智能喷淋养生系统设计与实现.docx

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智能喷淋养生系统设计与实现

NewlycompiledonNovember23,2020

智能喷淋养生系统设计与实现

摘要

随着我国经济的发展，桥梁道路的建设。

我国对梁体预制品的需求也随之剧增，在预制梁的养护中，由于箱梁养护期长，梁体又高大，传统的养护方法工人需爬上爬下，操作极不方便，且费工费水，还养护不到位，存在死角，效果不佳，不能保证梁体的养护质量，显然传统预制梁养生为基础已不适应生产的要求。

因此全覆盖和全自动的预制梁养护的自动喷淋系统，在梁场用于梁体养护，效果很好，覆盖面积大，做到了全覆盖，既节省了人工，又节约了用水。

实现了独特的“全自动、无人值守、无死角”的预制梁养护，即使混凝土表面保持充分湿润，提高了预制梁的梁体强度，而且梁养护时也做到了省时省力。

关键词：

自动喷淋系统机器人控制器

第一章绪论

自动喷淋系统的研究目的和意义

自动喷淋系统（含机器人喷淋执行机构）是以PLC系统为技术支撑，融入了电子计算机技术，数据传输技术，让喷淋公交智能化，人性化，在预制梁的养护中的真正做到实现了独特的“全自动、无人值守、无死角”的预制梁养护，即使混凝土表面保持充分湿润，提高了预制梁的梁体强度，而且梁养护时也做到了省时省力。

除此之外还可以为每片预制梁，提供养护的档案，做到有据可查，便于监护，通GPS将预制梁开始养护日期，养护时间等进行上传，建立完备的档案。

预制梁养护的现状

随着我国经济的发展，桥梁道路的建设。

我国对梁体预制品的需求也随之剧增，在预制梁的养护中，由于箱梁养护期长，梁体又高大，传统的养护方法工人需爬上爬下，操作极不方便，且费工费水，还养护不到位，存在死角，效果不佳，不能保证梁体的养护质量，显然传统预制梁养生为基础已不适应生产的要求。

本文的主要内容是是这样的，第一章，了解国内的传统的养护基本现状；第二章，介绍智能喷淋系统的组成以及工作原理；第三，介绍智能喷淋系统PLC控制器的总体方案、组成；第四，主要介绍喷淋系统控制器的模块的实现的具体设计、模块的性能指标以及器件选型；第五，喷淋系统控制器的PCB设计要求及PCB设计；第六，喷淋系统的软件设计。

参照标准

《自动喷水灭火系统设计规范》（GB50084-2001）

《自动喷水灭火系统施工及验收规范》（GB50261-2005）

《室外给水设计规范》（GB50013-2006）

《用户外机柜一般要求》（YD/T1537-2006）

第二章智能喷淋系统系统的组成及工作原理

智能喷淋系统组成

智能喷淋系统由监理管理中心分系统、信息发布分系统、信息传输分系统、PLC控制柜系统、电子阀分系统、机器人喷淋执行系统组成。

智能喷淋系统组成示意图，如图1所示。

图智能喷淋系统组成示意图

监理管理中心分系统是智能喷淋系统的顶端系统，通过信息传输分系统接收PLC控制柜系统上传的数据，并进行数据处理，备份。

为每预制梁的每片梁建立档案，记录每片梁出生日期，喷淋养护开始及结束日期，每天的喷淋情况。

信息发布分系统主要完成档案查询及打印功能。

可将每片梁的喷淋养护开始,结束,每天的喷淋养护记录进行打印以查阅。

PLC控制柜系统主要包括主控制器模块、LCD液晶显示屏模块、限流保护模块。

完成机器人喷淋执行时间的预置、显示等功能。

电子阀分系统，由阀防水阀及线组成控制水源的通断的网络。

机器人喷淋执行系统主要由运动车、固定架、支架、方向控制器及行程开关组成，完成喷淋养护功能。

智能喷淋系统工作原理

智能喷淋系统通过PLC控制柜系统的LCD触摸屏的键盘设置工作状态，并按照预置的工作时间控制着机器人喷淋执行系统的工作，同时将预置执行的信息通过GPRS模块，上传到监理管理中心分系统，以供查阅，打印等。

机器人喷淋执行系统，通过PLC控制柜系统的控制供电，并借助自身的主控制模块，控制机器来回往复，执行喷淋养。

智能喷淋系统功能

●数显记忆和可设定喷淋时间；

●数显倒计时工作方式：

倒计时分；

●工作点数：

通常30台座，预留最大99台座，可扩展；

●工作时间：

喷淋1--999秒可设；时间间隔1-9999分钟可调；

智能喷淋系统特征

1、高寿命、低功耗；

2、控制准确；

3、高功效；

4、操作简单、维护方便；

5、输入电压：

220V±10%；

6、额定功率：

40W-200W；

7、相应电路保护：

过流，短路保护。

第三章智能喷淋系统PLC控制器的组成、总体方案

智能喷淋系统PLC控制柜系统由主机箱、PLC（主控制器）、通讯单元、触摸屏显示、母子线排、电源、保护限、操作软件等部分组成，整个系统喷淋养护过程中的每个环节控制全部由PLC进行控制，以实现全自动化养护。

PLC控制柜系统设置为各阀口依次工作，控制用水量及保证供水压力。

喷淋养生系统结构框图如下图所示。

图PLC控制柜系统系统工作原理框图

主控制机箱

1、由于主控制机箱安装在室外，应用环境较为恶劣，设计及用材上充分考虑具备承受各种气候环境的能力,包括:

雨,雪,冰雹；

2、内部结构布局合理,根据电气特点分设专门的主控制区、电源区、过流保护仓、母线排配线区；

3、机箱材质:

镀锌板；

4、机箱外壳工艺:

采专用塑粉喷涂；

主控制器

主控制器采用欧姆龙公司的PLC可编程控制器。

欧姆龙公司PLC产品门类齐、型号多、功能强、适应面广，根据现场的最大容量93点的控制要求，选用欧姆龙公司的OMRONC系列，PLC可编程控制器；

1、继电器输出，交流，直流；

2、指令功能强、运算速度快；

3、完善的通信功能。

触摸屏

1、人机接口，采用昆仑通泰的触摸屏做为输入的接口，同时显示各个水阀的工作时间；

2、，是一套以嵌入式低功耗CPU为核心（主频400MHz）的高性能嵌入式一体化工控机。

该触摸屏设计采用了10"英寸高亮度TFT液晶显示屏，四线电阻式触摸屏（分辨率4096×4096），同时还预装了微软嵌入式实时多任务操作系统；

3、液晶屏：

TFT液晶显示，真彩，65535色，LED背光；

4、液晶屏亮度：

200cd/㎡；

5、供电电源：

24VDC；

6、机柜开孔：

61mm×178mm

过流保护

根据负载电流，选用欧姆龙公司的高可靠性空气开关，为每个控制点的过流保护功能。

过流保护点根据使用电磁阀型号具体确定。

母线排

母线排采用理线架安装走线，完成线缆的容纳和管理功能。

电源

为了增加系统的可靠性，减小现场电源的干扰，增加了隔离电源，电源的输入交流220VAC，输出直流24VDC/8A。

纹波系数<%

温控装置。

通过温度采集与设置的温度进行对比，机箱内的温度超过设定值时，启动散热的装置，进行散热，以便于系统在高温下安全可靠地工作。

操作软件

在进行系统设计时，将结合软件工程化的要求，对软件可靠性进行考虑：

a）自顶向下设计，将系统软件分为不同层次；

软件编制模块化，对每个模块提出各自要求，分清与其他模块的接口，使程序易于编写、测试及修改；

b）采用高级编程语言编写，使程序更易于结构化，结构化的程序更易于编写及调试；

c）使用软件容错技术，在程序崩溃时能自我恢复，加强程序的健壮性。

软件的工作界面

考虑现场的使用，操作界面须要具备实用性，简洁性。

工况示意图如下图所示。

工作控制区的每个水阀可以分别设置计时的时间，以秒数控制喷淋时间，以分钟控制间隔时间；设置完成后，按启动键开始工作。

可以随时增加，也可以任意终止某个工作控制阀。

技术风险分析

设计的实现的技术途径均采用了当前成熟的技术和方法，主控制单元在类似产品上得到应用且稳定可靠。

处理器模块的处理能力完全满足技术指标要求，显示器采用经过验证的成熟产品，各项技术指标满足系统需要。

技术更新

在完成功能的基础上，预留了硬件接口及软件接口的规化，冗余系统升级。

现场生产规模增大，在不改变系统的当前状态下，进行软件升级便可以实现产品更新。

第四章机器人喷淋执行系统组成及工作原理

机器人喷淋执行系统运动车、固定架、支架、方向控制器及行程开关、导规、水管组成。

机器人喷淋执行系统组成

运动车

运动车由电机、减速机构、底盘，传动链条等附件组成。

如下图所示。

L型雾化水架

L型雾化水架则由DN25的镀锌钢管连接，组成围绕箱梁的水架，在相应的点位安装喷头，以实现喷淋时的全覆盖。

水架喷头覆盖箱梁的上表面、箱梁的两侧及箱梁的中心；水架设计为每一节，每节设置6~8个喷头。

2图L型雾化水架

喷淋水架采用自动扫描式喷水架，喷淋水架实物图见下图.

喷淋执行系统

第四章机器人喷淋执行系统工作原理

第三章养护机器人的模块设计实现

养护机器人的总体方案

养护机器人对外交联关系

养护机器人采用2个标准的IDC插座与外部LED电子屏连接。

能过J1端子提供2路输入电源，两路输入电源分别为市政电源、太阳能所提供，并通过DB1、DB2以RS232串口通讯方式与GPRS、GPS模块联接。

并分别预留了四路离散输入输出，并通过J2端子输入四路模模拟量。

养护机器人外部交联关系如图3所示。

图养护机器人对外部交联关系图

养护机器人组成

养护机器人设计由6个模块组成，分别为MCU主控制模块、电源输入模块、无线通讯模块、LED屏控制模块、I/O接口模块和AD采集模块，各模块间通过自定义的数据、控制线进行联接。

养护机器人工作原理

养护机器人由MCU主控制模块控制，通过AD模块采集模拟量并完成数据处理。

同时通过串口与GPRS、GPS模块进行通讯，完成数据信息的交互，形成LED显示数据并存贮显示数据，同时协调LED屏控制模块读取显示数据，完成LED屏的显示控制。

离散量根据功能要求读取I/O量。

养护机器人原理框图如图所示。

图养护机器人原理框图

养护机器人组成模块功能

MCU模块为控制器的主控模块，控制软件运行在该模块上，除了MCU主微处理器电路外，还含有实时时钟、复位电路电路。

通过运行在MCU微处理器的程序控制整个控制的功能，实现GPRS、GPS通讯，模拟数据的采集以及I/O的输入输出。

I/O模块主要完成离散量的输入与输出，将外围输入与输出通过光电耦合器件进行电气隔。

串口模块主要由电平转换电路、光隔电路等构成，完成电平转换与电平隔离及防雷设计。

通过DB9端子与GPRS、GPS通讯完成车载系统及线路调度管理中心分系统的通讯。

AD采集模块，主要完成模拟信的隔离与放大，并将模拟信号转化为数字信号。

经MCU模块处理后，送LED电子屏进行显示。

PS模块主要完成主从电源的切换功能并将电源转换为各模块所需要的电源。

为控制器提供供电。

双路电源输入，并以太阳能为主，当太阳能供电欠压时，主动切换到市电供电。

输入的电源经过PS模块后，形成，，5V。

给相应的各个模块提供供电。

LED显示控制模块主要由FPGA完成逻辑控制设计，通过行扫描控制着屏的亮度，同时从存贮器中读取显示屏数据，送显示屏的显示，刷新频率：

60Hz。

第四章养护机器人的模块设计实现

模块的设计

MCU模块的功能及组成

MCU模块为养护机器人主控模块，任务程序运行在该模块上，该模块除主处理器电路外，FPGA逻辑电路、存贮电路图电路、时钟以及外围驱动电路。

以主处理器电路为核心通过板上逻辑驱动电路提借各模块的接口电路。

MCU模块原理框图如图所示。

图MCU模块原理框图

MCU模块主要性能指标

●微处理器：

STC89L58RD2-40-I或SST89V58RD2-33-C-NJ处理器；

●存储器：

2MBSDRAM内存，2MBFLASH存储器；

●系统时钟：

；

●电子屏接口：

16线扁平电缆，含时钟CK，数据线R、G、G，使能线EN、锁存RCLK，5V接口电平；

●串口接口：

2路，接口电平为TTL电平；

●离散量：

4路输入，4路输出，信号电器特征“高电平/低电平”表示；

●供电和接地：

+5V/、12V/，其中主控制器信号地GND和无线模块两个地隔离；

●功耗：

整板做计功耗不大于800mA；

●温度：

工作温度-20～75度；

●调试平台：

KeiluVision2；

●LED：

上电LED，程序运行LED，程序调试LED。

MCU模块主要器件选型

●微处理器选用STC89C58RD2-40-I或SST89V58RD2-33-C-NJ；

●采用1片CY7C1010DV33-10ZSXI实现2MB的SDRAM；

●采用1片ATmel公司的AT29LV020-12JC实现2MB的FLASH；

●选用北京晶宇兴科技有限公司公司的XO75NABT晶体振荡器做为系统时钟；

●复位电路选用IMP公司的IMP812SEUS-T；

●数字温度传感器选用DALLAS公司的温度传感器DS18B20；

●实时时钟选用DALLAS公司的DS1302Z实时时钟芯片；

●地址锁存器选用TI/公司的74HC574完成地址锁存。

MCU模块电路的设计

依据功能，针对接口电路的功能需求，确定主处理器的I/O口的能力，选用SST89V58RD2微处理器，并依据运算数据及数据存贮的容量选用SDRAM和FLASH的容量，MCU对存贮的访问是以总线形式实现数据存贮与读取的。

复位电路采用上电自复位，同时具备手动复位功能，复位电平为高电平复位。

而温度的测量设计，则采用“一线总线式”温度传感器进行测量温度。

MCU模块的设计电路设如图所示。

图MCU模块的设计电路

LED显示控制模块的设计

LED显示控制模块的功能及组成

LED显示控制模块为养护机器人控制LED屏显示的模块，任务程序运行在该模块的FPGA可编程序逻辑器件上，除完成SDRAM数据的存取，控制LED屏的显示与亮度外，还实现对AD的操作，读取采集的数据，同时还有I/O的扩展，经I/O模块实现离散输出。

该模块除主逻辑FPGA电路外，还有程序存贮配置电路及外围驱动电路。

同时外扩了一路过串口，便于将调试信息上传。

为了便于测试LED屏的显示，设置开关，通过拔动拔码开关来设置LED的测试显示模式。

LED显示控制模块原理框图如图所示。

图LED显示控制模块原理框图

LED显示模块主要性能指标

●微处理器：

可编程逻辑器件；

●I/O驱动：

具有可编程逻辑器件的I/O驱动设计；

●存储器：

2MBSDRAM内存，2MBFLASH存储器；

●系统时钟：

10Mhz；

●电子屏接口：

16线扁平电缆，含时钟CK，数据线R、G、G，使能线EN、锁存RCLK，5V接口电平；

●串口接口：

2路，接口电平为TTL电平；

●离散量：

4路输入，4路输出，信号电器特征“高电平/低电平”；

●供电和接地：

+800mA、800mA；

●功耗：

模块功耗约不大于400mA；

●调试平台：

QuartusII；

●LED：

程序运行LED，程序调试LED；

●下载端口：

JTAG下载口调试口。

图LED显示控制模块的设计电路

AD模块的设计

模块的功能及组成

AD模块为养护机器人控制模数转换模块，主要是将模拟转换为数字信号。

模拟信号。

输入的温度、湿度、噪声模拟信号，经滤波进行射随电路后，送入AD电路。

由FPGA进行读取量化后的数字量。

AD模块主要由运算放大器构成的射随电路和数模转换器组成。

AD模块原理框图如图所示。

图AD模块原理框图

AD模块主要性能指标

●AD供电电源：

采用供电的AD；

●AD转换速率频率：

32uS；

●AD转换精度：

10Mhz；

●总的不调和误差±1LSB。

AD模块主要器件选型

●隔置电路：

采用TI公司的LM324；

●数模转换：

采用TI公司的TLV0834CD。

模块电路的设计

模拟信号从J13端子输入，经RC低通滤波电路后送入由LM324构成的射极跟随器后，送入TLV0834数模转换器中。

然后由逻辑控制器FPGA进行数据采集的读取。

AD模块显的设计电路如图10所示。

图AD模块显的设计电

4.3I/O模块的设计

4.4.1I/O模块的功能及组成

I/O模块电路设计相对来说较为简单，主要是为养护机器人控制提供了预留的4路离散量输入和4路离散量输出。

经过光电耦合器隔离输入与输入。

其中输入的端的正向电流的限流电阻选用1K，输出的上拉电阻选用，电阻精度均用5%的。

I/O模块原理框图如图11所示。

图I/O模块原理框图

4.4.2I/O模块主要性能指标

●光电隔离输入：

4路；

●光电隔离输出：

4路；

●光隔反向电流：

小于10uA；

●光隔正向压降：

小于；

●光隔电流传输比：

50-600%。

4.4.3I/O模块主要器件选型

●采用1片TLP-281-4实现4路光隔输出；

●采用1片TLP-281-4实现4路光隔输入；

●封装：

采用表贴SOP8。

4.4.4I/O模块电路的设计

图I/O模块的设计电

串口模块的设计

串口模块的功能及组成

串口模块为养护机器人控制通讯模块，主要是将串口扩展电路和电平转换电路及保护电路组成。

串口模块主要性能指标

●波特率通讯：

9600bps，无流控信号；

●串口通讯：

2路；

●串口抗浪涌：

具有防雷抗浪涌能力。

串口模块主要器件选型

●采用1片成都视普科技公司的SP2338实现3路串口，其中一路预留。

串口模块电路的设计

图串口模块的设计电路

PS模块的设计

PS模块的功能及组成

电源模块主要为养护机器人控制各模块提供电源，主要由降压电路、电源切换电路和稳压电路组成。

电源模块的原理框如图14所示。

图电源模块原理框图

PS模块主要性能指标

●具有输入电压的过压、输出电流的过流、短路保护；

●+5V输出波动范围≤±3％，最大输出电流，纹波小于75mV；

●+5V隔离输出波动范围≤±3％，最大输出电流200mA，纹波小于75mV；

PS模块主要器件选型

●降压电路采用TI公司的LM317；

●采用1片公司的NCP1117STAT3实现5V到；

●采用1片公司的NCP1117ST33T3实现5V到；

●选用广州金升阳公司的B0505T-1W隔离输出的DC/DC；

PS模块电路的设计

电源模块主要给其它各个模块提供供电。

输入市电DC12V经LM317后，输出DC5V，与太阳能供电提供的DC5V一起输入电源切换电路，由电源切换电路主要完成太阳能及市所提供的两路电源进行二切一，当太阳能欠压时，自动压换到市电。

两路三端稳压器，是把5V电压转换来、。

电源模块的设计电路如图15所示。

。

图电源模块的设计电路图

第五章养护机器人PCB板的设计

养护机器人PCB的设计要求

养护机器人控制的电路设计由PROTEL99SE设计完成。

分两路分一部是原理图，一部分是PCB板。

而原理图设计后做了电气检查（ERC）。

PCB的设计过程中做了DRC的检查，考虑了板材及板厚对阻抗的影响，设置走线及线宽减小其影响，同时考虑了加工厂加的加工能力，在设计中，降低加工难度。

而过孔的孔径的设计，充分考沉锡的厚度，走线布局都做了考量，尺可能走线平滑，避免直角设计，焊盘尽可能大来提高可靠性。

部分焊点做了泪滴处理。

加工时要求加工厂家做热风整平（HASL）工艺。

养护机器人PCB的设计

PCB已设计完成，如图所示

图PCB图

第六章养护机器人软件设计

养护机器人的软件的主要功能

养护机器人的软件分为两部分，一部分为微处理的主程序，采用C51语言进行的软件设设计，另一部分为FPGA的逻辑程序，采用Verlgic进行的软件设计。

主程序主要控制着串口收发，数据采集、数据据存贮等功能；FPGA逻辑程序主要是从存贮器读取数据去刷新LED电子屏的显示内容

养护机器人的软件设计

微处理的主程序设计

C51程序

2007-11-10,TH1=TL1=0xf3;....

micro_count=0;*****************************************************************/

staticvoidTimer0（void）interrupt1using1

{

Returns:

无.

*****************************************************************/

/*****************************************************************

Function:

LED_Clear0A（）

Description:

LED_buf[32]设置为0x0A,以使LED8字板黑屏显示

Parameters:

无

Returns:

无.

*****************************************************************/

voidLED_Clear0A（void）

{

BYTEi;

EA=0;

for（i=0;i<32;i++）

LED_buf[i]=0x0A;*****************************************************************/

/*

voidTestSelf（void）

{

bWorkFlag=0;*****************************************************************/

voidTestProcess（void）

{

BYTEi;

if（bOpen_LED_Mark）

{

for（i=0;i<32;i++）

LED_buf[i]=TestCount+0x30;*****************************************************************/

voidCmd_answer_1（void）

{

BYTEi,c;

EA=0;

uart_tx_size=3;

for（i=0;i

uart_tx_buf[i]=uart_rx_buf2[i];*****************************************************************/

voidCmd_answer_2（void）

{

BYTEc;

EA=0;

uart_tx_size=4;

uart_tx_buf[0]=0xFF;

uart_tx_buf[1]=0xE0;

uart_tx_buf[2]=0xAA;

EA=1;

uart_tx_ctr=0;

uart_tx_bcc=0;

*****************************************************************/

voidCmd_answer_3（void）

{

BYTEc;

EA=0;

uart_tx_size=3;

uart_tx_buf[0]='>';

uart_tx_buf[1]='';

uart_tx_buf[2]='>';

EA=1;

uart_tx_ctr=0;

uart_tx_bcc=0;

*****************************************************************/

/*