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控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要實現(xiàn)斗輪式堆取料機的運行控制、運行狀態(tài)監(jiān)測等功能。系統(tǒng)硬件分為主控節(jié)點與功能節(jié)點，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實時操作系統(tǒng)編寫了主控節(jié)點軟件程序。經(jīng)測試，該系統(tǒng)成本低、可靠性高、抗干擾能力強和可擴充性好，完全滿足斗輪式堆取料機運行需求。

關(guān)鍵詞：斗輪式堆取料機 KL25 CC1121

中圖分類號：TD639 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2016）02（c）-0000-00

一 引言

斗輪式堆取料機是一種大型高效的裝卸機械，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)、礦山的散料料場等領(lǐng)域被大量使用。隨著港口、電廠、鋼廠等領(lǐng)域?qū)?jīng)濟發(fā)展的重要性日益增加，對提高斗輪式堆取料機的工作效率提出了新的要求。先進的控制方案在斗輪堆取料機上的應(yīng)用，將會有效增加其自動化技術(shù)含量，提高工作效率[1]。斗輪堆取料機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現(xiàn)斗輪堆取料機的自動控制，但由于其觸點和電纜的使用量過多而導(dǎo)致其控制線路較為復(fù)雜、不利于日常維護及檢修。為了解決控制線路復(fù)雜、維護維修難的問題，本文設(shè)計了一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的斗輪式堆取料機控制系統(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(yīng)的附屬電氣部分又包括照明電氣、應(yīng)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(yīng)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(shè)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(shè)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(luò)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?？刂埔约氨O(jiān)控各個功能節(jié)點反饋的各機構(gòu)運行狀態(tài)信息。

三 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)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??？刂颇K。

1、主控節(jié)點

圖1中的主控節(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[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，最大輸出功率啊達15dBm，最高傳輸速率達200Kpbs，接收靈敏度可達-123dBm。本系統(tǒng)設(shè)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、功能節(jié)點

功能節(jié)點是以KL25、CC1121為核心的設(shè)計，具體電路圖如圖2所示。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(wù)，一是負責(zé)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(shè)備的控制。本設(shè)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(shè)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(zé)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(shè)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(shè)備的起/?？刂乒δ堋Ｍ瑫r，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)計了光電隔離電路。

四 軟件設(shè)計

1 主控節(jié)點軟件設(shè)計

堆取料機的相應(yīng)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(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，其在進行主控節(jié)點軟件檢查與設(shè)計的過程中，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?wù)，在一定程度上有效簡化了軟件的設(shè)計與編程。在本設(shè)計當中，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時內(nèi)核功能、任務(wù)管理功能、時間管理功能、任務(wù)通信同步功能以及內(nèi)存管理功能，能夠?qū)崿F(xiàn)對任務(wù)的有效調(diào)度，在任務(wù)優(yōu)先級賦予上確保任務(wù)的快速響應(yīng)。

如圖3所示，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(wù)實時完成的功能，需要對任務(wù)實施有效劃分。在本設(shè)計中，我們可以按照任務(wù)的實時性特征以及重要性特征對相應(yīng)的優(yōu)先級進行順序排列，從高到低分為6個任務(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)先級任務(wù)）；（2）TskSlvM sgDule（處理從站回應(yīng)任務(wù)）；（3）TskSlvTick（從站連接定時器任務(wù)，管理通信超時）；（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)點軟件設(shè)計

堆取料機各大機構(gòu)對應(yīng)的功能節(jié)點作為無線通信網(wǎng)絡(luò)的子節(jié)點，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(guān)重要，關(guān)系到整個分布式控制網(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)已在多個斗輪式堆取料機上試驗應(yīng)用并運行良好。實踐表明：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低等的優(yōu)點，能夠?qū)Χ份喪降亩讶×蠙C實際運行工作過程實施全面實時監(jiān)控，在一定程度上提高生產(chǎn)效益。

參考文獻

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

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

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

[4] 王宜懷. 嵌入式實時操作系統(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