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

項目：基于無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)配料控制系統

獲獎單位：無(wú)錫協(xié)力自動(dòng)化設備有限公司

一、項目簡(jiǎn)介

項目所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、技術(shù)內容、技術(shù)經(jīng)濟指標、應用推廣及效益情況等：

1、涉及技術(shù)領(lǐng)域

本項目所屬科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域為自動(dòng)化工程、嵌入式計算機軟硬件開(kāi)發(fā)、計算機控制軟件。

2、項目背景

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耐火材料的質(zhì)量有著(zhù)極大的影響，耐火材料所配物料種類(lèi)一般較多，使用傳統的由幾個(gè)加料裝置和一個(gè)固定的料斗秤形式的配料系統難于滿(mǎn)足生產(chǎn)的需要,研制出移動(dòng)配料形式的自動(dòng)化配料系統是耐火材料行業(yè)迫切的需要，早在1997年開(kāi)始開(kāi)展鎂碳磚自動(dòng)化配料的研究,并取得初步的成功,經(jīng)過(guò)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，經(jīng)不斷改進(jìn)，現行方案是基于無(wú)線(xiàn)通信的計算機分布式自動(dòng)配料控制系統，采用移動(dòng)式稱(chēng)量小車(chē)，可配物料種類(lèi)已達36種，并解決了配料過(guò)程中產(chǎn)生粉塵的問(wèn)題，攻克了配料系統加料堵料、結拱等難題，控制精度和可靠性滿(mǎn)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、項目?jì)热?/span>

本課題主要針對耐火材料和摩擦材料的配料環(huán)節，研究開(kāi)發(fā)了一種基于無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)式自動(dòng)配料系統。

該系統主要由1臺工控計算機、2輛配備了各3臺稱(chēng)重控制器的稱(chēng)量配料小車(chē)以及加料裝置組成。稱(chēng)重控制器和工控計算機通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊傳送數據，配料車(chē)往返地在36個(gè)料倉下自動(dòng)移動(dòng)，進(jìn)行接料和計量，完成自動(dòng)配料。

系統的性能指標為：

（1）配料車(chē)

ô 大料斗秤：凈量程500 kg、稱(chēng)料精度±0.5kg、實(shí)測值±0.4kg

ô 量程100 kg計量秤：稱(chēng)料精度±0.1kg、實(shí)測值±0.07kg

ô 量程20 kg計量秤：稱(chēng)料精度±0.02 kg、實(shí)測值±0.02kg

配料車(chē)行駛速度：5～40m/min，實(shí)測值8～30m/min

配料車(chē)排料速度：50kg/s，實(shí)測值35kg/s

（2）系統效率指標：

配方中需自動(dòng)配料的物料總數為15種時(shí)，總時(shí)間≤18分鐘，實(shí)測值17分鐘。

4、應用推廣情況

研制“基于無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)配料控制系統”并推廣應用，可以使國內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，使用該系統可明顯降低工人勞動(dòng)強度、提高配料質(zhì)量、提高產(chǎn)品競爭力。

三、主要技術(shù)創(chuàng )新點(diǎn)

國外很多廠(chǎng)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。而由于耐火材料和摩擦材料行業(yè)有很多區別于其他行業(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，有纖維狀的、有顆粒狀的，無(wú)論是國內還是國外，適用于耐火材料的配料控制系統還不多見(jiàn)，而摩擦材料的配料控制系統幾乎沒(méi)有。我們研制了適用于耐火材料和摩擦材料的基于無(wú)線(xiàn)通信的移動(dòng)式自動(dòng)配料系統，同時(shí)首創(chuàng )了國內真正意義上的摩擦材料全自動(dòng)配料控制系統。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。

本項目于2008年12月通過(guò)教育部鑒定，鑒定委員會(huì )的專(zhuān)家一致認為該項目的成果已經(jīng)達到了國內領(lǐng)先的水平。項目主要有以下幾個(gè)主要創(chuàng )新點(diǎn)：

1、自主研制開(kāi)發(fā)了稱(chēng)重控制器軟硬件

本課題自主研發(fā)的稱(chēng)重控制器稱(chēng)量精度高，溫度漂移小，并在工業(yè)現場(chǎng)能抗強電磁干擾，且在完成檢測重量和控制配料車(chē)運動(dòng)的同時(shí)，還具備重量和控制數據無(wú)線(xiàn)遠傳的功能。

稱(chēng)重控制器是以AT89C55單片機為核心的微控制系統。其硬件系統主要由單片機主控模塊、稱(chēng)重測量模塊、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(chēng)重控制器對各種原料稱(chēng)重配料具有通用性，控制器的軟件系統采用參數化、模塊化程序設計技術(shù)，根據不同功能，將軟件分成若干獨立的程序模塊，如主程序、按鍵中斷子程序、稱(chēng)重測量子程序，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(chē)具有防碰撞的功能

當二輛配料車(chē)同時(shí)配料運行，則存在發(fā)生碰撞的可能。由于二輛小車(chē)均裝有防撞感應裝置，整個(gè)配料控制系統能自動(dòng)檢測并控制小車(chē)停車(chē)和避讓?zhuān)瑢?shí)現了二車(chē)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(mǎn)意效果。

撞車(chē)處理主要由兩個(gè)部分來(lái)完成：

（1）上位機軟件中碰撞自動(dòng)避讓。就是由計算機判斷兩車(chē)的目標位置和當前位置，當兩車(chē)的目標位置相沖突，則后啟動(dòng)的小車(chē)等待先啟動(dòng)的小車(chē)完成當前料倉動(dòng)作，離開(kāi)該沖突位置后，后啟動(dòng)的小車(chē)再去完成該料倉的動(dòng)作。

（2）在極個(gè)別情況中，當上位機的控制動(dòng)作未正確的傳遞給下位機，則可能存在兩臺小車(chē)發(fā)生相撞的可能。在這種情況下由小車(chē)上的控制儀表來(lái)防止，兩臺小車(chē)上各裝有一套紅外發(fā)射和接受裝置，當兩臺小車(chē)的距離在警戒范圍以?xún)葧r(shí)，檢測到距離過(guò)近的紅外模塊向儀表發(fā)送報警信號，儀表則控制小車(chē)停車(chē)，若兩臺小車(chē)都停下來(lái)相持互鎖的時(shí)候，則需要操作人員手工干預，可選擇離目標料倉較遠的配料車(chē)，人工向后開(kāi)，直到另外一臺小車(chē)到達目標料倉，開(kāi)始加料過(guò)程，則兩臺車(chē)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(guò)程中防塵的問(wèn)題

耐火材料和摩擦材料生產(chǎn)現場(chǎng)粉塵多，環(huán)境惡劣，容易使自動(dòng)化控制系統故障率高，本項目經(jīng)過(guò)長(cháng)期摸索，用車(chē)載的自動(dòng)清灰除塵機和自動(dòng)控制的密封升縮接口解決防塵難題，實(shí)現進(jìn)料口密封聯(lián)接，防止灰塵外溢，保證了控制系統良好的工作環(huán)境。

（1）車(chē)載除塵器

本配料車(chē)所使用的除塵器為袋式除塵器。它適用于捕集細小、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(guò)濾作用對含塵氣體進(jìn)行過(guò)濾，當含塵氣體進(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(lái)，落入抽屜內，含有較細小粉塵的氣體在通過(guò)濾料時(shí)，粉塵被阻留，使氣體得到凈化。

（2）防塵伸縮接口

考慮到粉塵對環(huán)境的污染，配料車(chē)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)，能夠與料倉落料口或料桶進(jìn)料口實(shí)現密封聯(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(guò)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(guò)電磁閥控制。有加料信號時(shí)，接通電磁閥線(xiàn)圈，氣缸桿運動(dòng)，帶動(dòng)升降架運動(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(guò)程結束后，斷開(kāi)電磁閥線(xiàn)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動(dòng)。上部通過(guò)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)現密封對接。氣缸擺尾端固定在翻板排料閥閥體上，氣缸桿通過(guò)螺栓固定在伸縮接口上。氣缸通過(guò)電磁閥控制。有排料信號時(shí)，接通電磁閥線(xiàn)圈，氣缸桿運動(dòng)，帶動(dòng)伸縮接口運動(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(guò)程結束后，斷開(kāi)電磁閥線(xiàn)圈，氣缸桿帶動(dòng)伸縮接口上升。

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

移動(dòng)式配料系統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，我們使用了變頻調速器使加料裝置實(shí)現快慢二擋速度加料，保證了配料精度和盡可能高的速度，同時(shí)我們經(jīng)過(guò)大量試驗，不斷完善控制軟件。

5、上、下位機無(wú)線(xiàn)通信的實(shí)現

采用新興ZigBee無(wú)線(xiàn)組網(wǎng)技術(shù)，實(shí)現了信號的無(wú)線(xiàn)傳輸，避免了移動(dòng)小車(chē)用有線(xiàn)方式傳輸數據帶來(lái)的諸多弊端。

本系統要求1臺工控機與6臺稱(chēng)重控制器組成控制系統，如采用有線(xiàn)通信，則稱(chēng)量小車(chē)運動(dòng)時(shí)拖著(zhù)電纜會(huì )帶來(lái)諸多弊端，經(jīng)過(guò)多個(gè)項目的實(shí)踐檢驗，我們使用新興ZigBee無(wú)線(xiàn)通信組網(wǎng)技術(shù)，使用免費頻段，時(shí)延短，網(wǎng)絡(luò )自組織、自愈能力強、通信可靠性高，避免了有線(xiàn)通信方式帶來(lái)的弊端。

無(wú)線(xiàn)通信采用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊，該模塊是加強型的ZigBee模塊，集成了符合ZigBee協(xié)議標準的射頻收發(fā)器和微處理器，它具有通訊距離遠、抗干擾能力強、組網(wǎng)靈活等優(yōu)點(diǎn)和特性；可實(shí)現一點(diǎn)對多點(diǎn)及多點(diǎn)對多點(diǎn)之間的設備間數據的透明傳輸；可組成星型和MESH 型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構。它具備自組織功能和自愈功能：無(wú)需人工干預，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)能夠感知其他節點(diǎn)的存在，并確定連接關(guān)系，組成結構化的網(wǎng)絡(luò )；增加或者刪除一個(gè)節點(diǎn)，節點(diǎn)位置發(fā)生變動(dòng)，節點(diǎn)發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡(luò )都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡(luò )拓撲結構進(jìn)行相應地調整，保證整個(gè)系統仍然能正常工作；而且通信延時(shí)短，可實(shí)現實(shí)時(shí)通信。

本系統通過(guò)一點(diǎn)對多點(diǎn)廣播形式實(shí)現上、下位機實(shí)時(shí)無(wú)線(xiàn)通訊。

本課題已經(jīng)過(guò)十多年的研制開(kāi)發(fā)和改進(jìn)，技術(shù)日趨完善，經(jīng)多家用戶(hù)長(cháng)期使用，證明系統運行穩定，可靠性好，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益已過(guò)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。

今后對該系統作進(jìn)一步的完善，爭取推廣到其它同類(lèi)企業(yè)，產(chǎn)生更大的社會(huì )經(jīng)濟效益。