基于單片機的智能料槽控制系統(tǒng)在PROTOS卷接機組上的應用

陳靜

摘 要：智能料槽控制系統(tǒng)采用了3個檢測器和一個主控制器的結(jié)構(gòu)方式，系統(tǒng)通訊采用了分布式的通訊方式，每個檢測器有5個檢測點，主控器管理著3個檢測器的15個檢測點，通過主控器可以對15個檢測點的參數(shù)進行監(jiān)控和更改。

關鍵詞：PROTOS卷接機；分布式通訊；計量槽；單片機

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0055-02

PROTOS70卷接機組是我國于上個世紀90年代從德國虹霓公司引進的先進的卷接機組設備，其中VE70是PROTOS70卷接機組的供料成條機，其作用是將前置工序加工的煙絲進行整理、定量并均勻連續(xù)的將煙絲條傳輸給下游的卷煙機部分。這一過程需要控制的環(huán)節(jié)有：送絲風管的進絲、氣閘落料、煙絲儲料的料位、計量槽料位、煙絲進入煙槍以及煙絲的循環(huán)利用。其中計量槽料位檢測采用的是9點矩陣式邏輯控制板和運算控制板組合的檢測方式。這種9點矩陣式檢測系統(tǒng)的缺陷是：料位控制不夠穩(wěn)定，易造成堆料槽滿、陡角電機頻繁啟?；蚨蚜喜劭?、或堆料槽內(nèi)堵塞而導致主機停車等，直接影響到生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。為此，對VE70計量槽料位控制系統(tǒng)進行了技術改進。將原來的9點控制改為15點控制，更改后的計量槽料位相對均勻、供料平穩(wěn)，不發(fā)生堵塞、空料現(xiàn)象。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)采用典型的分布式控制系統(tǒng)設計技術，系統(tǒng)由3個一次檢測器和1個主控制器組成（如圖1所示）。每個檢測器上分布了5個檢測點，主控制器用于對3個檢測器進行管理和參數(shù)設置；為了保證檢測的快速性，分布式系統(tǒng)的檢測信息采用獨占通道的串行通訊，而對檢測器的管理與參數(shù)設置使用雙向總線通訊方式。

2 硬件配置

每個檢測器為5點式紅外線反射式檢測器，可以精確檢測煙絲的位置。單片機將獲得的煙絲位置信息采用串行輸出方式輸出給級聯(lián)的上位機，即#1檢測器輸出給#2檢測器，#2檢測器將自身的檢測結(jié)果以及#1檢測器的檢測結(jié)果一同輸出給#3檢測器，#3檢測器再將自身的檢測結(jié)果以及#2檢測器傳來的檢測結(jié)果一同輸出給主控制器。通過主控制器可以對3塊檢測器上的每一個點進行管理和參數(shù)設置。

主控制器以單片機為核心，有一個4位的8段數(shù)碼顯示器、一個6鍵鍵盤、一個雙向總線接口和一個串行單工接收口等組成。主控制器從串行單工接收口獲得檢測器的檢測結(jié)果，經(jīng)過處理后以OC門的方式輸出為卷接機控制設備，供上位機使用；同時也以段碼“E”的方式在數(shù)碼管上顯示5點的狀態(tài)，15點都沒有煙絲時顯示為“EEE”，使得操作人員直接了解各個檢測位置上的煙絲供應量的情況。

對各個檢測器的參數(shù)設置從另外一個雙向總線接口輸出。各個檢測器的設定參數(shù)保存在主控制器的非易失存儲器中。每次上電初始，主控制器讀取各個檢測器的設置參數(shù)，按選定地址推送到4位數(shù)字顯示器；需要進行修改時，主控制器將人為修改的參數(shù)填入通訊幀，從雙向總線上發(fā)送給各個檢測器，各個檢測器依據(jù)數(shù)據(jù)中的接收方身份ID辨識自己的數(shù)據(jù)，并將設置參數(shù)存入本身的內(nèi)存中，然后激活工作點。

主控制器以三極管輸出的方式輸出15個檢測光電管的狀態(tài)以及1個有效性標志位。輸出的極性可以通過軟件更改，而軟件的極性翻轉(zhuǎn)由主控制器電路板的跳線控制。操作人員可以根據(jù)大系統(tǒng)的設備需求變更輸出極性。同時主控制器仍然可以以串行通訊的方式向上位機提供檢測狀態(tài)，以適應各種不同的應用場合。

3 分布式通訊技術設計

為了保證分布式系統(tǒng)的分布特性，避免長距離通訊帶來的噪聲影響通訊的可靠性，本系統(tǒng)的通訊全部采用差分驅(qū)動方式的雙線串行通訊技術。為了防止長線傳輸出現(xiàn)的邊界反射現(xiàn)象帶來噪聲干擾，差分驅(qū)動線路均使用了去反射耦合技術。

為了保證檢測的快速性，檢測結(jié)果的傳輸采用了獨占式RS485串行通訊，保證下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)時沒有其他設備占用通道，這是分布式控制系統(tǒng)快速性的核心技術。

為了實現(xiàn)主控制器對各個檢測器的管理與控制，傳輸管理信息和設置參數(shù)采用了雙向總線的RS485通訊技術。主控制器與各個檢測器的通訊采用主從的應答方式，各個檢測器必須等待主控制器的“點名”，點到自己的時候才發(fā)送自己的信息，保證總線無沖突。

為了提高通訊的可靠性，對整幀使用了CRC校驗，拋棄出現(xiàn)錯誤的幀，保證數(shù)據(jù)與系統(tǒng)運行的可靠性。

本系統(tǒng)設計了2套通訊協(xié)議，一套用于檢測器上報檢測結(jié)果，另一套用于主控制器與多個檢測器之間的信息交互與管理。

主控制器與各個檢測器之間的一對多通訊相對比較復雜。由于有4個對象要共同使用一套總線，而避免總線沖突的技術較為復雜，多數(shù)串行總線都采用了主從制通訊方式，即有一個通訊單元作為主導方，其余通訊對象作為從屬，聽從主導方的通訊調(diào)度。本系統(tǒng)中，主控制作為主導方，各個檢測器作為從屬方。

主控制器利用這個總線向各個檢測器寫入特定的工作參數(shù)設置值，獲取各個檢測器的工作狀態(tài)，因此對通訊可靠性有很高的要求。為了滿足可靠性的要求，通訊協(xié)議設計成字符方式。

通訊幀采用字符傳輸方式，因此采用了特殊符號@作為幀頭標志；接收方地址采用兩個（A_H、A_L）ASCII字符表示一個字節(jié)的十六進制數(shù)值（0～9，A～F）；操作指令采樣單字節(jié)命令，單個字母表示不同含義的命令（R讀，W寫，S自學習，F(xiàn)恢復出廠值，讀L邏輯狀態(tài)，D應答數(shù)據(jù)，M寫FLASH）；各個檢測器的工作參數(shù)存放在給定地址的內(nèi)存中，連續(xù)存放，對這些數(shù)據(jù)的讀寫需要給定地址或首地址，該地址的表示方式與通訊接收方地址的表示方式相同，即CH_H 、CH_L；對檢測器的參數(shù)寫入、讀取都是整組實現(xiàn)，每組的長度由數(shù)據(jù)長度決定，即LEN_H、LEN_L；然后就是寫入的數(shù)據(jù)（讀取指令中沒有具體數(shù)據(jù)）D0～Dn，每個字節(jié)數(shù)據(jù)也都是采用2個ASCII字符表示；數(shù)據(jù)之后是校驗碼；最后是一個回車符，表示一個幀的結(jié)束。

操作指令除了對內(nèi)存中工作參數(shù)的讀寫之外，還包含的特定的動作，如啟動自學習進程、恢復出廠值、用FLASH保存數(shù)據(jù)等。

各個檢測器接收到指令后首先檢查幀的完整性和正確性，然后判斷是否給自己的命令，如果是就執(zhí)行，如果不是則拋棄。

這種幀設計技術極大的提高了通訊的可靠性，同時也實現(xiàn)了主從方式的一對多通訊，是單片機中普遍使用的方法之一。

4 系統(tǒng)運行結(jié)果

改造后的計量槽料位檢測裝置比以往的單純硬件電路板相比，安裝方便，工作穩(wěn)定可靠；同時操作人員可以對各個監(jiān)測點的工作狀況可以通過數(shù)碼顯示器直觀了解。由于計量槽料位檢測裝置采用分布式檢測技術，可以對檢測點進行裁剪和擴充，滿足不同場合的適用需求。本系統(tǒng)還可以對工作參數(shù)可以修改設定適應不同的工作介質(zhì)，輸出方式既有晶體管陣列輸出，也保留了一個串行通訊輸出口，可用于具有通訊接口的上位系統(tǒng)使用，適應不同的控制系統(tǒng)。

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