1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

預(yù)拌站現(xiàn)場(chǎng)采用高速工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)，將各預(yù)拌站連接成可遠(yuǎn)程控制的現(xiàn)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)，其具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)有配料員在取得相關(guān)授權(quán)情況下，對(duì)各個(gè)預(yù)拌混凝土站的配合比例進(jìn)行操作與管理，遠(yuǎn)程調(diào)度員進(jìn)行遠(yuǎn)程生產(chǎn)調(diào)度，層通過(guò)后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)生產(chǎn)情況的查詢(xún)和查看相關(guān)生產(chǎn)報(bào)表[2]。

該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)預(yù)拌混凝土各個(gè)站點(diǎn)的統(tǒng)管理和調(diào)度，杜絕操作錯(cuò)誤，同時(shí)合理分配生產(chǎn)任務(wù)，使預(yù)攪拌站的生產(chǎn)能力達(dá)到大優(yōu)化。

系統(tǒng)采用心跳線(xiàn)實(shí)現(xiàn)同步與冗余，以保證各生產(chǎn)線(xiàn)能夠正常生產(chǎn)。該系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)，將預(yù)拌混凝土現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)的各種控制數(shù)據(jù)、產(chǎn)品數(shù)據(jù)和運(yùn)載數(shù)據(jù)等信息，與后臺(tái)MIS或其他系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，做到提高企業(yè)的管理水平。

2 控制器硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體結(jié)構(gòu)

混凝土預(yù)攪拌站有其自身特點(diǎn)，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，需考慮控制器的抗干擾、抗振動(dòng)和寬電壓?jiǎn)?dòng)等。在抗干擾方面，采用隔離技術(shù)以屏蔽外界的強(qiáng)電場(chǎng)干擾；對(duì)各種原料的進(jìn)料，采用誤差補(bǔ)償算法以提高計(jì)量精度；在進(jìn)料沖擊力方面，采用抗震設(shè)計(jì)；在控制器電源方面，在寬輸入自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，以達(dá)到消除電源波動(dòng)對(duì)控制器的影響。在數(shù)字量采集與驅(qū)動(dòng)方面，使用光電隔離和繼電器隔離技術(shù)，將系統(tǒng)與電氣系統(tǒng)隔離開(kāi)來(lái)，同時(shí)采用的控制算法進(jìn)行計(jì)量控制和時(shí)序控制[3]。

依據(jù)工藝流程及實(shí)際需求，控制器硬件原理框圖如圖2所示。

2.2 稱(chēng)重測(cè)量與控制模塊

稱(chēng)重測(cè)量的前端為稱(chēng)重傳感器，其按放于料斗相應(yīng)位置，經(jīng)屏蔽信號(hào)線(xiàn)輸入到控制器進(jìn)行處理 [4]。采集到的稱(chēng)重信號(hào)，還必須符合配料比的要求。依據(jù)預(yù)拌混凝土的配比要求，控制器輸出不同頻率的開(kāi)關(guān)信號(hào)來(lái)控制電磁振動(dòng)給料機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)給料速度的控制。對(duì)粉末料用螺旋給料機(jī)水泥給料；將控制信號(hào)經(jīng)管D/A模塊轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)，然后經(jīng)開(kāi)關(guān)輸出電路輸出給變頻器，變頻器輸出不同的頻率信號(hào)來(lái)控制螺旋給料機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)粉狀物料的給料控制。對(duì)液體物料用變頻調(diào)速水泵，如水和液態(tài)添加劑等；控制器控制變頻調(diào)速水泵按給定量進(jìn)料，從而提高計(jì)量控制精度。

2.3 電源模塊

采用兩路電源，分為主和備[5]。無(wú)論是主電源供電還是備用電源供電，其輸入的電壓經(jīng)過(guò)變換后，轉(zhuǎn)換為兩組，組為3.3V電壓，主要供控制器的I/O口和外設(shè)使用；另組為2.5V，主要供控制器處理器內(nèi)核使用。電源模塊電路原理如圖3所示。

2.4 Nand Flash模塊

S3C2410x的存儲(chǔ)器大為1GB，設(shè)計(jì)時(shí)選用Samsung的 K9F2808UOB芯片為控制器擴(kuò)展64MB的Nand Flash存儲(chǔ)器，其接口原理如圖4所示。

在設(shè)計(jì)了存儲(chǔ)器之后，要專(zhuān)門(mén)為Nand Flash編寫(xiě)接口程序，并為上層應(yīng)用提高各種對(duì)存儲(chǔ)器的操作接口函數(shù)。

控制器還有很多具體的電路，因在嵌入式系統(tǒng)中，處理好電源和存儲(chǔ)器問(wèn)題，就能為系統(tǒng)正常穩(wěn)定的工作奠定堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)基礎(chǔ)。其他電路，在此不予以介紹。

3 控制器軟件體系

3.1 軟件抽象模型

按照嵌入式系統(tǒng)原理，控制器為典型的嵌入式系統(tǒng)，因此可以利用現(xiàn)有的層次化抽象模型，對(duì)控制器的軟件系統(tǒng)進(jìn)行抽象。經(jīng)過(guò)抽象分析，將控制器軟件系統(tǒng)劃分為如圖5所示的層次結(jié)構(gòu)。

中間層BSP/HAL的作用主要是對(duì)控制器實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)、CPU級(jí)和系統(tǒng)級(jí)的初始化，同時(shí)還對(duì)各種硬件接口提供驅(qū)動(dòng)和為上層應(yīng)用提供驅(qū)動(dòng)程序編程接口；操作系統(tǒng)層主要RTOS內(nèi)核和移植，以及RTOS為上層應(yīng)用提供的內(nèi)核功能的抽象編程接口；操作系統(tǒng)功能擴(kuò)展層主要是為操作系統(tǒng)提供網(wǎng)絡(luò)、文件系統(tǒng)、GUI等；應(yīng)用層主要控制程序和與后臺(tái)系統(tǒng)交互程序等。

控制器選用的RTOS為μC/OS-II，將其移植于所選處理器上，并對(duì)RTOS進(jìn)行抽象和功能擴(kuò)展。

3.2 主任務(wù)設(shè)計(jì)

依據(jù)層次結(jié)構(gòu)和控制工藝要求，得到控制器主任務(wù)執(zhí)行順序?yàn)椋河布跏蓟?、RTOS初始化、模塊監(jiān)測(cè)和啟動(dòng)任務(wù)等，其中較為主要的多任務(wù)的啟動(dòng)。主任務(wù)流程如圖6所示。

4技術(shù)措施

4.1 提高可靠性措施

先，控制器采用雙電源措施，以提高控制器抗沖擊電壓的能力，前面在設(shè)計(jì)電源模塊時(shí)，就已經(jīng)考慮到這些問(wèn)題。

其次，除整個(gè)控制系統(tǒng)接地外，對(duì)控制器單設(shè)計(jì)接地措施，使其接地電阻控制在1歐姆范圍內(nèi)。

再次，控制器輸出控制信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)時(shí)，為提高系統(tǒng)可靠性，采用阻容吸收；且在中間繼電器線(xiàn)包采用二極管吸收回路，各種信號(hào)線(xiàn)采用屏蔽線(xiàn)并單端接地。

后，在軟件上，采用模塊化程序設(shè)計(jì)思想，將控制器的風(fēng)險(xiǎn)予以逐步化解，使得整個(gè)軟件系統(tǒng)加可靠。

4.2 提高精度措施

提高控制精度采用以下措施為：在軟件上，對(duì)稱(chēng)重傳感器采集到的稱(chēng)重量進(jìn)行算法補(bǔ)償，以降低測(cè)量結(jié)果的靜態(tài)非線(xiàn)性誤差和動(dòng)態(tài)滯后誤差，達(dá)到精確計(jì)量；對(duì)粉末物料，要降低因重力產(chǎn)生的沖量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，本系統(tǒng)采用變速給料予以實(shí)現(xiàn)。

5 結(jié)論

采用的嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)混凝土預(yù)攪拌站控制器，體現(xiàn)了ARM處理器的高可靠性、接口功能完善和低功耗等優(yōu)點(diǎn)，且彌補(bǔ)繼電器控制在可靠性方面的缺陷，同時(shí)，提高了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)連接能力，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與調(diào)度，因此，該控制器具有定的實(shí)用性。