斗輪機智能控制技術研究

賁愛軍

摘 要：目前隨著自動化、智能化技術水平的不斷提升，斗輪機的各個系統(tǒng)也逐漸實現(xiàn)智能控制?，F(xiàn)本文就以斗輪機堆取料機為例，談談一種基于無線控制的智能控制系統(tǒng)及其相關技術，希望可以為相關人員提供一些參考。

關鍵詞：斗輪機；堆取料機；控制系統(tǒng)；智能

目前斗輪機已經(jīng)在多個生產(chǎn)領域得到了廣泛應用，使得裝卸作業(yè)效率得到大大提升，也解放了勞動力。隨著生產(chǎn)自動化智能化水平的不斷提升，生產(chǎn)作業(yè)隊斗輪機的智能化要求也越來越高。只有不斷的完善斗輪機的智能控制技術，才能讓斗輪機更適合現(xiàn)代生產(chǎn)需要。在本文中，主要是對一種斗輪堆取料機的控制系統(tǒng)及其智能控制技術進行了探析。

1 斗輪機的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

一般來講，斗輪式的堆取料機主要是由尾車伸縮機構(gòu)、懸臂膠帶機、回轉(zhuǎn)機構(gòu)、電纜卷筒機構(gòu)、斗輪機構(gòu)以及變幅機構(gòu)等組合而成的，相應的附屬電氣部分又包括照明電氣、應急燈與司機室取暖器等。堆取料機中的懸臂膠帶機構(gòu)運作機制是通過電機驅(qū)動以及輥子帶動膠帶進行轉(zhuǎn)動。其中的斗輪機構(gòu)主要包括8個斗齒以及總承，在電機驅(qū)動之下開展取料作業(yè)。相應的變幅機構(gòu)將會借助電機來帶動鋼絲繩滾筒進行不斷轉(zhuǎn)動，然后促進懸臂抬起或者是放下，這種情況下制動器將會采用液壓推桿的形式。堆取料機的回轉(zhuǎn)機構(gòu)會借助變頻器的控制電機在整機前半部分進行左右的旋轉(zhuǎn)，推動堆取料工作的順利開展。堆料機中的大車行走機構(gòu)主要包括六臺相同形式的電機驅(qū)動滾輪，有助于達到整機行走的目的。堆取料機中的各個設備在體積上都相對較大，且每個驅(qū)動元件、檢測元件以及執(zhí)行元件之間的距離都相對較遠，其原控制系統(tǒng)將繼電器控制作為運行主體，具體故障發(fā)生率相對較高以及維修時間相對較長的特點。為了在一定程度上確保堆取料作業(yè)有序進行，然后對故障進行及時排除，必須要比較頻繁地在每個組成機構(gòu)之間實施數(shù)據(jù)通信與協(xié)調(diào)控制。

本文設計的斗輪式堆取料機無線控制系統(tǒng)包含7個功能節(jié)點，1個控節(jié)點，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

如圖1所示，主控節(jié)點與功能節(jié)點構(gòu)成星型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。用戶可通過主控節(jié)點的上的人機交互界面控制功能節(jié)點完成對對堆取料機執(zhí)行機構(gòu)的啟停控制以及監(jiān)控各個功能節(jié)點反饋的各機構(gòu)運行狀態(tài)信息。

2 硬件設計

系統(tǒng)硬件設計主要包含主控節(jié)點與功能節(jié)點兩，主控節(jié)點與功能節(jié)點的硬件構(gòu)成相類似，區(qū)別在于主控節(jié)點主要包括主控制器模塊、射頻模塊、串口通信電路模塊、人機交互、指示燈模塊等四個電路模塊，而功能節(jié)點除包含上述五個模塊以外還包含了用于完成堆取料機執(zhí)行機構(gòu)啟?？刂频钠?停控制模塊。

2.1 主控節(jié)點

主控節(jié)點部分包含主控制器模塊、射頻模塊、串口通信電路、人機交互模塊、指示燈電路模塊等四個電路模塊。其中，主控節(jié)點的控制核心為KL25Z128VLK4（以下簡稱“KL25”），KL25是一款基于ARM CortexM0+內(nèi)核的工業(yè)級處理器，具有功耗低、體積小、資源豐富、抗干擾能力強等特點，目前已經(jīng)應用在手持設備、智能終端等能效要求較高的領域。KL25內(nèi)部已經(jīng)集成了接口（Serial Peripheral Interface，SPI），可方便的與射頻芯片連接，從而完成無線數(shù)據(jù)收發(fā)工作。設計選用德州儀器（TI）高性能CC1121 射頻芯片實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)收發(fā)，CC1121是TI公司推出的ISM頻段無線收發(fā)芯片之一，可工作在170MHz、433MHz、868MHz、915MHz等頻段，最大輸出功率達15dBm，最高傳輸速率達200Kpbs，接收靈敏度可達-123dBm。本系統(tǒng)設計射頻電路采用433MHz頻段，通信距離可達1000M。另外，主控節(jié)點還包括了串口通信電路模塊。該模塊主要功能是傳送斗輪式堆取料機所有的監(jiān)控數(shù)據(jù)到上位機，方便數(shù)據(jù)的長期保存，也可作為本系統(tǒng)或堆取料機出現(xiàn)故障時診斷或維修的依據(jù)。由于KL25具有豐富的GPIO接口，所以主控節(jié)點的人機交互界面采用鍵盤輸入、液晶顯示的方式。

2.2 功能節(jié)點

功能節(jié)點是以KL25、CC1121為核心的設計。各個功能節(jié)點分別安裝在堆取料機的各個執(zhí)行機構(gòu)中，直接對各個機構(gòu)進行控制，并采集各個執(zhí)行結(jié)構(gòu)的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

功能節(jié)點主要有兩個任務，一是負責對射頻收發(fā)芯片CC1121初始化，并通過驅(qū)動CC1121實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信；二是對現(xiàn)場信號的采集及對現(xiàn)場設備的控制。本設計中，為了增加無線傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x及提高無線信號的接收靈敏度，在射頻電路中分別設計了功率放大電路與低噪聲放大電路。功能節(jié)點中人的機交互模塊用于對功能節(jié)點的緊急控制，當堆取料機的執(zhí)行機構(gòu)沒有按照主控節(jié)點發(fā)出的命令工作時，工作人員可通過控制功能節(jié)點中的人機交互模塊控制執(zhí)行機構(gòu)正常工作。串口模塊負責與PC機通信，用戶可通過PC機實現(xiàn)對功能節(jié)點的初始化，其中包括設定射頻信號發(fā)送功率、功能節(jié)點ID等。系統(tǒng)采用電磁式繼電器實現(xiàn)現(xiàn)場設備的起/?？刂乒δ?。同時，為了增加系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在起/?？刂颇K基于光電隔離器件P521設計了光電隔離電路。

3 軟件設計

3.1 主控節(jié)點軟件設計

堆取料機的相應控制系統(tǒng)軟件在可靠性要求以及實時性要求方面相對較高，而且必須要存在超時檢測以及等待應答的過程，要求無線網(wǎng)絡所具有的響應速度要比CPU緩慢很多，所以，其在進行主控節(jié)點軟件檢查與設計的過程中，要采用科學化的多任務操作系統(tǒng)（簡稱為RTOS），也就是說RTOS能夠把相應的超時檢測、發(fā)送命令以及接收數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬Κ毩⒌娜蝿?，在一定程度上有效簡化了軟件的設計與編程。在本設計當中，我們采用了MQX操作系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包含占先式的實時內(nèi)核功能、任務管理功能、時間管理功能、任務通信同步功能以及內(nèi)存管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對任務的有效調(diào)度，在任務優(yōu)先級賦予上確保任務的快速響應。堆取料機主站由3部分組成，也就是協(xié)議解析部分、主控節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分、功能節(jié)點數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作函數(shù)部分。虛線右側(cè)屬于用戶監(jiān)控程序以及無線通信的接口部分。為了充分發(fā)揮其多任務實時完成的功能，需要對任務實施有效劃分。

3.2 功能節(jié)點軟件設計

堆取料機各大機構(gòu)對應的功能節(jié)點作為無線通信網(wǎng)絡的子節(jié)點，其控制程序采用模塊化編程，包括無線網(wǎng)絡通信管理模塊、堆取料機各機構(gòu)運行狀態(tài)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存模塊、I/O信號處理模塊等。其中，節(jié)點的通信模塊部分至關重要，關系到整個分布式控制網(wǎng)絡能否正常工作，該模塊射頻模塊初始化子程序、無線數(shù)據(jù)接收中斷程序和無線數(shù)據(jù)收發(fā)子程序組成，如圖4所示。

結(jié)束語

經(jīng)過實踐，證明了本系統(tǒng)在實際的工作中發(fā)揮良好，滿足了斗輪機的日常工作無線控制需求，促使了斗輪機的智能化發(fā)展。再加上本系統(tǒng)的性能較為穩(wěn)定，配置也較為靈活，成本也不是很高，因而值得大力推廣使用。

參考文獻

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