Zigbee無線技術(shù)在混凝土機械一體化控制上的應用

劉 暾

（三一重工研究院 控制所，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著工程機械技術(shù)的不斷進步，工程機械正朝著自動化與智能化的方向發(fā)展。目前的混凝土攪拌車在給泵車和車載泵及拖泵喂料時，需要人工頻繁的操作來控制攪拌車的喂料速度，造成攪拌車發(fā)動機速度經(jīng)常大幅度上升、下降，不僅操作麻煩、油耗增加，而且經(jīng)常會由于操作不及時導致混凝土溢出。為了使攪拌車可以自動喂料，本文設計了一種基于Zigbee無線技術(shù)與CAN總線的聯(lián)控系統(tǒng)［1］，對攪拌車喂料對象的混凝土容量狀況進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)攪拌車的自動化卸料。

1 系統(tǒng)設計

本控制系統(tǒng)分為攪拌車喂料控制和泵送設備料斗容量監(jiān)控兩部分。攪拌車控制部分由攪拌車控制器、Zigbee模塊和執(zhí)行機構(gòu)組成；泵送設備監(jiān)控部分由泵送設備控制器、Zigbee模塊和超聲波測量模塊組成。混凝土機械一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 混凝土機械一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 料斗容量測量及轉(zhuǎn)筒控制方案

2.1 料斗容量情況分析

根據(jù)料斗內(nèi)混凝土的高度以及泵車泵送混凝土的特性，混凝土喂料過快將會溢出料斗，而過慢將會導致泵車泵送時出現(xiàn)吸空，因此將泵車料斗內(nèi)混凝土容量分為3種情況（如圖2所示）：①混凝土溢出，此時混凝土溢出料斗，造成混凝土的浪費；②混凝土在基準范圍內(nèi)，此時混凝土的高度合適，不會發(fā)生溢出也不會發(fā)生吸空；③混凝土在攪拌葉最高位之下，此時泵車泵送時會因為料斗內(nèi)混凝土不足而發(fā)生吸空現(xiàn)象。

針對料斗內(nèi)3種混凝土情況，將混凝土高度劃分為兩個界限，略低于溢出面處為上界限，略高于吸空面為下界限（略低于溢出面和略高于吸空面是為了形成一個緩沖區(qū)），并將此兩界限隔成的混凝土高度情況分為3個等級：①混凝土高于上限時為溢出級；②混凝土在界限之間時為正常級；③混凝土低于下限時為吸空級。

攪拌車根據(jù)這3個等級做出相應的控制響應，自動調(diào)整攪拌筒轉(zhuǎn)速：①攪拌筒反轉(zhuǎn)，直至混凝土降到基準范圍內(nèi)；②攪拌筒與泵車排量相匹配，保持在基準范圍內(nèi)；③攪拌筒無極升速，直至混凝土升到基準范圍內(nèi)。

圖2 料斗容量情況分級圖

2.2 攪拌筒喂料速度與泵車排量相匹配

通過對泵車現(xiàn)有排量的計算，得出料斗容量下降的速率，如果攪拌桶的喂料速度與料斗容量下降速率一致，將能夠使料斗的容量保持在一定的范圍內(nèi)，從而達到攪拌車發(fā)動機速度平穩(wěn)且泵車不會產(chǎn)生吸空的最佳工作狀態(tài)。

攪拌筒轉(zhuǎn)速與發(fā)動機轉(zhuǎn)速和油泵排量的關(guān)系為：

其中，馬達排量與減速機減速比為常數(shù)，油泵排量由電比例閥控制。

首先根據(jù)泵車輸送缸的面積、長度以及混凝土的容積率計算出輸送缸內(nèi)混凝土的體積，再除以換向次數(shù)，求出單位時間內(nèi)輸送缸可輸送混凝土的體積，即輸送缸輸送速率P（L/s）：

由輸送缸的輸送速率除以攪拌筒每轉(zhuǎn)的出料量得出攪拌筒的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速求出所需電比例閥電流：

其中：L為攪拌筒每轉(zhuǎn)的出料量；KI為電比例閥電流與轉(zhuǎn)速比例系數(shù)；RI為電比例閥基準電流。此時通過調(diào)整電比例閥電流可以得到相應攪拌筒的轉(zhuǎn)速。

當電比例閥電流增加到最大后還需繼續(xù)增加攪拌筒轉(zhuǎn)速，由式（1）可知此時需要通過調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速才能增大攪拌筒的轉(zhuǎn)速。發(fā)動機轉(zhuǎn)速n（r/s）為：

其中：KN為攪拌筒與發(fā)動機轉(zhuǎn)速比。

發(fā)動機調(diào)速電壓U（V）為：

其中：rd為發(fā)動機怠速；rv為每伏電壓對應的發(fā)動機轉(zhuǎn)速；Ur為怠速電壓。

此時控制電路根據(jù)計算得到的調(diào)速電壓通過調(diào)整發(fā)動機油門開度來調(diào)整發(fā)動機轉(zhuǎn)速，從而得到相應的攪拌筒轉(zhuǎn)速。

3 硬件電路設計

該系統(tǒng)的硬件分為泵車監(jiān)控系統(tǒng)和攪拌車控制兩部分。其中泵車監(jiān)控系統(tǒng)主要由CAN信號調(diào)理模塊、超聲波檢測模塊、Zigbee模塊以及主控芯片構(gòu)成。攪拌車控制由CAN信號調(diào)理模塊和Zigbee模塊構(gòu)成。本文只介紹泵車硬件電路。

3.1 CAN信號調(diào)理電路

泵車上的CAN信號通過物理接口PAC82C250連接高速光耦隔離器6N137以提高CAN節(jié)點的抗干擾性，再接入信號調(diào)理模塊核心芯片CAN協(xié)議控制器MCP2510，MCP2510由SPI接口連接至主控芯片S3C2410。

3.2 超聲波測量電路

混凝土容量的超聲波測量電路核心為LM1812，其包括1個脈沖調(diào)制C類發(fā)射器、1個高增益接收器、1個脈沖調(diào)制檢測器及噪聲抑制電路［2］。因為超聲波傳播速度受溫度的影響，需要進行溫度補償以提高測量精度。

3.3 Zigbee模塊

Zigbee模塊的核心是CC2420，其選擇性和敏感性指數(shù)超過了IEEE802.15.4標準的要求，可確保短距離通訊的有效性和可靠性。電路中主控芯片S3C2410通過SPI接口與CC2420進行數(shù)據(jù)通訊，并由CC2420的射頻模塊收發(fā)無線信號。

4 軟件設計

4.1 泵車控制程序設計

圖3為泵車控制程序流程圖。首先，在無線通訊前對系統(tǒng)進行初始化，然后進行數(shù)據(jù)檢測，包括料斗容量和泵車排量，當檢測到入網(wǎng)信息時進行通訊握手，沒有則繼續(xù)檢測入網(wǎng)信息。握手成功后，如果沒有中斷信號則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入緩存區(qū)，然后通過射頻模塊發(fā)送；有中斷信號則停止發(fā)送，進入入網(wǎng)信息檢測模式。

4.2 攪拌車控制程序設計

圖4為攪拌車控制程序流程圖。首先對系統(tǒng)進行初始化，當激活入網(wǎng)功能后發(fā)送入網(wǎng)信息，無則結(jié)束程序；有則發(fā)送入網(wǎng)信息與泵車Zigbee模塊進行通訊握手，握手成功后接收來自泵車的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進行工況判斷，最后由控制器調(diào)整攪拌車攪拌筒速度。

圖3 泵車控制程序流程圖

圖4 攪拌車控制程序流程圖

5 結(jié)論

本應用以Zigbee無線技術(shù)、超聲波測距和CAN總線為平臺搭建了一個可以使攪拌車和泵車進行一體化控制的系統(tǒng)。通過對泵車料斗內(nèi)混凝土容量的分級來劃分不同的工況，攪拌車根據(jù)接收到的混凝土容量檢測數(shù)據(jù)，針對不同的工況自動調(diào)整喂料速度，解決了攪拌車喂料需人工頻繁操作的問題。

［1］張祖媛.基于CC2430芯片的礦山井下車輛定位系統(tǒng)［J］.礦山機械，2009，37（23）：34－37.

［2］于瑋，陳毅華，封維志，等.無線超聲波液位測量系統(tǒng)的設計［J］.工礦自動化，2012（2）：98－102.