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，斗輪機的各個系統也逐漸實現智能控制。現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；智能

目前斗輪機已經在多個生產領域得到了廣泛應用，使得裝卸作業效率得到大大提升，也解放了勞動力。隨著生產自動化智能化水平的不斷提升，生產作業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代生產需要。在本文中，主要是對一種斗輪堆取料機的控制系統及其智能控制技術進行了探析。

1 斗輪機的控制系統結構

一般來講，斗輪式的堆取料機主要是由尾車伸縮機構、懸臂膠帶機、回轉機構、電纜卷筒機構、斗輪機構以及變幅機構等組合而成的，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運作機制是通過電機驅動以及輥子帶動膠帶進行轉動。其中的斗輪機構主要包括8個斗齒以及總承，在電機驅動之下開展取料作業。相應的變幅機構將會借助電機來帶動鋼絲繩滾筒進行不斷轉動，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。堆取料機的回轉機構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，推動堆取料工作的順利開展。堆料機中的大車行走機構主要包括六臺相同形式的電機驅動滾輪，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，且每個驅動元件、檢測元件以及執行元件之間的距離都相對較遠，其原控制系統將繼電器控制作為運行主體，具體故障發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之間實施數據通信與協調控制。

本文設計的斗輪式堆取料機無線控制系統包含7個功能節點，1個控節點，系統結構框圖如圖1所示：

如圖1所示，主控節點與功能節點構成星型網絡結構。用戶可通過主控節點的上的人機交互界面控制功能節點完成對對堆取料機執行機構的啟停控制以及監控各個功能節點反饋的各機構運行狀態信息。

2 硬件設計

系統硬件設計主要包含主控節點與功能節點兩，主控節點與功能節點的硬件構成相類似，區別在于主控節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行機構啟停控制的起/停控制模塊。

2.1 主控節點

主控節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，主控節點的控制核心為KL25Z128VLK4（以下簡稱“KL25”），KL25是一款基于ARM CortexM0+內核的工業級處理器，具有功耗低、體積小、資源豐富、抗干擾能力強等特點，目前已經應用在手持設備、智能終端等能效要求較高的領域。KL25內部已經集成了接口（Serial Peripheral Interface，SPI），可方便的與射頻芯片連接，從而完成無線數據收發工作。設計選用德州儀器（TI）高性能CC1121 射頻芯片實現無線數據收發，CC1121是TI公司推出的ISM頻段無線收發芯片之一，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。本系統設計射頻電路采用433MHz頻段，通信距離可達1000M。另外，主控節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控數據到上位機，方便數據的長期保存，也可作為本系統或堆取料機出現故障時診斷或維修的依據。由于KL25具有豐富的GPIO接口，所以主控節點的人機交互界面采用鍵盤輸入、液晶顯示的方式。

2.2 功能節點

功能節點是以KL25、CC1121為核心的設計。各個功能節點分別安裝在堆取料機的各個執行機構中，直接對各個機構進行控制，并采集各個執行結構的運行狀態數據。

功能節點主要有兩個任務，一是負責對射頻收發芯片CC1121初始化，并通過驅動CC1121實現無線數據通信；二是對現場信號的采集及對現場設備的控制。本設計中，為了增加無線傳輸的通信距離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。功能節點中人的機交互模塊用于對功能節點的緊急控制，當堆取料機的執行機構沒有按照主控節點發出的命令工作時，工作人員可通過控制功能節點中的人機交互模塊控制執行機構正常工作。串口模塊負責與PC機通信，用戶可通過PC機實現對功能節點的初始化，其中包括設定射頻信號發送功率、功能節點ID等。系統采用電磁式繼電器實現現場設備的起/停控制功能。同時，為了增加系統的穩定性，在起/停控制模塊基于光電隔離器件P521設計了光電隔離電路。

3 軟件設計

3.1 主控節點軟件設計

堆取料機的相應控制系統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（簡稱為RTOS），也就是說RTOS能夠把相應的超時檢測、發送命令以及接收數據等轉變為相對獨立的任務，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，該系統主要包含占先式的實時內核功能、任務管理功能、時間管理功能、任務通信同步功能以及內存管理功能，能夠實現對任務的有效調度，在任務優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，也就是協議解析部分、主控節點數據結構部分、功能節點數據結構和操作函數部分。虛線右側屬于用戶監控程序以及無線通信的接口部分。為了充分發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 功能節點軟件設計

堆取料機各大機構對應的功能節點作為無線通信網絡的子節點，其控制程序采用模塊化編程，包括無線網絡通信管理模塊、堆取料機各機構運行狀態監控模塊、數據轉存模塊、I/O信號處理模塊等。其中，節點的通信模塊部分至關重要，關系到整個分布式控制網絡能否正常工作，該模塊射頻模塊初始化子程序、無線數據接收中斷程序和無線數據收發子程序組成，如圖4所示。

結束語

經過實踐，證明了本系統在實際的工作中發揮良好，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展。再加上本系統的性能較為穩定，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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