摘 要： 提出了一種全新的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)，使用高性能管控一體化人機(jī)界面MiniHMI-1000作為人機(jī)交互平臺(tái)，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集嵌入式工控主板EPCM-2640作為控制器，通過(guò)反饋、控制算法進(jìn)行高精度控制，使用Modbus進(jìn)行可靠互聯(lián)通信，實(shí)現(xiàn)了一種能控制高精度混合比例的全自動(dòng)化攪拌機(jī)控制系統(tǒng)。
關(guān)鍵詞： 攪拌機(jī)；控制系統(tǒng)；MiniHMI-1000；EPCM-2640；Modbus
隨著政府增大基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，高速公路、鐵路、縣鄉(xiāng)公路和城市建設(shè)的投資力度進(jìn)一步加大，勢(shì)必會(huì)刺激各種混凝土或?yàn)r青攪拌機(jī)的需求。然而，市場(chǎng)上現(xiàn)有的攪拌機(jī)普遍存在生產(chǎn)效率低、成品混合物比例不精確、成品質(zhì)量較低、人為參與成分較多等缺點(diǎn)。
圖1是傳統(tǒng)攪拌機(jī)的結(jié)構(gòu)框圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的攪拌機(jī)依賴人工操作較多，混合物的比例和攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)必須依靠人為設(shè)定和控制，使得混合物的比例精度差，攪拌出來(lái)的混合物料質(zhì)量不均勻，導(dǎo)致生產(chǎn)的效率較低。
改進(jìn)方案的提出
為了解決攪拌機(jī)的混合物比例不精確的問(wèn)題，可以通過(guò)反饋控制來(lái)調(diào)節(jié)配料的流量和比例；為了提高自動(dòng)化程度，可以使用電機(jī)來(lái)控制物料管道的流量。圖2是使用了PID調(diào)節(jié)的自動(dòng)比例控制的攪拌機(jī)系統(tǒng)框圖。
與傳統(tǒng)的攪拌機(jī)系統(tǒng)相比，圖2增加了2個(gè)可控的電機(jī)（電機(jī)1、電機(jī)2），控制物料A和物料B的管道流量，替代原來(lái)繁瑣的人工填料；電機(jī)3控制攪拌機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。3個(gè)電機(jī)均使用了PID來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，使得配料的比例非常精確，攪拌的速度完全可控。
圖3是其中1路電機(jī)轉(zhuǎn)速的PID系統(tǒng)框圖，其中Mn是給定的轉(zhuǎn)速(Ma、Mb或Mc)，e是給定轉(zhuǎn)速和采樣的轉(zhuǎn)速(即實(shí)際的轉(zhuǎn)速)之差，通過(guò)PID調(diào)節(jié)使e接近0時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速即與給定的轉(zhuǎn)速M(fèi)n趨于一致。
改進(jìn)方案的具體實(shí)現(xiàn)
通過(guò)上述方案的理論分析，改進(jìn)后的攪拌機(jī)控制系統(tǒng)完全可以達(dá)到提高配料的比例精確度、降低人為操作成分和提高生產(chǎn)效率的目的，下面將提出一個(gè)具體的實(shí)現(xiàn)方案。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)
采用廣州致遠(yuǎn)電子有限公司的MiniHMI-1000人機(jī)界面作為人機(jī)交互平臺(tái)，通過(guò)RS-485總線連接下位機(jī)控制器EPCM-2640，控制器的板載模擬量輸入端口實(shí)現(xiàn)對(duì)各種環(huán)境參數(shù)的采集，同時(shí)控制器通過(guò)計(jì)數(shù)端口實(shí)時(shí)采集電機(jī)轉(zhuǎn)速，使用PID算法計(jì)算輸出參數(shù)控制變頻器調(diào)節(jié)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的閉環(huán)控制。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)框圖如圖 4所示。
下位機(jī)控制板EPCM-2640
EPCM2000系列工控主板是廣州致遠(yuǎn)電子有限公司開(kāi)發(fā)的基于LPC2300系列ARM的可擴(kuò)展的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集嵌入式工控主板，EPCM-2640作為EPCM2000系列的一員，產(chǎn)品機(jī)械尺寸為EPIC標(biāo)準(zhǔn)尺寸(165 mm×115 mm)，擴(kuò)展總線為MiniISA總線。具有資源豐富、接口齊全、穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)。預(yù)裝正版μC/OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)并提供板載外設(shè)驅(qū)動(dòng)庫(kù)，固化了FAT32文件系統(tǒng)、TCP/IP協(xié)議、Modbus協(xié)議等，真正做到了“只要會(huì)C語(yǔ)言，就會(huì)開(kāi)發(fā)產(chǎn)品”，用戶無(wú)需了解TCP/IP、Modbus、CAN-bus等協(xié)議，也無(wú)需了解ARM內(nèi)部寄存器，只需要簡(jiǎn)單地調(diào)用API函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)這些復(fù)雜功能，從而極大縮短了產(chǎn)品的研發(fā)周期并降低了成本。
在具體設(shè)計(jì)上，下位機(jī)控制器EPCM-2640的2路RS-485總線采用Modbus-RTU通信協(xié)議，一路做主機(jī)控制3個(gè)變頻器；另一路RS-485做從機(jī)，和人機(jī)界面MiniHMI-1000進(jìn)行通信，接受人機(jī)界面設(shè)定的配置和控制程序，并將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送給人機(jī)界面。自帶8路12 bit ADC，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，通過(guò)定時(shí)器捕獲端口對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)速，反饋回來(lái)對(duì)電機(jī)進(jìn)行PID調(diào)速。
人機(jī)界面設(shè)計(jì)
廣州致遠(yuǎn)電子有限公司生產(chǎn)的MiniHMI-1000人機(jī)界面是一款高性能的管控一體化人機(jī)界面。該人機(jī)界面主要特點(diǎn)如下：
(1)工業(yè)級(jí)32 bit嵌入式RSIC微處理器，主頻達(dá)400 MHz；
(2)具有4路CVBS視頻輸入接口，可顯示工程作業(yè)區(qū)實(shí)時(shí)畫面；
(3)采用26萬(wàn)色10.4英寸高亮度、高對(duì)比度工業(yè)級(jí)液晶顯示器；
(4)可外接大容量存儲(chǔ)設(shè)備，保存關(guān)鍵歷史數(shù)據(jù)及產(chǎn)品配方；
(5)支持VGA擴(kuò)展顯示接口；
(6)支持iCAN、CANopen、DeviceNet等工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線通信協(xié)議。
圖5是MiniHMI-1000的實(shí)物圖。
在圖 4系統(tǒng)中，人機(jī)界面系統(tǒng)作為通信主站，與下位機(jī)控制器EPCM-2640之間的通信連接采用Modbus-RTU協(xié)議。人機(jī)界面的畫面編輯采用與MiniHMI-1000配套的組態(tài)軟件HMI Developer Suite，簡(jiǎn)稱HDS。
圖6、圖7分別為“運(yùn)行監(jiān)控”與“設(shè)置頁(yè)面”的畫面。
在操作現(xiàn)場(chǎng)，工作人員可通過(guò)“運(yùn)行監(jiān)控”畫面（圖6所示）實(shí)時(shí)了解系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、電壓/電流過(guò)載情況、各種物料的流量、當(dāng)前工作配方等信息。高權(quán)限等級(jí)的工作人員（例如工廠管理員）可通過(guò)驗(yàn)證身份（用戶名/密碼)進(jìn)入“設(shè)置頁(yè)面”(圖7所示)，修改運(yùn)行狀況和當(dāng)前工作配方。
為了保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，可以在報(bào)警組件中編輯報(bào)警條件表達(dá)式，實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)異常情況時(shí)，人機(jī)界面上將滾動(dòng)顯示報(bào)警信息。同時(shí)可通過(guò)觸發(fā)器腳本完成報(bào)警決策與錯(cuò)誤處理。
現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行中，需要通過(guò)改變各種物料的流量搭配比例來(lái)改變混合物的屬性。使用HDS的配方管理功能可以根據(jù)用戶的需求預(yù)設(shè)多種產(chǎn)品配方。現(xiàn)場(chǎng)更改工作配方時(shí)，只需點(diǎn)擊觸摸屏相關(guān)按鈕即可。
使用MiniHMI-1000作為上位機(jī)人機(jī)交互界面，EPCM-2640作為下位機(jī)控制器，通過(guò)RS-485總線（Modbus協(xié)議）進(jìn)行可靠通信，實(shí)現(xiàn)了一種能控制高精度混合比例的全自動(dòng)化攪拌機(jī)控制系統(tǒng)，能夠減少繁瑣的人工控制成分，提高混合物的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，在實(shí)際生產(chǎn)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。