李啟迪，李永新，楊 溢

(中國科學技術大學 工程科學學院，安徽 合肥 230027)

0 引 言

近年來，受國家去產能及環(huán)保政策日益收緊影響，全國水泥產能呈下降趨勢。我國已經成為全球最大的水泥生產國，國內規(guī)模較小的水泥企業(yè)數量眾多，市場競爭激烈，迫切需要技術升級。目前，大部分水泥廠商在水泥批量化生產的過程中，水泥裝袋的過程已經實現自動化，但是在袋裝水泥裝車環(huán)節(jié)，國內水泥企業(yè)大多采用人工作業(yè)的方式，這不僅有著裝車效率低，勞動強度大的缺點，還存在工人砸傷、滑倒、跌落等安全生產隱患，以及粉塵、負壓等嚴重威脅工人健康。FLSmidthVentomatic公司研發(fā)的吸盤式自動裝車機[1]，有著穩(wěn)定碼垛、適應不同車長并且碼包時速最快達到3000包/h等優(yōu)點。但由于國內水泥包尺寸參差不齊，水泥袋的質量也比較差，工業(yè)標準化程度低，其采用真空吸盤結構會導致水泥包破損嚴重，并且氣泵設備需要較大的安裝空間。HAVER公司開發(fā)的SpeedRoad全自動快速裝車系統(tǒng)[2]，有著碼包類型多樣、碼包時速快、碼包方式溫和、整體設備簡單等優(yōu)點，但由于國內貨車車廂尺寸大小不一，其沒有沿著車寬方向移動的機構，因此車寬適應性不強。武漢藍海燕智能裝車設備有限公司自主設計的全自動袋裝水泥裝車機[3]，改變了人工裝車的方式，滿足了自動化需求，但其只適合低檔裝車速度要求，同樣也存在車寬適應性不強的問題。

針對上述國內外現狀，本課題組提出了抽屜式自動裝車機的設計方案，開發(fā)了一種高速重載、適應不同車廂尺寸、適合國內市場使用要求的袋裝水泥自動裝車系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要包括前端運送機構、軌道運送帶、碼垛編組裝置、三維移動裝置等，如圖1所示。

圖1 自動裝車機整體結構1.前端運送機構(略) 2.軌道運送帶 31～39.碼垛編組裝置 31.換向滑道 32.發(fā)包機構 33.順包帶 34.順包機構 35.轉包機構 36.停包機構 37.送包機構 38.擺包機構 39.中間橋架 41～44.三維移動裝置 41.前后移動機構 42.左右移動機構 43.升降移動機構 44.起吊平臺 51～55.自動落包裝置 51.橫向移動機構 52.落包移動機構 53.前端定位擋板 54.落包平臺 55.推包機構

碼垛編組裝置主要完成袋裝水泥的縱橫包擺放編組及落到車廂等動作，三維移動裝置主要完成碼垛編組裝置的碼垛移動、碼包移動(上升一層)以及裝車前碼垛編組裝置與車廂左右對稱軸線對齊等動作。該裝車機系統(tǒng)涉及的關鍵技術有機構、傳感與控制、自動碼包規(guī)劃等，筆者主要設計一種運行平穩(wěn)可靠、車型適應性強、自動化程度高的多傳感信息融合強度大的控制系統(tǒng)，實現袋裝水泥自動裝車機的智能控制。

1 傳感系統(tǒng)設計

傳感器技術是現代信息技術的三大支柱之一，是自動控制系統(tǒng)中不可缺少的核心部分，是促進機電一體化系統(tǒng)發(fā)展的重要動力[4]。

在自動裝車系統(tǒng)中，要實現無人操作和值守，要保證裝車系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性、精確性、安全性，傳感器系統(tǒng)的設計、布局以及傳感信號的可靠性、穩(wěn)定性至關重要。此研究的自動裝車機涉及到的傳感器類型主要有：激光測距傳感器，紅外光電傳感器，觸點開關，光電編碼器等，如圖2所示。該多傳感信息融合系統(tǒng)在自動裝車機發(fā)包狀態(tài)檢測、水泥包計數功能、機構位移及狀態(tài)檢測、車輛檢測、系統(tǒng)安全檢測以及實時故障診斷等方面發(fā)揮著重要作用。

圖2 自動裝車機傳感系統(tǒng)

2 主控系統(tǒng)硬件設計

2.1 主控芯片選型

本課題組設計的抽屜式自動裝車機受控機構繁多，傳感和信息交流接口需求多，多傳感信息融合強度大，對機構實時控制性強，并且對各個機構的位置控制精度要求很高。因此，主控芯片需要擁有足夠豐富的片上資源，高速的處理運算能力，以及能夠長時間運行穩(wěn)定可靠等。在充分調研市場及考慮成本后，選擇德州儀器(Texas Instruments)公司的TMS320F28335，其廣泛應用于電機控制等工業(yè)控制系統(tǒng)中，具體特點[5]如下：

(1) 高性能的靜態(tài)CMOS技術，32位單精度浮點DSP，主頻達150MHz。

(2) 采用哈佛流水線結構，能夠快速執(zhí)行中斷響應，具有統(tǒng)一的內存管理模式。

(3) 外設接口資源豐富。多達88個具有輸入濾波功能可單獨編程的多路復用GPIO引腳。

(4) 豐富的串行總線接口模塊：2通道CAN模塊、3通道SCI模塊、2個McBSP模塊、1個SPI模塊、1個I2C模塊。

2.2 硬件設計指標

根據自動裝車機的具體結構設計，考慮各受控機構的驅動方式，主控系統(tǒng)所需要的硬件匯總如下表。

表1 自動裝車機硬件需求匯總

2.3 硬件電路設計

根據第2.2節(jié)的硬件設計指標，一塊DSP主控電路板難以滿足。因此，該自動裝車系統(tǒng)的三維移動裝置和自動落包裝置分別采用單獨的DSP主控電路板控制，雙DSP之間通過高速數據通訊接口連接實現實時協調控制。該方法使得硬件電路模塊化、處理軟件模塊化，便于布線及產品維護、升級。該系統(tǒng)的硬件電路設計主要包括：DSP最小系統(tǒng)板設計、電源模塊設計、各類電機驅動接口設計、傳感器信息采集及處理接口模塊和通訊接口模塊等。由于篇幅關系，硬件電路設計圖不具體列出，其主控系統(tǒng)PCB電路板如圖3所示。

圖3 主控系統(tǒng)PCB電路板

3 主控系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制策略

控制系統(tǒng)分為組織級、協調級和執(zhí)行級三級控制策略，如圖4所示。組織級通過人機接口和客戶進行交互，獲取裝載信息后進行自動裝車系統(tǒng)的全局規(guī)劃，主要包括車輛定位檢測、車廂尺寸檢測、碼垛類型規(guī)劃和故障診斷等，其智能化程度最高。協調級根據組織級的全局規(guī)劃對每個功能模塊進行聯動協調控制，多傳感信息融合技術的應用保證該系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性及安全性，主要包括機構初始化、來包計數與轉包控制、進包定位聯動控制等等。執(zhí)行級的控制過程是執(zhí)行一個確定的動作，即單獨機構的運行控制，如交流伺服系統(tǒng)的運動控制。

圖4 控制系統(tǒng)控制策略

3.2 裝車機程序設計思路

自動裝車機智能裝車過程的程序流程圖如圖5所示。下面從控制策略出發(fā)，對該智能系統(tǒng)自動裝車部分程序作簡要說明。

3.2.1 組織級控制程序

(1) 獲取裝載信息：生產管理系統(tǒng)接收客戶確認的裝載信息后，發(fā)送到自動裝車機的控制系統(tǒng)。

(2) 車輛定位檢測、車廂尺寸檢測：車輛定位檢測旨在判斷車輛停靠位置與自動落包裝置設定原點之間的偏差，由車輛檢測系統(tǒng)進行檢測得到車廂軸線與自動落包裝置前后移動方向軸線的左右偏差與偏斜量。車廂尺寸檢測則是通過三維移動機構緩慢移動，獲取光電傳感器信息前后變化的編碼器和激光測距傳感器數據，經過相應的計算處理后得到相應的車廂尺寸。

(3) 碼垛類型規(guī)劃：DSP主控板自動進行碼垛類型規(guī)劃，得到最優(yōu)的碼垛編組方案，并自動計算出智能裝車過程中所需要的運行參數。

圖5 自動裝車控制程序流程圖

3.2.2 協調級控制程序

(1) 機構初始化：從安全的角度出發(fā)，各個運動系統(tǒng)采用單獨控制按照時序回到機械原點，同時可通過各運動機構的檢測系統(tǒng)判斷機構初始化是否完成。

(2) 進包定位聯動控制：進包定位指的是落包移動結束后啟動下一次落包方位的進包定位移動控制，包括推包桿回位，擺包板置位，橫向移動，落包板返回。本文根據進包定位位移大小確定橫向移動最大運行速度，并采用全閉環(huán)PID控制算法進行控制。此外，橫向移動機構根據光電編碼器實時記錄當前所在位置信息，便于確定下一次進包定位所需位移及運行方向，確保橫向移動機構運動位移及時間最短。

(3) 落包移動聯動控制：落包移動時，三維移動機構和落包裝置中的其它機構禁止運動。落包移動機構運行平穩(wěn)、速度響應快，且在高速重載工況下其位置精度在1 cm內，滿足使用要求。協調級控制程序繁多，執(zhí)行級控制程序相對也比較簡單，這里均不再說明。

4 結 語

此次研究提出一種抽屜式自動裝車機設計方案，設計自動裝車機的傳感器系統(tǒng)，以DSP為控制核心設計硬件控制系統(tǒng)和軟件控制系統(tǒng)。目前控制系統(tǒng)已經應用于樣機，該樣機運行平穩(wěn)可靠，效果良好，實現了袋裝水泥的自動裝車。