基于單片機的智能料槽控制系統在PROTOS卷接機組上的應用

陳靜

摘 要：智能料槽控制系統采用了3個檢測器和一個主控制器的結構方式，系統通訊采用了分布式的通訊方式，每個檢測器有5個檢測點，主控器管理著3個檢測器的15個檢測點，通過主控器可以對15個檢測點的參數進行監控和更改。

關鍵詞：PROTOS卷接機；分布式通訊；計量槽；單片機

中圖分類號：TS43 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）01-0055-02

PROTOS70卷接機組是我國于上個世紀90年代從德國虹霓公司引進的先進的卷接機組設備，其中VE70是PROTOS70卷接機組的供料成條機，其作用是將前置工序加工的煙絲進行整理、定量并均勻連續的將煙絲條傳輸給下游的卷煙機部分。這一過程需要控制的環節有：送絲風管的進絲、氣閘落料、煙絲儲料的料位、計量槽料位、煙絲進入煙槍以及煙絲的循環利用。其中計量槽料位檢測采用的是9點矩陣式邏輯控制板和運算控制板組合的檢測方式。這種9點矩陣式檢測系統的缺陷是：料位控制不夠穩定，易造成堆料槽滿、陡角電機頻繁啟停或堆料槽空、或堆料槽內堵塞而導致主機停車等，直接影響到生產效率和產品質量。為此，對VE70計量槽料位控制系統進行了技術改進。將原來的9點控制改為15點控制，更改后的計量槽料位相對均勻、供料平穩，不發生堵塞、空料現象。

1 系統組成

本系統采用典型的分布式控制系統設計技術，系統由3個一次檢測器和1個主控制器組成（如圖1所示）。每個檢測器上分布了5個檢測點，主控制器用于對3個檢測器進行管理和參數設置；為了保證檢測的快速性，分布式系統的檢測信息采用獨占通道的串行通訊，而對檢測器的管理與參數設置使用雙向總線通訊方式。

2 硬件配置

每個檢測器為5點式紅外線反射式檢測器，可以精確檢測煙絲的位置。單片機將獲得的煙絲位置信息采用串行輸出方式輸出給級聯的上位機，即#1檢測器輸出給#2檢測器，#2檢測器將自身的檢測結果以及#1檢測器的檢測結果一同輸出給#3檢測器，#3檢測器再將自身的檢測結果以及#2檢測器傳來的檢測結果一同輸出給主控制器。通過主控制器可以對3塊檢測器上的每一個點進行管理和參數設置。

主控制器以單片機為核心，有一個4位的8段數碼顯示器、一個6鍵鍵盤、一個雙向總線接口和一個串行單工接收口等組成。主控制器從串行單工接收口獲得檢測器的檢測結果，經過處理后以OC門的方式輸出為卷接機控制設備，供上位機使用；同時也以段碼“E”的方式在數碼管上顯示5點的狀態，15點都沒有煙絲時顯示為“EEE”，使得操作人員直接了解各個檢測位置上的煙絲供應量的情況。

對各個檢測器的參數設置從另外一個雙向總線接口輸出。各個檢測器的設定參數保存在主控制器的非易失存儲器中。每次上電初始，主控制器讀取各個檢測器的設置參數，按選定地址推送到4位數字顯示器；需要進行修改時，主控制器將人為修改的參數填入通訊幀，從雙向總線上發送給各個檢測器，各個檢測器依據數據中的接收方身份ID辨識自己的數據，并將設置參數存入本身的內存中，然后激活工作點。

主控制器以三極管輸出的方式輸出15個檢測光電管的狀態以及1個有效性標志位。輸出的極性可以通過軟件更改，而軟件的極性翻轉由主控制器電路板的跳線控制。操作人員可以根據大系統的設備需求變更輸出極性。同時主控制器仍然可以以串行通訊的方式向上位機提供檢測狀態，以適應各種不同的應用場合。

3 分布式通訊技術設計

為了保證分布式系統的分布特性，避免長距離通訊帶來的噪聲影響通訊的可靠性，本系統的通訊全部采用差分驅動方式的雙線串行通訊技術。為了防止長線傳輸出現的邊界反射現象帶來噪聲干擾，差分驅動線路均使用了去反射耦合技術。

為了保證檢測的快速性，檢測結果的傳輸采用了獨占式RS485串行通訊，保證下位機向上位機發送數據時沒有其他設備占用通道，這是分布式控制系統快速性的核心技術。

為了實現主控制器對各個檢測器的管理與控制，傳輸管理信息和設置參數采用了雙向總線的RS485通訊技術。主控制器與各個檢測器的通訊采用主從的應答方式，各個檢測器必須等待主控制器的“點名”，點到自己的時候才發送自己的信息，保證總線無沖突。

為了提高通訊的可靠性，對整幀使用了CRC校驗，拋棄出現錯誤的幀，保證數據與系統運行的可靠性。

本系統設計了2套通訊協議，一套用于檢測器上報檢測結果，另一套用于主控制器與多個檢測器之間的信息交互與管理。

主控制器與各個檢測器之間的一對多通訊相對比較復雜。由于有4個對象要共同使用一套總線，而避免總線沖突的技術較為復雜，多數串行總線都采用了主從制通訊方式，即有一個通訊單元作為主導方，其余通訊對象作為從屬，聽從主導方的通訊調度。本系統中，主控制作為主導方，各個檢測器作為從屬方。

主控制器利用這個總線向各個檢測器寫入特定的工作參數設置值，獲取各個檢測器的工作狀態，因此對通訊可靠性有很高的要求。為了滿足可靠性的要求，通訊協議設計成字符方式。

通訊幀采用字符傳輸方式，因此采用了特殊符號@作為幀頭標志；接收方地址采用兩個（A_H、A_L）ASCII字符表示一個字節的十六進制數值（0～9，A～F）；操作指令采樣單字節命令，單個字母表示不同含義的命令（R讀，W寫，S自學習，F恢復出廠值，讀L邏輯狀態，D應答數據，M寫FLASH）；各個檢測器的工作參數存放在給定地址的內存中，連續存放，對這些數據的讀寫需要給定地址或首地址，該地址的表示方式與通訊接收方地址的表示方式相同，即CH_H 、CH_L；對檢測器的參數寫入、讀取都是整組實現，每組的長度由數據長度決定，即LEN_H、LEN_L；然后就是寫入的數據（讀取指令中沒有具體數據）D0～Dn，每個字節數據也都是采用2個ASCII字符表示；數據之后是校驗碼；最后是一個回車符，表示一個幀的結束。

操作指令除了對內存中工作參數的讀寫之外，還包含的特定的動作，如啟動自學習進程、恢復出廠值、用FLASH保存數據等。

各個檢測器接收到指令后首先檢查幀的完整性和正確性，然后判斷是否給自己的命令，如果是就執行，如果不是則拋棄。

這種幀設計技術極大的提高了通訊的可靠性，同時也實現了主從方式的一對多通訊，是單片機中普遍使用的方法之一。

4 系統運行結果

改造后的計量槽料位檢測裝置比以往的單純硬件電路板相比，安裝方便，工作穩定可靠；同時操作人員可以對各個監測點的工作狀況可以通過數碼顯示器直觀了解。由于計量槽料位檢測裝置采用分布式檢測技術，可以對檢測點進行裁剪和擴充，滿足不同場合的適用需求。本系統還可以對工作參數可以修改設定適應不同的工作介質，輸出方式既有晶體管陣列輸出，也保留了一個串行通訊輸出口，可用于具有通訊接口的上位系統使用，適應不同的控制系統。

參考文獻

[1]賈會志主編.ZJ17卷接機組培訓教材[M].河南人民出版社，2010.

[2]鐘肇新，范建東，馮太合.可編程控制器原理及應用[M].華南理工大學出版社，2008.

[3]張毅剛.單片機原理及應用[M].高等教育出版社，2010.

[4]張毅剛.單片機原理及接口技術[M].人民郵電出版社，2011.

[5]童詩白，華成英.模擬電子技術基礎[M].高等教育出版社，2015.

[6]閻石，王紅.數字電子技術基礎[M].高等教育出版社，2016.endprint