1、风压式高层建筑外墙清洗机的控制系统第 24 卷第 4 期总第 67 期 2003 年河北科技大学J()URNAL()FHEBEIUNIVERSITY()FSCIENCEANDTECHN()L()GYVo1.24No.4Sum672003文帮编号-:10081542(2003)0,1O077-05风压式高层建筑外墙清洗机的控制系统范春起(河北科技大学机械电子工程学院,河北石家庄 050054)摘要:提出了风压式高层建筑外墙清洗机对控制系统的要求 ;制定了以单片机为核心,双机通信的控制方案;分析了系统硬件的工作原理和实现方法 ;论述了系统的软件设计方案及相关问题的处理.经过仿真运行表明,该系统工作
2、稳定,运行可靠.关键词:外墙清洗机;控制方案;双机通信中图分类号:TU976.1 文献标识码:A国内外大中城市的高楼大厦鳞次栉比,为了满足环保要求,提升城市和企业形象,高层建筑外墙的定期清洗已经成为日益壮大的行业.对大型楼宇的外墙清洗,成熟的技术仍然为高空吊篮和蜘蛛人人工清洗.由于清洗效率低,劳动强度大,危险性高,高空反应对人体的损害极为明显,因而清洗成本很高,1 座大型高层建筑清洗 1 次需要十几乃至几十万元】.国内外根据这一市场需求研制了一些旨在降低清洗成本,解脱危险工作环境的无人化自动清洗的装置,但多为以真空吸盘来提供清洗力和行走动力的爬壁机器人 L2.由于方案的先天不足,其工作的稳定性
3、过分地依赖于墙壁的光滑程度,给产品化带来极大障碍3.笔者等所设计的以后置螺旋桨产生清洗力和行走动力的智能清洗机,从根本上解决了这一问题.对该清洗机除了设计出结构新颖的机械执行系统(已获得国家专利)外,还设计了以计算机为中心,双机通信的智能控制系统,其软硬件已经通过了调试和仿真运行.本文主要介绍了满足清洗机要求的控制方案和工作原理,论述了该系统软硬件设计的原理和实现方法.1 清洗机机械装置对控制系统的要求及功能实现风压式高层外墙清洗机机械装置由伺服悬吊系统和清洗主机组成,伺服悬吊系统和清洗主机通过由承载缆,动力缆,清洗液和清水水管及控制缆复合而成的复合缆相连,其控制系统的任务主要是满足这两部分的
4、控制要求.1.1 纵向行走伺服悬吊系统的卷扬电机控制:直流电机,采用脉宽调速方法控制行走速度 ,通过复合缆的收放实现沿墙面的上下清洗.收稿日期 200205 一 lO;修回口期:20030226;责任编辑: 卞铜身,冯民作者简介:范春起(1951 一),男.河北定州市人,副教授.主要从事机械优化设计和机电一体化产品设计方面的研究.78 河北科技大学1.2 横向行走伺服悬吊系统的行走机构控制:三相交流电机,Y 一变换实现 2 种速度,采用继电器控制启动,停止.清洗主机的行走机构控制:步进电机,采用步进电机驱动电源控制 ,与伺服悬吊系统的横向行走同步.两行走机构的运动同步控制:由位于伺服悬吊系统吊
5、臂端部的 2 个超声波传感器检测复合缆的摆动,对单片机输出数字量,由单片机控制清洗主机与悬吊系统同步行走,以实现清洗机沿墙面的水平清洗.1.3 推力螺旋桨.清洗刷.水泵推力螺旋桨,清洗刷位于清洗主机上,用 Y 一变换实现 2 种速度以控制刷洗力和清洗刷转速;清洗液和清水水泵位于伺服悬吊系统,通过复合缆传输至清洗刷 ,它们都采用继电器控制.1.4 刷洗部件旋转 90.位于清洗主机的刷洗部件旋转 9O.以实现上下清洗与水平清洗的转换 ;步进电机,采用步进电机驱动电源控制.1.5 边缘识别清洗主机在工作过程中行至楼面边缘和上下极限位置时,需要停止和转向,采用清洗主机上,下,左,右的 4 个超声波传感
6、器(探头)对单片机输出数字量,以实现清洗机的启,停和行走方向的切换.1.6 行走机构的运动保持行走机构位于清洗主机,采用继电器控制,对清洗主机的横向行走的 2 个输入控制口保持高电平,以实现对清洗主机的横向行走的自动保持.2 控制方案概述整个清洗机系统的控制方案如图 1 所示.1)整个控制系统采用 2 个单片机进行控制,伺服悬吊系统和清洗主机各放置 1 个单片机,伺服悬吊系统的单片机作为主控方,对清洗机上的单片机发出控制指令,清洗机上的单片机作为受控方,执行单片机上的指令,但它不对伺服悬吊系统上的单片机返回状态信息.两机之间单向通信,协调工作.本控制系统选择双机通信的理由:组成整个系统的伺服悬
7、吊装置和清洗主机各有各的控制要求,采用双机通讯有利于均衡负荷,提高指令的执行速度;充分利用单片机现有输入,输出口而不需扩充;两机之间的串行通讯有利于减少控制连线 ,从而提高通讯的可靠性.通过执行指令,单片机发出电脉冲或波形,通过硬件驱动电路放大,进而驱动电机动作.2)对继电器的控制,单片机通过 1 个输出口对其控制启,停.由单片机输出一个恒定持续的高电平来驱动继电器,在命令输入方面,对控制继电器的输入采用不保持按扭,由单片机实现高电平的保持.对步进电机的控制采用环形分配器加恒流源驱动电源.单片机采用 2 个输出口,一个端口输出一个持续脉冲用来驱动步进电机,另一个端口输出一个高电平或低电平用来控
8、制电机的正反转;在命令输入方面,采用不保持按扭.对直流电机的控制,采用持续的脉冲驱动.由单片机的 2 个端口分别(不同时)输出脉冲来驱动直流电机,由脉冲在不同的端口的输出来控制其正反转;在命令输入方面,采用保持按扭,由第 4 期范春起风压式高层建筑外墙清洗机的控制系统 79伺服悬吊系统清洗主机茸行走机构正(1)一 rP1O(1)(O)竺.E.行走机构正(右 h行走机构反(左)LI 旦正 olH 反 o2H 停 04H 行走机构反(左)行走机构停止行走机构停止广塑水泵,推力浆,清洗刷的起停 r 一一 P12(1)(O)p0 一上探头输出清洗主机一总停(卷扬机制动继电器启动)16H_一 P13(1
9、)(o)P0l下探头极限位置的控制转 90D(正)(刷洗部件)1PO.2-左探头一l-一转 90.(反)Pu.3右探头行走正同步蚍呱通行 P0 程 .4-开-关-转角 90.(正停)控制 J_一一一转角 90.(反停)(刷洗部件)一 Ll1 雁患 n1lIn0u 琶切止控制_-p 儿 uJ 止 uH 雎 uH 一08H 清洗刷,风扇的启动卷扬机反转(制动状态) pl5【JDo.6 行走机构正保持探头o07 行走机构反保持I.F 探头;输出行止机沟的,左探头 f 极限位蜀控制7右探头_J图 l 高层建筑外墙清洗机的控制方案Fig.1Controlschemeofpileexternalwallm
10、achine按扭保持高电平的持续的输出.对三相交流电机,采用继电器控制.在命令输入方面,采用不保持按钮;在命令输出方面,单片机采用 2 个输出 El,通过改变输出 El 的高低电平来改变电机的正反转; 在端 El输出高电平时继电器被驱动,进而利用继电器对电机控制.在边缘识别和自动控制方面采用行程开关,超声波传感器,由单片机通过这些传感器检测外部信号,从而实现单片机的自动控制.3 控制部分硬件电路的工作原理3.1 单片机系统的组成以 8C52 为基础,扩展 MAX48Z 通信芯片,看门狗电路,脉冲速度检测电路,收发缓冲器,按键中断输入,光耦隔离,l2V 电源输出和各种产生脉冲信号的探头.原理框图
11、如图 2所示.3.2 驱动部分的工作原理以卷扬机直流电机,横向行走,泵,风扇,刷子交流电机,清洗机横向行走,转 90.步进电机为被控对象,各种继电器及驱动电源组成.原理框图如图 3 所示.3.3 软件对硬件的要求1)横向行走电机要求:开关按下后,立刻自动跳起.2)水泵 ,风扇,清洗刷要求:开关按下后,立刻自动跳起 ,在清洗机上由 1 个 p1.4El 控制,同时控制风扇,清洗刷的起停,由 1 个 El 实现对 2 个继电器的同时控制.3)总停要求 :开关按下后,立刻自动跳起.4)清洗部件转 90.的正反转要求:开关按下后,立刻自动跳起 ,清洗机部分的输入口p0.4,I)0.为内部自动检测 ,并
12、在外部安装行程开关.)横向正反同步要求:机架部分的输入 p0.7,p2.0 为超声波传感器的输入 .80 河北科技大学图 2 控制系统的原理框图Fig.2PrincipleframeOfthecontrolsystem品闸管脉冲板 MB 一 1(正)GTR 控制桥 l 卷扬机直流电机(正反转) 品闸管脉冲板 biB 一1(反)继电器驱动电路l 二级维电器驱动 l_交流电机脉冲分配芯片卜f 步进电机驱动电路卜步进电机图 3 驱动电路原理框图Fig.3Principleframeofthedrivecircuit6)卷扬机要求:机架卷扬机为直流电机,要输出脉冲 ,开关按下后要保持.7)边缘识别用超
13、声波传感器要求:超声波传感器分别接在伺服悬吊系统和清洗机的单片机 4 个输入口上.8)清洗机的横向行走的自动保持要求:对清洗机部分的 p0.6,p0.7 在接到通信01H,02H后,要用继电器对它们保持高电平,接到 O4H 后,要使继电器停止动作.4 软件设计的技术基础及相关问题的处理4.1 控制系统的软件设计方案软件系统的设计采用模块化程序结构,图 4 给出了依据控制方案所制定的软件结构框图.4.2 关于伺服悬吊系统与清洗主机之间的通信系统的通信分为通信发送(来自位于悬吊系统的主单片机)和通信接收(到达位于清洗主机的从单片机)两部分.按通信的种类又可分为确认通信和不确认通信,所谓确认通信就是
14、发送方在发送完数据后,开始等待,直到接收方发回确认信息,表示数据正确接收完毕,然后才去执行下一条指令;而接收方在接收到信息后不是马上去处理, 而是向发送方返回 1 个确认码,表示信息正确接收完毕,然后才去处理数据.不确认通信的通信方法与确认通信相似,但发送方和接收方不接收和发送确认码.确认通信提高了通信的正确性,但以增加系统开销为代价,对于要求快速第 4 期范春起风压式高层建筑外墙清洗机的控制系统 8l初始化程序模块主程序模块横向行走输入控制模块伺服悬吊系统横向行走纵向行走输入控制模块通信模块水泵风扇清洗液输入控制模块清洗主机横向行走刷洗部件转 90度角输入控制模块自动控制输入模块跳转程序模块 l【功能子程序模块横向行走榆测返同模块纵向行走检测返回模块水泵风嘲清洗液检测返回模块刷洗部件转 9O度角检测返回模块自动控制检测返回模块探 j 下探 Il 左探 Il 右探头检 i 头检 ll 头检l 头检测 1 测 ll 测 ll 测横向行走
