劉 暾

（三一重工研究院 控制所，湖南 長(zhǎng)沙 410000）

0 引言

隨著工程機(jī)械技術(shù)的不斷進(jìn)步，工程機(jī)械正朝著自動(dòng)化與智能化的方向發(fā)展。目前的混凝土攪拌車(chē)在給泵車(chē)和車(chē)載泵及拖泵喂料時(shí)，需要人工頻繁的操作來(lái)控制攪拌車(chē)的喂料速度，造成攪拌車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)速度經(jīng)常大幅度上升、下降，不僅操作麻煩、油耗增加，而且經(jīng)常會(huì)由于操作不及時(shí)導(dǎo)致混凝土溢出。為了使攪拌車(chē)可以自動(dòng)喂料，本文設(shè)計(jì)了一種基于Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)與CAN總線(xiàn)的聯(lián)控系統(tǒng)［1］，對(duì)攪拌車(chē)喂料對(duì)象的混凝土容量狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)攪拌車(chē)的自動(dòng)化卸料。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)分為攪拌車(chē)喂料控制和泵送設(shè)備料斗容量監(jiān)控兩部分。攪拌車(chē)控制部分由攪拌車(chē)控制器、Zigbee模塊和執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成；泵送設(shè)備監(jiān)控部分由泵送設(shè)備控制器、Zigbee模塊和超聲波測(cè)量模塊組成。混凝土機(jī)械一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 混凝土機(jī)械一體化控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 料斗容量測(cè)量及轉(zhuǎn)筒控制方案

2.1 料斗容量情況分析

根據(jù)料斗內(nèi)混凝土的高度以及泵車(chē)泵送混凝土的特性，混凝土喂料過(guò)快將會(huì)溢出料斗，而過(guò)慢將會(huì)導(dǎo)致泵車(chē)泵送時(shí)出現(xiàn)吸空，因此將泵車(chē)料斗內(nèi)混凝土容量分為3種情況（如圖2所示）：①混凝土溢出，此時(shí)混凝土溢出料斗，造成混凝土的浪費(fèi)；②混凝土在基準(zhǔn)范圍內(nèi)，此時(shí)混凝土的高度合適，不會(huì)發(fā)生溢出也不會(huì)發(fā)生吸空；③混凝土在攪拌葉最高位之下，此時(shí)泵車(chē)泵送時(shí)會(huì)因?yàn)榱隙穬?nèi)混凝土不足而發(fā)生吸空現(xiàn)象。

針對(duì)料斗內(nèi)3種混凝土情況，將混凝土高度劃分為兩個(gè)界限，略低于溢出面處為上界限，略高于吸空面為下界限（略低于溢出面和略高于吸空面是為了形成一個(gè)緩沖區(qū)），并將此兩界限隔成的混凝土高度情況分為3個(gè)等級(jí)：①混凝土高于上限時(shí)為溢出級(jí)；②混凝土在界限之間時(shí)為正常級(jí)；③混凝土低于下限時(shí)為吸空級(jí)。

攪拌車(chē)根據(jù)這3個(gè)等級(jí)做出相應(yīng)的控制響應(yīng)，自動(dòng)調(diào)整攪拌筒轉(zhuǎn)速：①攪拌筒反轉(zhuǎn)，直至混凝土降到基準(zhǔn)范圍內(nèi)；②攪拌筒與泵車(chē)排量相匹配，保持在基準(zhǔn)范圍內(nèi)；③攪拌筒無(wú)極升速，直至混凝土升到基準(zhǔn)范圍內(nèi)。

圖2 料斗容量情況分級(jí)圖

2.2 攪拌筒喂料速度與泵車(chē)排量相匹配

通過(guò)對(duì)泵車(chē)現(xiàn)有排量的計(jì)算，得出料斗容量下降的速率，如果攪拌桶的喂料速度與料斗容量下降速率一致，將能夠使料斗的容量保持在一定的范圍內(nèi)，從而達(dá)到攪拌車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)速度平穩(wěn)且泵車(chē)不會(huì)產(chǎn)生吸空的最佳工作狀態(tài)。

攪拌筒轉(zhuǎn)速與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和油泵排量的關(guān)系為：

其中，馬達(dá)排量與減速機(jī)減速比為常數(shù)，油泵排量由電比例閥控制。

首先根據(jù)泵車(chē)輸送缸的面積、長(zhǎng)度以及混凝土的容積率計(jì)算出輸送缸內(nèi)混凝土的體積，再除以換向次數(shù)，求出單位時(shí)間內(nèi)輸送缸可輸送混凝土的體積，即輸送缸輸送速率P（L/s）：

由輸送缸的輸送速率除以攪拌筒每轉(zhuǎn)的出料量得出攪拌筒的轉(zhuǎn)速，根據(jù)轉(zhuǎn)速求出所需電比例閥電流：

其中：L為攪拌筒每轉(zhuǎn)的出料量；KI為電比例閥電流與轉(zhuǎn)速比例系數(shù)；RI為電比例閥基準(zhǔn)電流。此時(shí)通過(guò)調(diào)整電比例閥電流可以得到相應(yīng)攪拌筒的轉(zhuǎn)速。

當(dāng)電比例閥電流增加到最大后還需繼續(xù)增加攪拌筒轉(zhuǎn)速，由式（1）可知此時(shí)需要通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速才能增大攪拌筒的轉(zhuǎn)速。發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n（r/s）為：

其中：KN為攪拌筒與發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速比。

發(fā)動(dòng)機(jī)調(diào)速電壓U（V）為：

其中：rd為發(fā)動(dòng)機(jī)怠速；rv為每伏電壓對(duì)應(yīng)的發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；Ur為怠速電壓。

此時(shí)控制電路根據(jù)計(jì)算得到的調(diào)速電壓通過(guò)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)油門(mén)開(kāi)度來(lái)調(diào)整發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，從而得到相應(yīng)的攪拌筒轉(zhuǎn)速。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的硬件分為泵車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)和攪拌車(chē)控制兩部分。其中泵車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)主要由CAN信號(hào)調(diào)理模塊、超聲波檢測(cè)模塊、Zigbee模塊以及主控芯片構(gòu)成。攪拌車(chē)控制由CAN信號(hào)調(diào)理模塊和Zigbee模塊構(gòu)成。本文只介紹泵車(chē)硬件電路。

3.1 CAN信號(hào)調(diào)理電路

泵車(chē)上的CAN信號(hào)通過(guò)物理接口PAC82C250連接高速光耦隔離器6N137以提高CAN節(jié)點(diǎn)的抗干擾性，再接入信號(hào)調(diào)理模塊核心芯片CAN協(xié)議控制器MCP2510，MCP2510由SPI接口連接至主控芯片S3C2410。

3.2 超聲波測(cè)量電路

混凝土容量的超聲波測(cè)量電路核心為L(zhǎng)M1812，其包括1個(gè)脈沖調(diào)制C類(lèi)發(fā)射器、1個(gè)高增益接收器、1個(gè)脈沖調(diào)制檢測(cè)器及噪聲抑制電路［2］。因?yàn)槌暡▊鞑ニ俣仁軠囟鹊挠绊?，需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償以提高測(cè)量精度。

3.3 Zigbee模塊

Zigbee模塊的核心是CC2420，其選擇性和敏感性指數(shù)超過(guò)了IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的要求，可確保短距離通訊的有效性和可靠性。電路中主控芯片S3C2410通過(guò)SPI接口與CC2420進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，并由CC2420的射頻模塊收發(fā)無(wú)線(xiàn)信號(hào)。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 泵車(chē)控制程序設(shè)計(jì)

圖3為泵車(chē)控制程序流程圖。首先，在無(wú)線(xiàn)通訊前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)，包括料斗容量和泵車(chē)排量，當(dāng)檢測(cè)到入網(wǎng)信息時(shí)進(jìn)行通訊握手，沒(méi)有則繼續(xù)檢測(cè)入網(wǎng)信息。握手成功后，如果沒(méi)有中斷信號(hào)則將要發(fā)送的數(shù)據(jù)送入緩存區(qū)，然后通過(guò)射頻模塊發(fā)送；有中斷信號(hào)則停止發(fā)送，進(jìn)入入網(wǎng)信息檢測(cè)模式。

4.2 攪拌車(chē)控制程序設(shè)計(jì)

圖4為攪拌車(chē)控制程序流程圖。首先對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，當(dāng)激活入網(wǎng)功能后發(fā)送入網(wǎng)信息，無(wú)則結(jié)束程序；有則發(fā)送入網(wǎng)信息與泵車(chē)Zigbee模塊進(jìn)行通訊握手，握手成功后接收來(lái)自泵車(chē)的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行工況判斷，最后由控制器調(diào)整攪拌車(chē)攪拌筒速度。

圖3 泵車(chē)控制程序流程圖

圖4 攪拌車(chē)控制程序流程圖

5 結(jié)論

本應(yīng)用以Zigbee無(wú)線(xiàn)技術(shù)、超聲波測(cè)距和CAN總線(xiàn)為平臺(tái)搭建了一個(gè)可以使攪拌車(chē)和泵車(chē)進(jìn)行一體化控制的系統(tǒng)。通過(guò)對(duì)泵車(chē)料斗內(nèi)混凝土容量的分級(jí)來(lái)劃分不同的工況，攪拌車(chē)根據(jù)接收到的混凝土容量檢測(cè)數(shù)據(jù)，針對(duì)不同的工況自動(dòng)調(diào)整喂料速度，解決了攪拌車(chē)喂料需人工頻繁操作的問(wèn)題。

［1］張祖媛.基于CC2430芯片的礦山井下車(chē)輛定位系統(tǒng)［J］.礦山機(jī)械，2009，37（23）：34－37.

［2］于瑋，陳毅華，封維志，等.無(wú)線(xiàn)超聲波液位測(cè)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.工礦自動(dòng)化，2012（2）：98－102.