Zigbee無線技術在混凝土機械一體化控制上的應用

劉 暾

（三一重工研究院 控制所，湖南 長沙 410000）

0 引言

隨著工程機械技術的不斷進步，工程機械正朝著自動化與智能化的方向發展。目前的混凝土攪拌車在給泵車和車載泵及拖泵喂料時，需要人工頻繁的操作來控制攪拌車的喂料速度，造成攪拌車發動機速度經常大幅度上升、下降，不僅操作麻煩、油耗增加，而且經常會由于操作不及時導致混凝土溢出。為了使攪拌車可以自動喂料，本文設計了一種基于Zigbee無線技術與CAN總線的聯控系統［1］，對攪拌車喂料對象的混凝土容量狀況進行實時監控，實現攪拌車的自動化卸料。

1 系統設計

本控制系統分為攪拌車喂料控制和泵送設備料斗容量監控兩部分。攪拌車控制部分由攪拌車控制器、Zigbee模塊和執行機構組成；泵送設備監控部分由泵送設備控制器、Zigbee模塊和超聲波測量模塊組成?；炷翙C械一體化控制系統結構框圖如圖1所示。

圖1 混凝土機械一體化控制系統結構框圖

2 料斗容量測量及轉筒控制方案

2.1 料斗容量情況分析

根據料斗內混凝土的高度以及泵車泵送混凝土的特性，混凝土喂料過快將會溢出料斗，而過慢將會導致泵車泵送時出現吸空，因此將泵車料斗內混凝土容量分為3種情況（如圖2所示）：①混凝土溢出，此時混凝土溢出料斗，造成混凝土的浪費；②混凝土在基準范圍內，此時混凝土的高度合適，不會發生溢出也不會發生吸空；③混凝土在攪拌葉最高位之下，此時泵車泵送時會因為料斗內混凝土不足而發生吸空現象。

針對料斗內3種混凝土情況，將混凝土高度劃分為兩個界限，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緩沖區），并將此兩界限隔成的混凝土高度情況分為3個等級：①混凝土高于上限時為溢出級；②混凝土在界限之間時為正常級；③混凝土低于下限時為吸空級。

攪拌車根據這3個等級做出相應的控制響應，自動調整攪拌筒轉速：①攪拌筒反轉，直至混凝土降到基準范圍內；②攪拌筒與泵車排量相匹配，保持在基準范圍內；③攪拌筒無極升速，直至混凝土升到基準范圍內。

圖2 料斗容量情況分級圖

2.2 攪拌筒喂料速度與泵車排量相匹配

通過對泵車現有排量的計算，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，從而達到攪拌車發動機速度平穩且泵車不會產生吸空的最佳工作狀態。

攪拌筒轉速與發動機轉速和油泵排量的關系為：

其中，馬達排量與減速機減速比為常數，油泵排量由電比例閥控制。

首先根據泵車輸送缸的面積、長度以及混凝土的容積率計算出輸送缸內混凝土的體積，再除以換向次數，求出單位時間內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的出料量得出攪拌筒的轉速，根據轉速求出所需電比例閥電流：

其中：L為攪拌筒每轉的出料量；KI為電比例閥電流與轉速比例系數；RI為電比例閥基準電流。此時通過調整電比例閥電流可以得到相應攪拌筒的轉速。

當電比例閥電流增加到最大后還需繼續增加攪拌筒轉速，由式（1）可知此時需要通過調整發動機轉速才能增大攪拌筒的轉速。發動機轉速n（r/s）為：

其中：KN為攪拌筒與發動機轉速比。

發動機調速電壓U（V）為：

其中：rd為發動機怠速；rv為每伏電壓對應的發動機轉速；Ur為怠速電壓。

此時控制電路根據計算得到的調速電壓通過調整發動機油門開度來調整發動機轉速，從而得到相應的攪拌筒轉速。

3 硬件電路設計

該系統的硬件分為泵車監控系統和攪拌車控制兩部分。其中泵車監控系統主要由CAN信號調理模塊、超聲波檢測模塊、Zigbee模塊以及主控芯片構成。攪拌車控制由CAN信號調理模塊和Zigbee模塊構成。本文只介紹泵車硬件電路。

3.1 CAN信號調理電路

泵車上的CAN信號通過物理接口PAC82C250連接高速光耦隔離器6N137以提高CAN節點的抗干擾性，再接入信號調理模塊核心芯片CAN協議控制器MCP2510，MCP2510由SPI接口連接至主控芯片S3C2410。

3.2 超聲波測量電路

混凝土容量的超聲波測量電路核心為LM1812，其包括1個脈沖調制C類發射器、1個高增益接收器、1個脈沖調制檢測器及噪聲抑制電路［2］。因為超聲波傳播速度受溫度的影響，需要進行溫度補償以提高測量精度。

3.3 Zigbee模塊

Zigbee模塊的核心是CC2420，其選擇性和敏感性指數超過了IEEE802.15.4標準的要求，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SPI接口與CC2420進行數據通訊，并由CC2420的射頻模塊收發無線信號。

4 軟件設計

4.1 泵車控制程序設計

圖3為泵車控制程序流程圖。首先，在無線通訊前對系統進行初始化，然后進行數據檢測，包括料斗容量和泵車排量，當檢測到入網信息時進行通訊握手，沒有則繼續檢測入網信息。握手成功后，如果沒有中斷信號則將要發送的數據送入緩存區，然后通過射頻模塊發送；有中斷信號則停止發送，進入入網信息檢測模式。

4.2 攪拌車控制程序設計

圖4為攪拌車控制程序流程圖。首先對系統進行初始化，當激活入網功能后發送入網信息，無則結束程序；有則發送入網信息與泵車Zigbee模塊進行通訊握手，握手成功后接收來自泵車的數據，然后根據收到的數據進行工況判斷，最后由控制器調整攪拌車攪拌筒速度。

圖3 泵車控制程序流程圖

圖4 攪拌車控制程序流程圖

5 結論

本應用以Zigbee無線技術、超聲波測距和CAN總線為平臺搭建了一個可以使攪拌車和泵車進行一體化控制的系統。通過對泵車料斗內混凝土容量的分級來劃分不同的工況，攪拌車根據接收到的混凝土容量檢測數據，針對不同的工況自動調整喂料速度，解決了攪拌車喂料需人工頻繁操作的問題。

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

［2］于瑋，陳毅華，封維志，等.無線超聲波液位測量系統的設計［J］.工礦自動化，2012（2）：98－102.