敖啟明 劉喆 劉秀奇 武澤士 孫傲楠

摘 要：文章提出了一種基于無線控制的斗輪式堆取料機(jī)控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)斗輪式堆取料機(jī)的運(yùn)行控制、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)等功能。系統(tǒng)硬件分為主控節(jié)點(diǎn)與功能節(jié)點(diǎn)，主要電路模塊包括基于KL25的主控電路、基于CC1121的射頻電路等；采用MQX實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)編寫了主控節(jié)點(diǎn)軟件程序。經(jīng)測(cè)試，該系統(tǒng)成本低、可靠性高、抗干擾能力強(qiáng)和可擴(kuò)充性好，完全滿足斗輪式堆取料機(jī)運(yùn)行需求。

關(guān)鍵詞：斗輪式堆取料機(jī) KL25 CC1121

中圖分類號(hào)：TD639 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

一 引言

斗輪式堆取料機(jī)是一種大型高效的裝卸機(jī)械，能夠?qū)崿F(xiàn)物料的挖取、堆放、混勻等，在大型散料港口、發(fā)電廠、焦化廠、鋼鐵企業(yè)、水泥企業(yè)、礦山的散料料場(chǎng)等領(lǐng)域被大量使用。隨著港口、電廠、鋼廠等領(lǐng)域?qū)?jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性日益增加，對(duì)提高斗輪式堆取料機(jī)的工作效率提出了新的要求。先進(jìn)的控制方案在斗輪堆取料機(jī)上的應(yīng)用，將會(huì)有效增加其自動(dòng)化技術(shù)含量，提高工作效率[1]。斗輪堆取料機(jī)早期的控制方法是采用接觸器和繼電器來組成有線控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的開關(guān)量控制，這種控制方式能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)斗輪堆取料機(jī)的自動(dòng)控制，但由于其觸點(diǎn)和電纜的使用量過多而導(dǎo)致其控制線路較為復(fù)雜、不利于日常維護(hù)及檢修。為了解決控制線路復(fù)雜、維護(hù)維修難的問題，本文設(shè)計(jì)了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的斗輪式堆取料機(jī)控制系統(tǒng)[2]。

二 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從專業(yè)化角度出發(fā)，斗輪式的堆取料機(jī)主要是由尾車伸縮機(jī)構(gòu)、懸臂膠帶機(jī)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電纜卷筒機(jī)構(gòu)、斗輪機(jī)構(gòu)以及變幅機(jī)構(gòu)等組合而成的，相應(yīng)的附屬電氣部分又包括照明電氣、應(yīng)急燈與司機(jī)室取暖器等。堆取料機(jī)中的懸臂膠帶機(jī)構(gòu)運(yùn)作機(jī)制是通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)以及輥?zhàn)訋?dòng)膠帶進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。其中的斗輪機(jī)構(gòu)主要包括8個(gè)斗齒以及總承，在電機(jī)驅(qū)動(dòng)之下開展取料作業(yè)。相應(yīng)的變幅機(jī)構(gòu)將會(huì)借助電機(jī)來帶動(dòng)鋼絲繩滾筒進(jìn)行不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，然后促進(jìn)懸臂抬起或者是放下，這種情況下制動(dòng)器將會(huì)采用液壓推桿的形式。堆取料機(jī)的回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)會(huì)借助變頻器的控制電機(jī)在整機(jī)前半部分進(jìn)行左右的旋轉(zhuǎn)，推動(dòng)堆取料工作的順利開展。堆料機(jī)中的大車行走機(jī)構(gòu)主要包括六臺(tái)相同形式的電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾輪，有助于達(dá)到整機(jī)行走的目的。堆取料機(jī)中的各個(gè)設(shè)備在體積上都相對(duì)較大，且每個(gè)驅(qū)動(dòng)元件、檢測(cè)元件以及執(zhí)行元件之間的距離都相對(duì)較遠(yuǎn)，其原控制系統(tǒng)將繼電器控制作為運(yùn)行主體，具體故障發(fā)生率相對(duì)較高以及維修時(shí)間相對(duì)較長的特點(diǎn)。為了在一定程度上確保堆取料作業(yè)有序進(jìn)行，然后對(duì)故障進(jìn)行及時(shí)排除，必須要比較頻繁地在每個(gè)組成機(jī)構(gòu)之間實(shí)施數(shù)據(jù)通信與協(xié)調(diào)控制。

本文設(shè)計(jì)的斗輪式堆取料機(jī)無線控制系統(tǒng)包含7個(gè)功能節(jié)點(diǎn)，1個(gè)控節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

如圖1所示，主控節(jié)點(diǎn)與功能節(jié)點(diǎn)構(gòu)成星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。用戶可通過主控節(jié)點(diǎn)的上的人機(jī)交互界面控制功能節(jié)點(diǎn)完成對(duì)對(duì)堆取料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟?？刂埔约氨O(jiān)控各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)反饋的各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)信息。

三 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)主要包含主控節(jié)點(diǎn)與功能節(jié)點(diǎn)兩，主控節(jié)點(diǎn)與功能節(jié)點(diǎn)的硬件構(gòu)成相類似，區(qū)別在于主控節(jié)點(diǎn)主要包括主控制器模塊、射頻模塊、串口通信電路模塊、人機(jī)交互、指示燈模塊等四個(gè)電路模塊，而功能節(jié)點(diǎn)除包含上述五個(gè)模塊以外還包含了用于完成堆取料機(jī)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟停控制的起/?？刂颇K。

1、主控節(jié)點(diǎn)

圖1中的主控節(jié)點(diǎn)部分包含主控制器模塊、射頻模塊、串口通信電路、人機(jī)交互模塊、指示燈電路模塊等四個(gè)電路模塊。其中，主控節(jié)點(diǎn)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(jí)處理器，具有功耗低、體積小、資源豐富、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)[3]，目前已經(jīng)應(yīng)用在手持設(shè)備、智能終端等能效要求較高的領(lǐng)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(shè)計(jì)選用德州儀器（TI）高性能CC1121 射頻芯片實(shí)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，最大輸出功率啊達(dá)15dBm，最高傳輸速率達(dá)200Kpbs，接收靈敏度可達(dá)-123dBm。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)射頻電路采用433MHz頻段，通信距離可達(dá)1000M。另外，主控節(jié)點(diǎn)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(jī)所有的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)到上位機(jī)，方便數(shù)據(jù)的長期保存，也可作為本系統(tǒng)或堆取料機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)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(diǎn)的人機(jī)交互界面采用鍵盤輸入、液晶顯示的方式。

2、功能節(jié)點(diǎn)

功能節(jié)點(diǎn)是以KL25、CC1121為核心的設(shè)計(jì)，具體電路圖如圖2所示。各個(gè)功能節(jié)點(diǎn)分別安裝在堆取料機(jī)的各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)中，直接對(duì)各個(gè)機(jī)構(gòu)進(jìn)行控制，并采集各個(gè)執(zhí)行結(jié)構(gòu)的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)。

功能節(jié)點(diǎn)主要有兩個(gè)任務(wù)，一是負(fù)責(zé)對(duì)射頻收發(fā)芯片CC1121初始化，并通過驅(qū)動(dòng)CC1121實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)通信；二是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集及對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制。本設(shè)計(jì)中，為了增加無線傳輸?shù)耐ㄐ啪嚯x及提高無線信號(hào)的接收靈敏度，在射頻電路中分別設(shè)計(jì)了功率放大電路與低噪聲放大電路。功能節(jié)點(diǎn)中人的機(jī)交互模塊用于對(duì)功能節(jié)點(diǎn)的緊急控制，當(dāng)堆取料機(jī)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)沒有按照主控節(jié)點(diǎn)發(fā)出的命令工作時(shí)，工作人員可通過控制功能節(jié)點(diǎn)中的人機(jī)交互模塊控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)正常工作。串口模塊負(fù)責(zé)與PC機(jī)通信，用戶可通過PC機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)功能節(jié)點(diǎn)的初始化，其中包括設(shè)定射頻信號(hào)發(fā)送功率、功能節(jié)點(diǎn)ID等。系統(tǒng)采用電磁式繼電器實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的起/?？刂乒δ堋Ｍ瑫r(shí)，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(shè)計(jì)了光電隔離電路。

四 軟件設(shè)計(jì)

1 主控節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

堆取料機(jī)的相應(yīng)控制系統(tǒng)軟件在可靠性要求以及實(shí)時(shí)性要求方面相對(duì)較高，而且必須要存在超時(shí)檢測(cè)以及等待應(yīng)答的過程，要求無線網(wǎng)絡(luò)所具有的響應(yīng)速度要比CPU緩慢很多，所以，其在進(jìn)行主控節(jié)點(diǎn)軟件檢查與設(shè)計(jì)的過程中，要采用科學(xué)化的多任務(wù)操作系統(tǒng)（簡稱為RTOS），也就是說RTOS能夠把相應(yīng)的超時(shí)檢測(cè)、發(fā)送命令以及接收數(shù)據(jù)等轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄬?duì)獨(dú)立的任務(wù)，在一定程度上有效簡化了軟件的設(shè)計(jì)與編程。在本設(shè)計(jì)當(dāng)中，我們采用了MQX操作系統(tǒng)[4]，該系統(tǒng)主要包含占先式的實(shí)時(shí)內(nèi)核功能、任務(wù)管理功能、時(shí)間管理功能、任務(wù)通信同步功能以及內(nèi)存管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)任務(wù)的有效調(diào)度，在任務(wù)優(yōu)先級(jí)賦予上確保任務(wù)的快速響應(yīng)。

如圖3所示，堆取料機(jī)主站由3部分組成，也就是協(xié)議解析部分、主控節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)部分、功能節(jié)點(diǎn)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(wù)實(shí)時(shí)完成的功能，需要對(duì)任務(wù)實(shí)施有效劃分。在本設(shè)計(jì)中，我們可以按照任務(wù)的實(shí)時(shí)性特征以及重要性特征對(duì)相應(yīng)的優(yōu)先級(jí)進(jìn)行順序排列，從高到低分為6個(gè)任務(wù)，分別為：（1）TskSlvPool（系統(tǒng)初始化和從站輪詢?nèi)蝿?wù)，為系統(tǒng)最高優(yōu)先級(jí)任務(wù)）；（2）TskSlvM sgDule（處理從站回應(yīng)任務(wù)）；（3）TskSlvTick（從站連接定時(shí)器任務(wù)，管理通信超時(shí)）；（4）TskUS R（用戶邏輯任務(wù)，用戶的控制邏輯在此添加）；（5）TskBRD（鍵盤輸入任務(wù)）；（6）T skDIS（液晶顯示任務(wù)）。

2 功能節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

堆取料機(jī)各大機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)的功能節(jié)點(diǎn)作為無線通信網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點(diǎn)，其控制程序采用模塊化編程，包括無線網(wǎng)絡(luò)通信管理模塊、堆取料機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控模塊、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存模塊、I/O 信號(hào)處理模塊等。其中，節(jié)點(diǎn)的通信模塊部分至關(guān)重要，關(guān)系到整個(gè)分布式控制網(wǎng)絡(luò)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。

五、結(jié)語

本系統(tǒng)已在多個(gè)斗輪式堆取料機(jī)上試驗(yàn)應(yīng)用并運(yùn)行良好。實(shí)踐表明：基于無線通信的嵌入式控制系統(tǒng)具有非常穩(wěn)定的性能，存在配置靈活簡單以及成本相對(duì)低等的優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)Χ份喪降亩讶×蠙C(jī)實(shí)際運(yùn)行工作過程實(shí)施全面實(shí)時(shí)監(jiān)控，在一定程度上提高生產(chǎn)效益。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫兵，王磊. 基于CAN總線的斗輪式堆取料機(jī)嵌入式控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 工礦自動(dòng).2008，2：57-59

[2] 方舒. 2.4G 射頻雙向功放的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 世界電子元器件. 2007， （5）：47-49

[3] Freescale. KL25Z128VLK4RM.pdf[DB/OL].

[4] 王宜懷. 嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)MQX應(yīng)用開發(fā)技術(shù)——ARM Cortex-M微處理器[M].北京：電子工業(yè)出版社.2014