中國(guó)輕工業(yè)聯(lián)合會(huì)2009年科技優(yōu)秀獎(jiǎng)

項(xiàng)目：基于無線通信的移動(dòng)配料控制系統(tǒng)

獲獎(jiǎng)單位：無錫協(xié)力自動(dòng)化設(shè)備有限公司

一、項(xiàng)目簡(jiǎn)介

項(xiàng)目所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)內(nèi)容、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)、應(yīng)用推廣及效益情況等：

1、涉及技術(shù)領(lǐng)域

本項(xiàng)目所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域為自動(dòng)化工程、嵌入式計(jì)算機(jī)軟硬件開發(fā)、計(jì)算機(jī)控制軟件。

2、項(xiàng)目背景

耐火材料的生產(chǎn)關(guān)鍵是配料和混料，各種物料的配比精度對(duì)耐火材料的質(zhì)量有著極大的影響，耐火材料所配物料種類一般較多，使用傳統(tǒng)的由幾個(gè)加料裝置和一個(gè)固定的料斗秤形式的配料系統(tǒng)難于滿足生產(chǎn)的需要,研制出移動(dòng)配料形式的自動(dòng)化配料系統(tǒng)是耐火材料行業(yè)迫切的需要，早在1997年開始開展鎂碳磚自動(dòng)化配料的研究,并取得初步的成功,經(jīng)過近11年的艱苦努力，我們成功研制了多套用于耐火材料和摩擦材料的配料系統(tǒng)，經(jīng)不斷改進(jìn)，現(xiàn)行方案是基于無線通信的計(jì)算機(jī)分布式自動(dòng)配料控制系統(tǒng)，采用移動(dòng)式稱量小車，可配物料種類已達(dá)36種，并解決了配料過程中產(chǎn)生粉塵的問題，攻克了配料系統(tǒng)加料堵料、結(jié)拱等難題，控制精度和可靠性滿足要求，為耐火材料和摩擦材料自動(dòng)化配料找到了理想的解決方案。

3、項(xiàng)目?jī)?nèi)容

本課題主要針對(duì)耐火材料和摩擦材料的配料環(huán)節(jié)，研究開發(fā)了一種基于無線通信的移動(dòng)式自動(dòng)配料系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由1臺(tái)工控計(jì)算機(jī)、2輛配備了各3臺(tái)稱重控制器的稱量配料小車以及加料裝置組成。稱重控制器和工控計(jì)算機(jī)通過ZigBee無線通信模塊傳送數(shù)據(jù)，配料車往返地在36個(gè)料倉(cāng)下自動(dòng)移動(dòng)，進(jìn)行接料和計(jì)量，完成自動(dòng)配料。

系統(tǒng)的性能指標(biāo)為：

（1）配料車

ô 大料斗秤：凈量程500 kg、稱料精度±0.5kg、實(shí)測(cè)值±0.4kg

ô 量程100 kg計(jì)量秤：稱料精度±0.1kg、實(shí)測(cè)值±0.07kg

ô 量程20 kg計(jì)量秤：稱料精度±0.02 kg、實(shí)測(cè)值±0.02kg

配料車行駛速度：5～40m/min，實(shí)測(cè)值8～30m/min

配料車排料速度：50kg/s，實(shí)測(cè)值35kg/s

（2）系統(tǒng)效率指標(biāo)：

配方中需自動(dòng)配料的物料總數(shù)為15種時(shí)，總時(shí)間≤18分鐘，實(shí)測(cè)值17分鐘。

4、應(yīng)用推廣情況

研制“基于無線通信的移動(dòng)配料控制系統(tǒng)”并推廣應(yīng)用，可以使國(guó)內(nèi)耐火材料和摩擦材料行業(yè)的配料自動(dòng)化水平得到大幅度提高，使用該系統(tǒng)可明顯降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度、提高配料質(zhì)量、提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。

三、主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

國(guó)外很多廠家研制出適合于焦化、冶金、水泥、化肥、塑料、化工等行業(yè)的自動(dòng)配料系統(tǒng)。而由于耐火材料和摩擦材料行業(yè)有很多區(qū)別于其他行業(yè)的特點(diǎn)，在其配方中一般包含10種以上材料，且材料的特性差別很大，特別是摩擦材料有的黏附、有的飛揚(yáng)，有纖維狀的、有顆粒狀的，無論是國(guó)內(nèi)還是國(guó)外，適用于耐火材料的配料控制系統(tǒng)還不多見，而摩擦材料的配料控制系統(tǒng)幾乎沒有。我們研制了適用于耐火材料和摩擦材料的基于無線通信的移動(dòng)式自動(dòng)配料系統(tǒng)，同時(shí)首創(chuàng)了國(guó)內(nèi)真正意義上的摩擦材料全自動(dòng)配料控制系統(tǒng)。為耐火材料和摩擦材料的自動(dòng)化配料找到了較理想的解決方案。

本項(xiàng)目于2008年12月通過教育部鑒定，鑒定委員會(huì)的專家一致認(rèn)為該項(xiàng)目的成果已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的水平。項(xiàng)目主要有以下幾個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)：

1、自主研制開發(fā)了稱重控制器軟硬件

本課題自主研發(fā)的稱重控制器稱量精度高，溫度漂移小，并在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)能抗強(qiáng)電磁干擾，且在完成檢測(cè)重量和控制配料車運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，還具備重量和控制數(shù)據(jù)無線遠(yuǎn)傳的功能。

稱重控制器是以AT89C55單片機(jī)為核心的微控制系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)主要由單片機(jī)主控模塊、稱重測(cè)量模塊、顯示模塊、按鍵顯示控制模塊和通訊模塊等功能模塊組成。為了使稱重控制器對(duì)各種原料稱重配料具有通用性，控制器的軟件系統(tǒng)采用參數(shù)化、模塊化程序設(shè)計(jì)技術(shù)，根據(jù)不同功能，將軟件分成若干獨(dú)立的程序模塊，如主程序、按鍵中斷子程序、稱重測(cè)量子程序，定時(shí)中斷子程序、通訊中斷子程序、顯示子程序等。

2、二輛配料車具有防碰撞的功能

當(dāng)二輛配料車同時(shí)配料運(yùn)行，則存在發(fā)生碰撞的可能。由于二輛小車均裝有防撞感應(yīng)裝置，整個(gè)配料控制系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)并控制小車停車和避讓，實(shí)現(xiàn)了二車同時(shí)配料的功能，從而在保證精度的前題下提高了生產(chǎn)效率，取得滿意效果。

撞車處理主要由兩個(gè)部分來完成：

（1）上位機(jī)軟件中碰撞自動(dòng)避讓。就是由計(jì)算機(jī)判斷兩車的目標(biāo)位置和當(dāng)前位置，當(dāng)兩車的目標(biāo)位置相沖突，則后啟動(dòng)的小車等待先啟動(dòng)的小車完成當(dāng)前料倉(cāng)動(dòng)作，離開該沖突位置后，后啟動(dòng)的小車再去完成該料倉(cāng)的動(dòng)作。

（2）在極個(gè)別情況中，當(dāng)上位機(jī)的控制動(dòng)作未正確的傳遞給下位機(jī)，則可能存在兩臺(tái)小車發(fā)生相撞的可能。在這種情況下由小車上的控制儀表來防止，兩臺(tái)小車上各裝有一套紅外發(fā)射和接受裝置，當(dāng)兩臺(tái)小車的距離在警戒范圍以內(nèi)時(shí)，檢測(cè)到距離過近的紅外模塊向儀表發(fā)送報(bào)警信號(hào)，儀表則控制小車停車，若兩臺(tái)小車都停下來相持互鎖的時(shí)候，則需要操作人員手工干預(yù)，可選擇離目標(biāo)料倉(cāng)較遠(yuǎn)的配料車，人工向后開，直到另外一臺(tái)小車到達(dá)目標(biāo)料倉(cāng)，開始加料過程，則兩臺(tái)車相持互鎖的狀態(tài)解除，可以進(jìn)行正常配料。

3、解決了配料過程中防塵的問題

耐火材料和摩擦材料生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)粉塵多，環(huán)境惡劣，容易使自動(dòng)化控制系統(tǒng)故障率高，本項(xiàng)目經(jīng)過長(zhǎng)期摸索，用車載的自動(dòng)清灰除塵機(jī)和自動(dòng)控制的密封升縮接口解決防塵難題，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料口密封聯(lián)接，防止灰塵外溢，保證了控制系統(tǒng)良好的工作環(huán)境。

（1）車載除塵器

本配料車所使用的除塵器為袋式除塵器。它適用于捕集細(xì)小、干燥、非纖維性粉塵。濾袋采用紡織的濾布或非紡織的氈制成，利用纖維織物的過濾作用對(duì)含塵氣體進(jìn)行過濾，當(dāng)含塵氣體進(jìn)入袋式除塵器后，顆粒大、比重大的粉塵，由于重力的作用沉降下來，落入抽屜內(nèi)，含有較細(xì)小粉塵的氣體在通過濾料時(shí)，粉塵被阻留，使氣體得到凈化。

（2）防塵伸縮接口

考慮到粉塵對(duì)環(huán)境的污染，配料車的進(jìn)料口和排料口均有密封伸縮接口。在加料或排料時(shí)，能夠與料倉(cāng)落料口或料桶進(jìn)料口實(shí)現(xiàn)密封聯(lián)接。

伸縮接口裝有密封海綿，在氣缸帶動(dòng)下可以上下運(yùn)動(dòng)。防塵套一端箍在伸縮接口上，另一端固定在秤體支架上，通過螺釘固定。伸縮氣缸桿固定在升降架上，氣缸體固定在固定支架上。氣缸通過電磁閥控制。有加料信號(hào)時(shí)，接通電磁閥線圈，氣缸桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)升降架運(yùn)動(dòng)，使伸縮接口上升，頂住螺旋喂料器或皮帶喂料器的出料口罩板，就可以正常加料。加料過程結(jié)束后，斷開電磁閥線圈，氣缸桿帶動(dòng)升降架下降。

下伸縮接口與翻板排料裝置配合在一起，伸縮接口可以上下運(yùn)動(dòng)。上部通過防塵套與翻板排料閥連接，下部裝有密封海綿，可以和排料口實(shí)現(xiàn)密封對(duì)接。氣缸擺尾端固定在翻板排料閥閥體上，氣缸桿通過螺栓固定在伸縮接口上。氣缸通過電磁閥控制。有排料信號(hào)時(shí)，接通電磁閥線圈，氣缸桿運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)伸縮接口運(yùn)動(dòng)，使伸縮接口下降，頂住排料口罩板，就可以正常排料。排料過程結(jié)束后，斷開電磁閥線圈，氣缸桿帶動(dòng)伸縮接口上升。

4、工控機(jī)通過泓格I7000控制模塊控制變頻調(diào)速器使所有加料裝置實(shí)現(xiàn)快慢二擋速度加料，保證了配料的精度。

移動(dòng)式配料系統(tǒng)一般配料效率受到較大的限制，為了在保證配料精度的前題下，盡可能提高效率，我們使用了變頻調(diào)速器使加料裝置實(shí)現(xiàn)快慢二擋速度加料，保證了配料精度和盡可能高的速度，同時(shí)我們經(jīng)過大量試驗(yàn)，不斷完善控制軟件。

5、上、下位機(jī)無線通信的實(shí)現(xiàn)

采用新興ZigBee無線組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的無線傳輸，避免了移動(dòng)小車用有線方式傳輸數(shù)據(jù)帶來的諸多弊端。

本系統(tǒng)要求1臺(tái)工控機(jī)與6臺(tái)稱重控制器組成控制系統(tǒng)，如采用有線通信，則稱量小車運(yùn)動(dòng)時(shí)拖著電纜會(huì)帶來諸多弊端，經(jīng)過多個(gè)項(xiàng)目的實(shí)踐檢驗(yàn)，我們使用新興ZigBee無線通信組網(wǎng)技術(shù)，使用免費(fèi)頻段，時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò)自組織、自愈能力強(qiáng)、通信可靠性高，避免了有線通信方式帶來的弊端。

無線通信采用ZigBee無線通信模塊，該模塊是加強(qiáng)型的ZigBee模塊，集成了符合ZigBee協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)及多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)之間的設(shè)備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型和MESH 型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。它具備自組織功能和自愈功能：無需人工干預(yù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠感知其他節(jié)點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結(jié)構(gòu)化的網(wǎng)絡(luò)；增加或者刪除一個(gè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節(jié)點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò)都能夠自我修復(fù)，并對(duì)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行相應(yīng)地調(diào)整，保證整個(gè)系統(tǒng)仍然能正常工作；而且通信延時(shí)短，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)通信。

本系統(tǒng)通過一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)廣播形式實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)實(shí)時(shí)無線通訊。

本課題已經(jīng)過十多年的研制開發(fā)和改進(jìn)，技術(shù)日趨完善，經(jīng)多家用戶長(zhǎng)期使用，證明系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可靠性好，產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益已過億元，是耐火材料和摩擦材料行業(yè)配料理想的解決方案，有很好的推廣前景。

今后對(duì)該系統(tǒng)作進(jìn)一步的完善，爭(zhēng)取推廣到其它同類企業(yè)，產(chǎn)生更大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。