yīng)范圍廣，性價比較高，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系統(tǒng)為宜。

要真正實現(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，實際工作中，清洗器要依靠這些傳感器自動完成測距、后退、轉(zhuǎn)彎、平移等各種動作。

機械式定位傳感器簡單實用，但因是接觸式的，未留下動作空間，所以轉(zhuǎn)向前先得倒退，冗余動作過多。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準配備，也是本案的不二選擇，為此清洗器裝有四支紅外測距傳感器，正前面兩只，左右兩側(cè)各一只，主要用于自動修正爬行軌跡。紅外測距傳感器有三種類型：散射型、對射型和反射型。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?，故選用了E30—D100C1散射型紅外測距傳感器。

水池清洗器的控制系統(tǒng)融合了傳感器和計算機技術(shù)。計算機主機的配置以抗干擾性強的工業(yè)控制計算機為首選；混濁度傳感器的信號處理采用數(shù)據(jù)采集卡；驅(qū)動用步進電機的控制選用遠動控制卡?？刂瞥绦虿捎肰B軟件和美國NI公司的Labview軟件編制，同時采用二套軟件的考慮是為系統(tǒng)留下擴展的余地。

3.2傳動系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)設(shè)計

根據(jù)設(shè)計要求，清洗器的清洗排量要達到1200L/min；最高爬行速度為40m/min。過去的老產(chǎn)品選用三相交流電機，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；傳動機構(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。為此選用了無刷直流電機，功率0.75kw，轉(zhuǎn)速3000r/min。

無刷電機的優(yōu)勢在于免除了碳刷的日常維護，又因為使用直流供電，非常安全；驅(qū)動電機則選用了可調(diào)速的二相混合式步進電機，輸出最大扭矩可達6N·m，分別直接驅(qū)動清洗器兩邊的帶輪，大大簡化了結(jié)構(gòu)。由于清洗器在水下工作，所以電機的密封相當重要，同時考慮到電機運轉(zhuǎn)時的溫升變化，需要及時散熱，特別采用了導(dǎo)熱性能和機械性能俱佳的鋁合金做電機的密封罩，以保證整機的可靠性。所有電機均為安全電壓供電，符合產(chǎn)品技術(shù)條件。

清洗器清洗作業(yè)時的爬行機構(gòu)設(shè)計為齒形履帶結(jié)構(gòu)。這主要基于兩點考慮，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，滿足清洗器在轉(zhuǎn)彎、移位時較高的定位要求；二是在測量水池面積和顯示已清洗面積等功能上可保證相當?shù)木?，因為齒形帶的滑差率基本為零，如果步進電機的步距角為0.36?，那么步進電機每轉(zhuǎn)一圈需向其發(fā)送1000個脈沖，而此間清洗器的爬行距離S為：

S=2πr （1）

式中r是步進電機軸端齒形帶輪的半徑。

由此可得每個脈沖的爬行距離S´為：

S´=2πr/1000（2）

而對應(yīng)的清洗面積A則分別為：

A=0.6S 或A´=0.6S´（3）

水泵無刷直流電機的殼體形狀特別，故采用鋁合金鑄件；水泵葉輪采用半開式彎葉片，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。整機箱體由PVC塑料板材熔焊成型。

整套清洗器包括清洗主機、控制部分及手推小車，清洗主機為水下作業(yè)部分；工控機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)在受到光照時會發(fā)生電學(xué)特性方面的變化，這種變化又被稱之為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)?；鞚岫葌鞲衅饕ぷ髟谇逑雌鞯乃梦谔?，容易滿足光電池的應(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17%。

另外，對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)計時還要考慮光路的集中和均勻，保證混濁度檢測的正確性，避免形成點狀照射，遺漏檢測目標?；鞚岫葌鞲衅鞯姆糯箅娐凡捎昧穗p極性集成信號放大器，放大增益和測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)場信號，具有很強的靈活性。

光電式混濁度傳感器的工作原理見圖4；當鹵鎢燈點亮后，提供了傳感器所需要的光源。光線經(jīng)過透鏡的折射，均勻地聚集在硅光電池上。硅光電池的伏安特性將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)線性補償，由多級放大器對信號的比較放大后，輸出Vo到工控機中的PCL-818數(shù)據(jù)采集卡，計算機控制程序可以根據(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強弱）輸出相應(yīng)的脈沖來調(diào)節(jié)清洗器驅(qū)動用步進電機的轉(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

為了保證檢測的正確性，混濁度傳感器的測試口與清洗器的水泵吸口是相接的。傳感器的測試口兩邊分別裝有鹵鎢燈和信號放大電路板，外罩連接配備了密封圈；信號線引出口用環(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光學(xué)鏡片的刮花，影響檢測效果。

4.2工控機配置及控制程序編制

從清洗器操作和控制的要求及產(chǎn)品的性價比等諸方面考慮工控機選用了威達電公司的EC—1040，自帶LCD顯示屏，方便建立人機界面。研華公司的PCL—818數(shù)據(jù)采集卡用于濁度傳感器的信號處理和清洗器定位轉(zhuǎn)向紅外開關(guān)的信號檢測，PCL—839三軸步進電機控制卡用于清洗器驅(qū)動步進電機的控制，還選擇了美國NI公司的PCL—1407圖像采集卡用于CCD攝像器的視頻信號處理。清洗器控制系統(tǒng)框圖見圖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，原則上以簡捷易懂為主要標準。目前流行的可視化編程軟件是不錯的選擇。清洗器的控制程序采用VB軟件和美國NI公司的Labview軟件編制。

工控機的控制對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動了。清洗器在作業(yè)時需要“爬”遍水池的四面八方，而步進電機在運轉(zhuǎn)中難免會發(fā)生失步現(xiàn)象，加之兩臺步進電機的參數(shù)不會完全一致，兩側(cè)的履帶式傳動機構(gòu)也有松緊差異，所以清洗器換道時極有可能產(chǎn)生軌跡的偏移，影響清洗效果。

為此把正前向紅外測距測距設(shè)計成雙聯(lián)並排安裝的形式，在每次換道轉(zhuǎn)向180º前自動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)行一個起始定位的程序，使得清洗器的出發(fā)點總是在水池的一角。

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

4.3水下密封及安全防護

由于清洗器水下工作的特殊性，對水密封的要求甚高。水密封又分為動密封和靜密封。水泵葉輪出軸及步進電機出軸，需用動密封裝置，為此選擇天成密封件制造有限公司生產(chǎn)的機械密封圈，泄漏量僅0.3ml/h；步進電機出軸采用單端面機械密封，水泵葉輪出軸采用雙端面機械密封，并帶有機油油腔潤滑雙端面旋轉(zhuǎn)副。

至于結(jié)合面的靜密封則采用了國家標準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措施等都是設(shè)計時考慮的重點。插頭和插座均為具備防水標準的航空多芯系列產(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，揉和進了計算機及傳感器技術(shù)，用先進高效的驅(qū)動元件取代了傳統(tǒng)的傳動機構(gòu)，使原來的水池清洗器產(chǎn)生了質(zhì)的飛躍，特別是智能化自適應(yīng)清洗技術(shù)的開發(fā)，具備想當?shù)膭?chuàng)新性，并在上海游泳館得以應(yīng)用。

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

（摘編自《電氣技術(shù)》，原文標題為“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。）