具备污垢判别能力的智能化水池清洗器

1引言

各类蓄水池池底及池壁受水中杂物和污渍的侵蚀、污染、沉淀，需要定期清洗。以游泳池为例：传统的方法是人工操作，利用附带水泵吸管的排刷清洗头来回拖动擦洗池底或池壁，同时水泵将污垢和池水一起抽出。该作业劳动强度大，效率底，水资源浪费严重。

本文介绍的智能化水池清洗器，是一种采用混浊度检测传感器和自适应控制原理，在工作中能自动判别沉淀在池底的不同的污垢分布，并采取相应清洗力度的水下清洗机械装置，主要适用于专业或经营性游泳场馆以及有类似需求的蓄水池，属于智能化电动器具。

主要技术参数如下：额定电压42V；爬行速度8～40m/min；清洗水泵流量1200L/min；最大作业水深10m；清洗吸力80N；控制方式为工业控制计算机。

2水池清洗器工作原理

清洗器的工作原理类似于吸尘器，即采用循环水过滤法滤去水中的污垢杂质，过滤方式有滤纸或滤袋。水泵电机一般均采用单相交流电机或直流电机；清洗器的爬行驱动电机通常采用直流电机。滚动毛刷常用尼龙制成，也有用PVC材料的。主体结构基本以工程塑料、有色金属或不锈钢组成。

操作控制方面早期产品以接触器、开关和继电器等分立元器件为主，高级的有定时清洗加无线电遥控（仍带电源电缆线）。随着计算机技术的发展，单片机及PLC的应用，带有多种时间清洗程序的清洗器应运而生，像法国CYBERNAUT SW—16 型清洗器，内置8个时间清洗程序；目前最新的控制系统已结合了当今机器人研究方面的智能化技术，清洗器通过快速检测泳池的面积后，自动设置清洗时间程序，典型的有DOLPHIN系列产品，其控制系统又称作SELF—DIAGNOSTIC SYSTEM，也是一种以时间为设置参数的自动清洗系统。

清洗器清洗到池壁时可采取倒退换道或转弯换道两种方法。测距传感器有非接触式的红外光电传感器和接触式的机械行程开关。

3智能化水池清洗器设计

3.1污垢判别系统设计

水池清洗器发展至今，随着新技术、新材料、新工艺的推广应用和制造手段的日臻完善，工程师在结构件、功能器件以及材料的选用方面有了更大的回旋余地，但归纳起来在整体功能上不外乎是遥控加时间程序清洗，省力不省时。基于对水池池底沉淀物的分析表明，主要是沙石、毛发、棉絮、草叶等杂物，且呈现非均匀分布，所以单纯的时间程序清洗无法从根本上解决清洗效率的问题。

假设在清洗作业中，清洗器能根据水池池底污垢的分布状况自动调节其清洗力度，那么清洗器的工作效率将显著提高，这就引入了自适应控制的概念。自适应控制属于智能化控制技术的范畴，由它组成的自动控制系统能够连续测量输入信号和系统特性的变化，自动地改变系统的结构与参数，使系统具有适应环境的变化并始终保持优良品质，其原理框图见图1。

图1.自适应控制系统框图

自适控制系统在金属加工领域早已有应用，如自适应控制的立式铣床在铣削工件时，会根据刀具所受负荷的大小自动调节铣削进刀量，这就大大提高了加工效率。同样，如果水池清洗器也采用自适应控制技术，增加一套判别污物分布的传感器和数据分析处理系统作为清洗器的最优化装置，那么也可以实现高效率的清洗，这就从实质上解决了清洗效率的问题。

怎样判别污垢的多少？经过对各种传感器的功能分析和筛选，提出二种可行的方案，即图像识别系统和光电式浊度检测系统（或称混浊度传感器），其系统框图见图2、3。

图2 CCD图像识别系统框图

图中表示，置于清洗器前端的CCD摄像器先选择池底清洁面作为池底原始标准图像存储于工业控制计算机中，清洗作业时CCD摄像器连续摄取位于清洗器爬行方向正前下方待清洗部位的图像，该视频信号通过高速图像采集卡实施A/D转换，形成最多可达256阶的灰度等级并与存储在计算机中的原始标准图像灰度等级不断进行比较。

原始标准图像的灰度等级可以设置比较临界点，即比较上限。只要CCD摄像器实时摄取的图像灰阶等级中有超出原始标准图像灰阶等级范围比较上限的，工业控制计算机和相关软件便启动步进电机脉冲频率控制指令，通过运动控制卡去降低左右两台步进电机的驱动转速；清洗器爬行速度的快慢，间接反映了清洗力度的大小。

随着污物分布状态的变化，清洗器的爬行速度会跟着变化，也就是说清洗器的清洗力度跟着变化。

图3 混浊度传感器检测系统框图

框图表示清洗器工作时，受滚刷擦洗的污物与水混合组成的悬浮液受水泵作用必定要流经水泵吸口，此时安装在水泵吸口处的混浊度传感器将水流的不同混浊度转换成变化着的电压信号，该电压信号经过数据采集卡处理实现A/D转换后，送至工业控制计算机由相关软件进行处理；控制输出的脉冲频率信号或“开、停”指令经多轴运动控制卡分别去控制左右两台步进电机的驱动转速，水质的混浊度高，清洗器的爬行速度变慢，清洗力度加大；反之则清洗力度减小。

CCD图像识别系统除了判别污物外，还可用于水下监视、摄像等扩展功能，但对那些非均匀图案，如彩色马赛克材料铺就的水池则无能为力，会产生判断误差；而混浊度传感器检测系统适应范围广，性价比较高，反应灵敏，只是功能比较单一。从可靠性、生产成本和使用效果等几方面考虑，以采用混浊度传感器检测系统为宜。

要真正实现智能化的自适应清洗，除了为清洗器配备能判别污物分布状态的混浊度传感器外，还应配套定向、定位传感器。由于清洗器作业采用了转向平行轨迹法，实际工作中，清洗器要依靠这些传感器自动完成测距、后退、转弯、平移等各种动作。

机械式定位传感器简单实用，但因是接触式的，未留下动作空间，所以转向前先得倒退，冗余动作过多。而非接触式的红外传感器灵敏度高，稳定可靠，几乎已是高端清洗器的标准配备，也是本案的不二选择，为此清洗器装有四支红外测距传感器，正前面两只，左右两侧各一只，主要用于自动修正爬行轨迹。红外测距传感器有三种类型：散射型、对射型和反射型。清洗器主要工作在常规的游泳池中，不可能装有反射面或对射接收器，故选用了E30—D100C1散射型红外测距传感器。

水池清洗器的控制系统融合了传感器和计算机技术。计算机主机的配置以抗干扰性强的工业控制计算机为首选；混浊度传感器的信号处理采用数据采集卡；驱动用步进电机的控制选用远动控制卡。控制程序采用VB软件和美国NI公司的Labview软件编制，同时采用二套软件的考虑是为系统留下扩展的余地。

3.2传动系统及结构设计

根据设计要求，清洗器的清洗排量要达到1200L/min；最高爬行速度为40m/min。过去的老产品选用三相交流电机，为保证安全又要降为低压42V，不得已配备了体积硕大的三相变压器；传动机构包括蜗轮蜗杆减速器、电磁离合器等，结构复杂，维修保养不便。为此选用了无刷直流电机，功率0.75kw，转速3000r/min。

无刷电机的优势在于免除了碳刷的日常维护，又因为使用直流供电，非常安全；驱动电机则选用了可调速的二相混合式步进电机，输出最大扭矩可达6N·m，分别直接驱动清洗器两边的带轮，大大简化了结构。由于清洗器在水下工作，所以电机的密封相当重要，同时考虑到电机运转时的温升变化，需要及时散热，特别采用了导热性能和机械性能俱佳的铝合金做电机的密封罩，以保证整机的可靠性。所有电机均为安全电压供电，符合产品技术条件。

清洗器清洗作业时的爬行机构设计为齿形履带结构。这主要基于两点考虑，一是齿形带轮组成履带式轮系可增大清洗器与水池的接触面积，不容易打滑，满足清洗器在转弯、移位时较高的定位要求；二是在测量水池面积和显示已清洗面积等功能上可保证相当的精度，因为齿形带的滑差率基本为零，如果步进电机的步距角为0.36˚，那么步进电机每转一圈需向其发送1000个脉冲，而此间清洗器的爬行距离S为：

S=2πr （1）

式中r是步进电机轴端齿形带轮的半径。

由此可得每个脉冲的爬行距离S´为：

S´=2πr/1000（2）

而对应的清洗面积A则分别为：

A=0.6S 或A´=0.6S´（3）

水泵无刷直流电机的壳体形状特别，故采用铝合金铸件；水泵叶轮采用半开式弯叶片，叶片出口角ß=36˚，叶片数3。叶片的曲面比较复杂，试用最新的激光快速成型法加工获得成功。整机箱体由PVC塑料板材熔焊成型。

整套清洗器包括清洗主机、控制部分及手推小车，清洗主机为水下作业部分；工控机和电源箱为陆上控制部分，连接单相220V电源。

4关键技术及解决办法

4.1混浊度传感器

某些半导体物质在受到光照时会发生电学特性方面的变化，这种变化又被称之为光电导效应和光生伏特效应。混浊度传感器要工作在清洗器的水泵吸口处，容易满足光电池的应用条件。这里采用了具有较高转换效率的硅光电池板作为混浊度传感器的光电转换元件，理论上转换效率可达17%。

另外，对光源的要求也比较高，必须有足够的功率和稳定性，特别是它的光譜范围应大部分落于硅光电池的峰值光譜区域，以提高传感器的灵敏度，为此选用了卤钨灯。在光学设计时还要考虑光路的集中和均匀，保证混浊度检测的正确性，避免形成点状照射，遗漏检测目标。混浊度传感器的放大电路采用了双极性集成信号放大器，放大增益和测量输出电压范围均可调。输出电压为0~5V，能适用不同现场信号，具有很强的灵活性。

光电式混浊度传感器的工作原理见图4；当卤钨灯点亮后，提供了传感器所需要的光源。光线经过透镜的折射，均匀地聚集在硅光电池上。硅光电池的伏安特性将光信号转换成电信号，经线性补偿，由多级放大器对信号的比较放大后，输出Vo到工控机中的PCL-818数据采集卡，计算机控制程序可以根据水泵吸口处水质的混浊度（反映为混浊度传感器的信号强弱）输出相应的脉冲来调节清洗器驱动用步进电机的转速，从而提高清洗的工作效率。

图4 光电式混浊度传感器原理框图

为了保证检测的正确性，混浊度传感器的测试口与清洗器的水泵吸口是相接的。传感器的测试口两边分别装有卤钨灯和信号放大电路板，外罩连接配备了密封圈；信号线引出口用环氧胶封闭。光源发射窗和接收窗由耐磨硬质石英玻璃制成，可防止水流中的沙石对光学镜片的刮花，影响检测效果。

4.2工控机配置及控制程序编制

从清洗器操作和控制的要求及产品的性价比等诸方面考虑工控机选用了威达电公司的EC—1040，自带LCD显示屏，方便建立人机界面。研华公司的PCL—818数据采集卡用于浊度传感器的信号处理和清洗器定位转向红外开关的信号检测，PCL—839三轴步进电机控制卡用于清洗器驱动步进电机的控制，还选择了美国NI公司的PCL—1407图像采集卡用于CCD摄像器的视频信号处理。清洗器控制系统框图见图5。

图5 清洗器控制系统框图

控制程序的编制软件也有多种选择方案，原则上以简捷易懂为主要标准。目前流行的可视化编程软件是不错的选择。清洗器的控制程序采用VB软件和美国NI公司的Labview软件编制。

工控机的控制对象除了清洗器智能化自适应清洗功能外，就是清洗器的爬行运动了。清洗器在作业时需要“爬”遍水池的四面八方，而步进电机在运转中难免会发生失步现象，加之两台步进电机的参数不会完全一致，两侧的履带式传动机构也有松紧差异，所以清洗器换道时极有可能产生轨迹的偏移，影响清洗效果。

为此把正前向红外测距测距设计成双联並排安装的形式，在每次换道转向180º前自动修正清洗器与池壁的垂直位置，保证了尽可能小的转向误差并消除了清洗时的累积误差。清洗器放入水池的初始位置可以是任意的，不附加任何条件，这就要求在清洗作业前，先执行一个起始定位的程序，使得清洗器的出发点总是在水池的一角。

配合该程序的运行，清洗器两侧也装上了红外测距传感器。另外，在时间程序清洗方式中利用四支红外测距传感器，可方便地实施随机转向。

4.3水下密封及安全防护

由于清洗器水下工作的特殊性，对水密封的要求甚高。水密封又分为动密封和静密封。水泵叶轮出轴及步进电机出轴，需用动密封装置，为此选择天成密封件制造有限公司生产的机械密封圈，泄漏量仅0.3ml/h；步进电机出轴采用单端面机械密封，水泵叶轮出轴采用双端面机械密封，并带有机油油腔润滑双端面旋转副。

至于结合面的静密封则采用了国家标准GB1235—92、GB3452.1—82中的橡胶密封圈以及沟槽尺寸。在使用安全方面，除了直流低电压供电外，电缆线的连接方法和保护措施等都是设计时考虑的重点。插头和插座均为具备防水标准的航空多芯系列产品，再辅以环氧胶封固措施，保证了使用安全。清洗器水下部分照片见图6。

图6

5结论

Q1Q-SSI-600型智能化水池清洗器同以往的水池清洗器相比，揉和进了计算机及传感器技术，用先进高效的驱动元件取代了传统的传动机构，使原来的水池清洗器产生了质的飞跃，特别是智能化自适应清洗技术的开发，具备想当的创新性，并在上海游泳馆得以应用。

当然由于基础工业的相对落后，在外型设计、加工工艺、制作材料等方面与发达国家的产品相比还有差距，元器件的选择上也受到一定的制约。鉴于国外的水池清洗器已进入家庭，国内不少住宅区的会所也修建了游泳池，相信水池清洗器的使用范围将逐步扩大，以满足人民群众日益增长的物质文化生活的需要。

（摘编自《电气技术》，原文标题为“具备污垢判别能力的智能化水池清洗器”，作者为崔陵军、施兆良。）