中國輕工業(yè)聯(lián)合會2009年科技優(yōu)秀獎

項目：基于無線通信的移動配料控制系統(tǒng)

獲獎單位：無錫協(xié)力自動化設備有限公司

一、項目簡介

項目所屬科學技術領域、技術內容、技術經(jīng)濟指標、應用推廣及效益情況等：

1、涉及技術領域

本項目所屬科學技術領域為自動化工程、嵌入式計算機軟硬件開發(fā)、計算機控制軟件。

2、項目背景

耐火材料的生產(chǎn)關鍵是配料和混料，各種物料的配比精度對耐火材料的質量有著極大的影響，耐火材料所配物料種類一般較多，使用傳統(tǒng)的由幾個加料裝置和一個固定的料斗秤形式的配料系統(tǒng)難于滿足生產(chǎn)的需要,研制出移動配料形式的自動化配料系統(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，現(xiàn)行方案是基于無線通信的計算機分布式自動配料控制系統(tǒng)，采用移動式稱量小車，可配物料種類已達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化配料找到了理想的解決方案。

3、項目內容

本課題主要針對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式自動配料系統(tǒng)。

該系統(tǒng)主要由1臺工控計算機、2輛配備了各3臺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算機通過ZigBee無線通信模塊傳送數(shù)據(jù)，配料車往返地在36個料倉下自動移動，進行接料和計量，完成自動配料。

系統(tǒng)的性能指標為：

（1）配料車

ô 大料斗秤：凈量程500 kg、稱料精度±0.5kg、實測值±0.4kg

ô 量程100 kg計量秤：稱料精度±0.1kg、實測值±0.07kg

ô 量程20 kg計量秤：稱料精度±0.02 kg、實測值±0.02kg

配料車行駛速度：5～40m/min，實測值8～30m/min

配料車排料速度：50kg/s，實測值35kg/s

（2）系統(tǒng)效率指標：

配方中需自動配料的物料總數(shù)為15種時，總時間≤18分鐘，實測值17分鐘。

4、應用推廣情況

研制“基于無線通信的移動配料控制系統(tǒng)”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強度、提高配料質量、提高產(chǎn)品競爭力。

三、主要技術創(chuàng)新點

國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，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，無論是國內還是國外，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式自動配料系統(tǒng)，同時首創(chuàng)了國內真正意義上的摩擦材料全自動配料控制系統(tǒng)。為耐火材料和摩擦材料的自動化配料找到了較理想的解決方案。

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

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)場能抗強電磁干擾，且在完成檢測重量和控制配料車運動的同時，還具備重量和控制數(shù)據(jù)無線遠傳的功能。

稱重控制器是以AT89C55單片機為核心的微控制系統(tǒng)。其硬件系統(tǒng)主要由單片機主控模塊、稱重測量模塊、顯示模塊、按鍵顯示控制模塊和通訊模塊等功能模塊組成。為了使稱重控制器對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、模塊化程序設計技術，根據(jù)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、稱重測量子程序，定時中斷子程序、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

當二輛配料車同時配料運行，則存在發(fā)生碰撞的可能。由于二輛小車均裝有防撞感應裝置，整個配料控制系統(tǒng)能自動檢測并控制小車停車和避讓，實現(xiàn)了二車同時配料的功能，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部分來完成：

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

（2）在極個別情況中，當上位機的控制動作未正確的傳遞給下位機，則可能存在兩臺小車發(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，兩臺小車上各裝有一套紅外發(fā)射和接受裝置，當兩臺小車的距離在警戒范圍以內時，檢測到距離過近的紅外模塊向儀表發(fā)送報警信號，儀表則控制小車停車，若兩臺小車都停下來相持互鎖的時候，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，人工向后開，直到另外一臺小車到達目標料倉，開始加料過程，則兩臺車相持互鎖的狀態(tài)解除，可以進行正常配料。

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)場粉塵多，環(huán)境惡劣，容易使自動化控制系統(tǒng)故障率高，本項目經(jīng)過長期摸索，用車載的自動清灰除塵機和自動控制的密封升縮接口解決防塵難題，實現(xiàn)進料口密封聯(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含塵氣體進行過濾，當含塵氣體進入袋式除塵器后，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，含有較細小粉塵的氣體在通過濾料時，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，配料車的進料口和排料口均有密封伸縮接口。在加料或排料時，能夠與料倉落料口或料桶進料口實現(xiàn)密封聯(lián)接。

伸縮接口裝有密封海綿，在氣缸帶動下可以上下運動。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。有加料信號時，接通電磁閥線圈，氣缸桿運動，帶動升降架運動，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。加料過程結束后，斷開電磁閥線圈，氣缸桿帶動升降架下降。

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。上部通過防塵套與翻板排料閥連接，下部裝有密封海綿，可以和排料口實現(xiàn)密封對接。氣缸擺尾端固定在翻板排料閥閥體上，氣缸桿通過螺栓固定在伸縮接口上。氣缸通過電磁閥控制。有排料信號時，接通電磁閥線圈，氣缸桿運動，帶動伸縮接口運動，使伸縮接口下降，頂住排料口罩板，就可以正常排料。排料過程結束后，斷開電磁閥線圈，氣缸桿帶動伸縮接口上升。

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

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

5、上、下位機無線通信的實現(xiàn)

采用新興ZigBee無線組網(wǎng)技術，實現(xiàn)了信號的無線傳輸，避免了移動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臺工控機與6臺稱重控制器組成控制系統(tǒng)，如采用有線通信，則稱量小車運動時拖著電纜會帶來諸多弊端，經(jīng)過多個項目的實踐檢驗，我們使用新興ZigBee無線通信組網(wǎng)技術，使用免費頻段，時延短，網(wǎng)絡自組織、自愈能力強、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)點和特性；可實現(xiàn)一點對多點及多點對多點之間的設備間數(shù)據(jù)的透明傳輸；可組成星型和MESH 型的網(wǎng)狀網(wǎng)絡結構。它具備自組織功能和自愈功能：無需人工干預，網(wǎng)絡節(jié)點能夠感知其他節(jié)點的存在，并確定連接關系，組成結構化的網(wǎng)絡；增加或者刪除一個節(jié)點，節(jié)點位置發(fā)生變動，節(jié)點發(fā)生故障等等，網(wǎng)絡都能夠自我修復，并對網(wǎng)絡拓撲結構進行相應地調整，保證整個系統(tǒng)仍然能正常工作；而且通信延時短，可實現(xiàn)實時通信。

本系統(tǒng)通過一點對多點廣播形式實現(xiàn)上、下位機實時無線通訊。

本課題已經(jīng)過十多年的研制開發(fā)和改進，技術日趨完善，經(jīng)多家用戶長期使用，證明系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可靠性好，產(chǎn)生的經(jīng)濟效益已過億元，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。

今后對該系統(tǒng)作進一步的完善，爭取推廣到其它同類企業(yè)，產(chǎn)生更大的社會經(jīng)濟效益。