袋裝水泥自動(dòng)裝車(chē)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李啟迪，李永新，楊 溢

(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué) 工程科學(xué)學(xué)院，安徽 合肥 230027)

0 引 言

近年來(lái)，受?chē)?guó)家去產(chǎn)能及環(huán)保政策日益收緊影響，全國(guó)水泥產(chǎn)能呈下降趨勢(shì)。我國(guó)已經(jīng)成為全球最大的水泥生產(chǎn)國(guó)，國(guó)內(nèi)規(guī)模較小的水泥企業(yè)數(shù)量眾多，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，迫切需要技術(shù)升級(jí)。目前，大部分水泥廠商在水泥批量化生產(chǎn)的過(guò)程中，水泥裝袋的過(guò)程已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，但是在袋裝水泥裝車(chē)環(huán)節(jié)，國(guó)內(nèi)水泥企業(yè)大多采用人工作業(yè)的方式，這不僅有著裝車(chē)效率低，勞動(dòng)強(qiáng)度大的缺點(diǎn)，還存在工人砸傷、滑倒、跌落等安全生產(chǎn)隱患，以及粉塵、負(fù)壓等嚴(yán)重威脅工人健康。FLSmidthVentomatic公司研發(fā)的吸盤(pán)式自動(dòng)裝車(chē)機(jī)[1]，有著穩(wěn)定碼垛、適應(yīng)不同車(chē)長(zhǎng)并且碼包時(shí)速最快達(dá)到3000包/h等優(yōu)點(diǎn)。但由于國(guó)內(nèi)水泥包尺寸參差不齊，水泥袋的質(zhì)量也比較差，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化程度低，其采用真空吸盤(pán)結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致水泥包破損嚴(yán)重，并且氣泵設(shè)備需要較大的安裝空間。HAVER公司開(kāi)發(fā)的SpeedRoad全自動(dòng)快速裝車(chē)系統(tǒng)[2]，有著碼包類(lèi)型多樣、碼包時(shí)速快、碼包方式溫和、整體設(shè)備簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但由于國(guó)內(nèi)貨車(chē)車(chē)廂尺寸大小不一，其沒(méi)有沿著車(chē)寬方向移動(dòng)的機(jī)構(gòu)，因此車(chē)寬適應(yīng)性不強(qiáng)。武漢藍(lán)海燕智能裝車(chē)設(shè)備有限公司自主設(shè)計(jì)的全自動(dòng)袋裝水泥裝車(chē)機(jī)[3]，改變了人工裝車(chē)的方式，滿足了自動(dòng)化需求，但其只適合低檔裝車(chē)速度要求，同樣也存在車(chē)寬適應(yīng)性不強(qiáng)的問(wèn)題。

針對(duì)上述國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀，本課題組提出了抽屜式自動(dòng)裝車(chē)機(jī)的設(shè)計(jì)方案，開(kāi)發(fā)了一種高速重載、適應(yīng)不同車(chē)廂尺寸、適合國(guó)內(nèi)市場(chǎng)使用要求的袋裝水泥自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括前端運(yùn)送機(jī)構(gòu)、軌道運(yùn)送帶、碼垛編組裝置、三維移動(dòng)裝置等，如圖1所示。

圖1 自動(dòng)裝車(chē)機(jī)整體結(jié)構(gòu)1.前端運(yùn)送機(jī)構(gòu)(略) 2.軌道運(yùn)送帶 31～39.碼垛編組裝置 31.換向滑道 32.發(fā)包機(jī)構(gòu) 33.順包帶 34.順包機(jī)構(gòu) 35.轉(zhuǎn)包機(jī)構(gòu) 36.停包機(jī)構(gòu) 37.送包機(jī)構(gòu) 38.擺包機(jī)構(gòu) 39.中間橋架 41～44.三維移動(dòng)裝置 41.前后移動(dòng)機(jī)構(gòu) 42.左右移動(dòng)機(jī)構(gòu) 43.升降移動(dòng)機(jī)構(gòu) 44.起吊平臺(tái) 51～55.自動(dòng)落包裝置 51.橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu) 52.落包移動(dòng)機(jī)構(gòu) 53.前端定位擋板 54.落包平臺(tái) 55.推包機(jī)構(gòu)

碼垛編組裝置主要完成袋裝水泥的縱橫包擺放編組及落到車(chē)廂等動(dòng)作，三維移動(dòng)裝置主要完成碼垛編組裝置的碼垛移動(dòng)、碼包移動(dòng)(上升一層)以及裝車(chē)前碼垛編組裝置與車(chē)廂左右對(duì)稱(chēng)軸線對(duì)齊等動(dòng)作。該裝車(chē)機(jī)系統(tǒng)涉及的關(guān)鍵技術(shù)有機(jī)構(gòu)、傳感與控制、自動(dòng)碼包規(guī)劃等，筆者主要設(shè)計(jì)一種運(yùn)行平穩(wěn)可靠、車(chē)型適應(yīng)性強(qiáng)、自動(dòng)化程度高的多傳感信息融合強(qiáng)度大的控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)袋裝水泥自動(dòng)裝車(chē)機(jī)的智能控制。

1 傳感系統(tǒng)設(shè)計(jì)

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱之一，是自動(dòng)控制系統(tǒng)中不可缺少的核心部分，是促進(jìn)機(jī)電一體化系統(tǒng)發(fā)展的重要?jiǎng)恿4]。

在自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)中，要實(shí)現(xiàn)無(wú)人操作和值守，要保證裝車(chē)系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、精確性、安全性，傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、布局以及傳感信號(hào)的可靠性、穩(wěn)定性至關(guān)重要。此研究的自動(dòng)裝車(chē)機(jī)涉及到的傳感器類(lèi)型主要有：激光測(cè)距傳感器，紅外光電傳感器，觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，光電編碼器等，如圖2所示。該多傳感信息融合系統(tǒng)在自動(dòng)裝車(chē)機(jī)發(fā)包狀態(tài)檢測(cè)、水泥包計(jì)數(shù)功能、機(jī)構(gòu)位移及狀態(tài)檢測(cè)、車(chē)輛檢測(cè)、系統(tǒng)安全檢測(cè)以及實(shí)時(shí)故障診斷等方面發(fā)揮著重要作用。

圖2 自動(dòng)裝車(chē)機(jī)傳感系統(tǒng)

2 主控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片選型

本課題組設(shè)計(jì)的抽屜式自動(dòng)裝車(chē)機(jī)受控機(jī)構(gòu)繁多，傳感和信息交流接口需求多，多傳感信息融合強(qiáng)度大，對(duì)機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)控制性強(qiáng)，并且對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)的位置控制精度要求很高。因此，主控芯片需要擁有足夠豐富的片上資源，高速的處理運(yùn)算能力，以及能夠長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行穩(wěn)定可靠等。在充分調(diào)研市場(chǎng)及考慮成本后，選擇德州儀器(Texas Instruments)公司的TMS320F28335，其廣泛應(yīng)用于電機(jī)控制等工業(yè)控制系統(tǒng)中，具體特點(diǎn)[5]如下：

(1) 高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，32位單精度浮點(diǎn)DSP，主頻達(dá)150MHz。

(2) 采用哈佛流水線結(jié)構(gòu)，能夠快速執(zhí)行中斷響應(yīng)，具有統(tǒng)一的內(nèi)存管理模式。

(3) 外設(shè)接口資源豐富。多達(dá)88個(gè)具有輸入濾波功能可單獨(dú)編程的多路復(fù)用GPIO引腳。

(4) 豐富的串行總線接口模塊：2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個(gè)McBSP模塊、1個(gè)SPI模塊、1個(gè)I2C模塊。

2.2 硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)

根據(jù)自動(dòng)裝車(chē)機(jī)的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮各受控機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)方式，主控系統(tǒng)所需要的硬件匯總?cè)缦卤怼?/p>

表1 自動(dòng)裝車(chē)機(jī)硬件需求匯總

2.3 硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)第2.2節(jié)的硬件設(shè)計(jì)指標(biāo)，一塊DSP主控電路板難以滿足。因此，該自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)的三維移動(dòng)裝置和自動(dòng)落包裝置分別采用單獨(dú)的DSP主控電路板控制，雙DSP之間通過(guò)高速數(shù)據(jù)通訊接口連接實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)協(xié)調(diào)控制。該方法使得硬件電路模塊化、處理軟件模塊化，便于布線及產(chǎn)品維護(hù)、升級(jí)。該系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)主要包括：DSP最小系統(tǒng)板設(shè)計(jì)、電源模塊設(shè)計(jì)、各類(lèi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)、傳感器信息采集及處理接口模塊和通訊接口模塊等。由于篇幅關(guān)系，硬件電路設(shè)計(jì)圖不具體列出，其主控系統(tǒng)PCB電路板如圖3所示。

圖3 主控系統(tǒng)PCB電路板

3 主控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制策略

控制系統(tǒng)分為組織級(jí)、協(xié)調(diào)級(jí)和執(zhí)行級(jí)三級(jí)控制策略，如圖4所示。組織級(jí)通過(guò)人機(jī)接口和客戶(hù)進(jìn)行交互，獲取裝載信息后進(jìn)行自動(dòng)裝車(chē)系統(tǒng)的全局規(guī)劃，主要包括車(chē)輛定位檢測(cè)、車(chē)廂尺寸檢測(cè)、碼垛類(lèi)型規(guī)劃和故障診斷等，其智能化程度最高。協(xié)調(diào)級(jí)根據(jù)組織級(jí)的全局規(guī)劃對(duì)每個(gè)功能模塊進(jìn)行聯(lián)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，多傳感信息融合技術(shù)的應(yīng)用保證該系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及安全性，主要包括機(jī)構(gòu)初始化、來(lái)包計(jì)數(shù)與轉(zhuǎn)包控制、進(jìn)包定位聯(lián)動(dòng)控制等等。執(zhí)行級(jí)的控制過(guò)程是執(zhí)行一個(gè)確定的動(dòng)作，即單獨(dú)機(jī)構(gòu)的運(yùn)行控制，如交流伺服系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制。

圖4 控制系統(tǒng)控制策略

3.2 裝車(chē)機(jī)程序設(shè)計(jì)思路

自動(dòng)裝車(chē)機(jī)智能裝車(chē)過(guò)程的程序流程圖如圖5所示。下面從控制策略出發(fā)，對(duì)該智能系統(tǒng)自動(dòng)裝車(chē)部分程序作簡(jiǎn)要說(shuō)明。

3.2.1 組織級(jí)控制程序

(1) 獲取裝載信息：生產(chǎn)管理系統(tǒng)接收客戶(hù)確認(rèn)的裝載信息后，發(fā)送到自動(dòng)裝車(chē)機(jī)的控制系統(tǒng)。

(2) 車(chē)輛定位檢測(cè)、車(chē)廂尺寸檢測(cè)：車(chē)輛定位檢測(cè)旨在判斷車(chē)輛?？课恢门c自動(dòng)落包裝置設(shè)定原點(diǎn)之間的偏差，由車(chē)輛檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)得到車(chē)廂軸線與自動(dòng)落包裝置前后移動(dòng)方向軸線的左右偏差與偏斜量。車(chē)廂尺寸檢測(cè)則是通過(guò)三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)緩慢移動(dòng)，獲取光電傳感器信息前后變化的編碼器和激光測(cè)距傳感器數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)相應(yīng)的計(jì)算處理后得到相應(yīng)的車(chē)廂尺寸。

(3) 碼垛類(lèi)型規(guī)劃：DSP主控板自動(dòng)進(jìn)行碼垛類(lèi)型規(guī)劃，得到最優(yōu)的碼垛編組方案，并自動(dòng)計(jì)算出智能裝車(chē)過(guò)程中所需要的運(yùn)行參數(shù)。

圖5 自動(dòng)裝車(chē)控制程序流程圖

3.2.2 協(xié)調(diào)級(jí)控制程序

(1) 機(jī)構(gòu)初始化：從安全的角度出發(fā)，各個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)采用單獨(dú)控制按照時(shí)序回到機(jī)械原點(diǎn)，同時(shí)可通過(guò)各運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的檢測(cè)系統(tǒng)判斷機(jī)構(gòu)初始化是否完成。

(2) 進(jìn)包定位聯(lián)動(dòng)控制：進(jìn)包定位指的是落包移動(dòng)結(jié)束后啟動(dòng)下一次落包方位的進(jìn)包定位移動(dòng)控制，包括推包桿回位，擺包板置位，橫向移動(dòng)，落包板返回。本文根據(jù)進(jìn)包定位位移大小確定橫向移動(dòng)最大運(yùn)行速度，并采用全閉環(huán)PID控制算法進(jìn)行控制。此外，橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)根據(jù)光電編碼器實(shí)時(shí)記錄當(dāng)前所在位置信息，便于確定下一次進(jìn)包定位所需位移及運(yùn)行方向，確保橫向移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)位移及時(shí)間最短。

(3) 落包移動(dòng)聯(lián)動(dòng)控制：落包移動(dòng)時(shí)，三維移動(dòng)機(jī)構(gòu)和落包裝置中的其它機(jī)構(gòu)禁止運(yùn)動(dòng)。落包移動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)、速度響應(yīng)快，且在高速重載工況下其位置精度在1 cm內(nèi)，滿足使用要求。協(xié)調(diào)級(jí)控制程序繁多，執(zhí)行級(jí)控制程序相對(duì)也比較簡(jiǎn)單，這里均不再說(shuō)明。

4 結(jié) 語(yǔ)

此次研究提出一種抽屜式自動(dòng)裝車(chē)機(jī)設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)自動(dòng)裝車(chē)機(jī)的傳感器系統(tǒng)，以DSP為控制核心設(shè)計(jì)硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。目前控制系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于樣機(jī)，該樣機(jī)運(yùn)行平穩(wěn)可靠，效果良好，實(shí)現(xiàn)了袋裝水泥的自動(dòng)裝車(chē)。