（电工理论与新技术专业论文）基于单片机和can总线的混凝土搅拌站控制系统设计.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fc o n c r e t ee x t e r n a l r e a g e n tt e c h n o l o g y ，t h e r e q u i r e m e n tf o rw e i g h i n gp r e c i s i o no f c o n c r e t em i x e rp l a n ti sh i g h e ra n dh i g h e r t h e r e f o r ea n a l o gd i g i t a lc o n v e r t e ra n dc p uw i t hh i g h e rp e r f o r m a n c ei sr e q u i r e d f o rd e s i g n i n gc o n t r o l l i n gs y s t e m p o w e rs u p p l ya n dp c b ( p r i n t e dc i r c u i tb o a r d ) w i t hh i g h e rp e r f o r m a n c ei s r e q u i r e df o ra s s u r i n gh i g hw e i g h i n gp r e c i s i o n t h e i n c r e a s ei nc o m m e r c ec o n c r e t ei n d u s t r yh a sc r e a t e dan e e df o ry i e l d i n ge f f i c i e n c y o fc o n c r e t em i x e r p l a n tw i t hh i g h e rs p e e do fd i s p o s i n g d a t aa n d t r a n s m i t t i n gd a t a w es t u d i e dt h ea c h i e v i n gm e t h o do fh a r d w a r es y s t e mb a s e do nm i c r o p r o c e s s o r a n dc a n b u si nt h es c i e n t i f i cr e s e a r c hi t e mo fc o n c r e t em i x e r p l a n tc o n t r o l l i n g s y s t e m f i r s t l y , t h i st h e s i sp r e s e n t e dao v e r v i e wo ft h es t a t eo fa r ti nc o n c r e t em i x e rp l a n t c o n t r o l l i n gs y s t e ma n dt h ep r o b l e mr e q u i r e dt ob er e s o l v e d ，a n di n t r o d u c e dt h e r e c e n t d e v e l o p m e n t i n f ie ld - b u s t e c h n o l o g y a n dt h e s p e c i f i c a t i o n s o f c a n b u s ，p r o p o s e san o v e ls o l u t i o nt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fc o n t r o l l i n g s y s t e m a n dt h e n ，t h ep r i n c i p l e so fc o n c r e t em i x e rp l a n tc o n t r o l l i n gs y s t e m ， p r i m a r yp a r t sa n di t sf u n c t i o na r ea l s oi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r s e c o n d l y , e a c h m o d u l e sf u n c t i o n sa n dt h e m e a n i n g s f o r o b t a i n i n g t h e s e f u n c t i o n s ，t h e a p p l i c a t i o n s o ft h er e l a t e d c h i p s i nt h e c o n t r o l l i n gs y s t e m d e v e l o p e di nt h i sp a p e r ，e s p e c i a l l yf o rc r i t i c a ls e n s o r s ，a m p l i f i e r ，a n a l o gd i g i t a l c o n v e r t e ra n d c p u ，w e r e i l l u s t r a t e di nd e t a i l s a n d i n s y s t e m - p r o g r a m t e c h n o l o g ya p p l i e di nt h i sc o n t r o l l i n gs y s t e mw a si n t r o d u c e da n di t sm e r i t sw e r e a l s od e m o n s t r a t e d t h e nd e t a i l e dr e p r e s e n t a t i o n sf o rc a n b u sp r i n c i p l e ，c a n c o n t r o l l e r ，c a n h i g h s p e e dt r a n s c e i v e r ，a n dd e s i g np r o j e c t f o rc a n b u s i n t e r f a c ew e r eg i v e n f i n a l l y ，t h e c u eo ft h ed e s i g nf o rs w it c h i n gv a l u e i n p u ta n do u t p u t in t e r f a c ee r c u i t sw a sg i y e n ，a n dt h e nac i r c u i ti na c c o r d a n c ew i t ht h e t h o u g h to ft h ed e s i g np r o d u c e d t h e nt h ec a p a b l ea n t i d i s t u r b a n c em e a s u r e s a d o p t e di nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei nt h i ss y s t e mw a sd i s c u s s e d t h ep r a c t i c e s h o w st h a tt h i sh a r d w a r es y s t e md e s i g n e di nt h i st h e s i sc a nn o to n l ym e e tt h e c o n t r o l l i n gs y s t e m f u n c t i o n so fc o n c r e t em i x e r p l a n t ，b u t a l s oe n h a n c et h e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 ii 页 w e i g h i n gp r e c i s i o no ft h e c o n c r e t em i x e rp l a n tb y10t i m e s ，s i m u l t a n e o u s l y s p e e d i n gu pi t sd a t at r a n s m i s s i o ng r e a t l yw h i c hw i l lb r i n gu pah i g he f f i c i e n c y t h a n k st ot h e s ei m p r o v e m e n t s ，t h eo v e r a l lp e r f o r m a n c eo ft h ec o n c r e t em i x e r p l a n ti n c r e a s e de f f e c t i v e l y k e yw o r d s ： c o n c r e t em i x e r p l a n t ，m i c r o p r o c e s s o r ，d o u b l e - p o r tr a m c a n b u s ，a n t i - d i s t u r b a n c e 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第一章绪论 本章简单介绍了混凝土搅拌站技术及其在国内外发展的现状、混凝土搅 拌站控制系统中用到的c a n 总线技术，以及本课题研究的意义和目的，最后 给出了论文主要内容和作者所做的工作。 1 1 混凝土搅拌站技术川 根据中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局2 0 0 3 年1 2 月1r 发布 的中华人民共和国国家标准知：“预拌混凝土就是将水泥、集料、水以及根据 需要掺入的外加剂、矿物掺合料等组合按一定比例，在搅拌站经计量、搅制 后出售的并采用运输车，在规定的时间内运至使用地点的混凝土拌合物”。 自从1 9 0 3 年德国建造世界上第一座预拌混凝搅拌站以来，商品混凝土作为 独立的产业已有9 0 多年的历史。目前，在发达的国家，商品混凝土占全部混 凝土产量的比重已达8 5 ，我国上海、天津等大城市也已达到6 0 ，但就全 国而言还不足1 5 。随着中国经济和城市现代化建设的快速发展，以往那种 由工地自行生产混凝土的方式由于其质量难以保证、噪声及粉尘污染大、自 动化程度及生产效率低，因而必将为自动控制的混凝土搅拌站所取代。自动 控制的混凝土搅拌站具有产品质量优良稳定、生产成本低、生产效率高、环 保性能优蘸等优点，正在成为商用混凝土生产的主流。 混凝土搅拌站是一种在建筑、道路、桥梁、大坝等施工中行业中必备的 施工机械，是比较复杂的机电一体化设备，由搅拌主机、骨料系统、粉料系统、 供水系统、外加剂系统、气动系统和控制系统等组成。骨料系统、粉料系统、 供水系统、# b ；i i 剂系统主要的作用是在控制系统的作用下来称量、输送混凝 土生产所需要的各种原材料，搅拌主机的作用是搅拌已按一定比例混合的各 种原材料，气动系统是控制系统的部分执行单元，例如开关投料门、卸料门 等。整个生产过程即称量、输送、投料、搅拌和卸料都是在控制系统控制下 自动完成。显然，它是个受多环节制约的复杂系统。混凝土搅拌站的搅拌性 能、物料动态配比、物料动态称量精度、供水量等直接影响混凝土质量。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 各种原材料的计量均应该按重量计，水和液体外加剂的计量可按体积 计。原材料的计量允许偏差不超过表卜1 要求 表1 - 1 ：混凝土原材料允许偏差 n 0原材料品种水泥c 曩)集料f )水( )外加剂( ) 掺台料( ) l每蠡计量兜 23 222 许偏差 2 墨汁计量允l2 i1l 许偏差 表中的累计计量允许偏差：是指每一运输车中各盘混凝土的每种材料计 量和的偏差。 1 2 混凝土搅拌站的发展现状t 4 早期的混凝土搅拌站按骨料在混凝土生产流程中需要提升的次数分为混 凝土搅拌楼和混凝土搅拌站。骨料经一次提升而完成全部生产流程的为单阶 式，称之为搅拌楼；骨料经二次提升而完成全部生产流程为双阶式，称之为 搅拌站。 从早期的混凝土搅拌站( 楼) 的结构型式基本可分为：悬臂拉铲式、装载 机上料式和塔式结构三种。 悬臂拉铲式是在大中型混凝土搅拌站中应用最多的一种型式。多种规格 的骨料用隔仓板隔开，拉铲可作1 2 0 1 8 0 0 回转，拉铲臂长一般为1 2 1 6 米， 生产率在5 0 8 0 m 3 h 之间。操作时，骨料不断堆积，骨料靠自重落入称量斗 内，完成计量配料。另外，有的国外公司还生产一种多斗悬臂拉铲上料机，骨料 可围计量斗散状堆积，而无需隔仓。提升机可绕其中心回转1 8 0 0 ，不断刮送骨 料，根据需要可配置一个或多个多斗悬臂上料机。该混凝土搅拌站的特点是采 用拉铲集料和星形集中料场，使用成本低，占用场地少。缺点是拉铲操作强度 大，场地布置不灵活，安装基础工作量大。 为了克服上述问题，采用装载机上料的混凝土搅拌站近几年发展较快。装 载机将骨料装入储料仓内，储料仓的容积一般应能满足主机5 7 个工作循 环。此方案储料仓容积小，可做成拆装式而便于转移工地。在公路施工和一些 流动作业以及占地受到限制的场合，也多采用装载机上料的方式。 塔式结构的混凝土搅拌楼可分为三部分，由下向上第一层是搅拌主机，第 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 二层是计量系统、第三层是分料装置。在塔式结构的混凝土搅拌楼中，可以装 一台或多台搅拌主机，随着主机性能、可靠性的提高以及大容量搅拌主机的 出现，目前的混凝土搅拌楼采用单台主机的逐渐增多。该混凝土搅拌楼的特点 是：在搅拌主机上方的储料仓内预先储备3 4 种规格且数量较多的用料，使 生产周期缩短，同时可靠性提商，维修空间大。缺点是设备的制造成本高，占用 场地面积大。 目前国内外市场对混凝土搅拌站( 楼) 提出的要求是技术性能高、可靠 性强、维修方便、设备造价低。根据这一要求，山东建设机械股份有限公司推 出了一种介于搅拌站与搅拌楼之间的产品( 如图卜1 ) 。该产品采用地仓配料 或地上仓储料，骨料计量后由皮带输送机送至搅拌机上方的储料斗，这种布置 方式改变了常见的混凝土搅拌站计量后到提升斗再提升的过程。在搅拌机的 搅拌过程中，储料斗内始终储有一罐计量好的骨料，同时后面的计量工作在照 常进行，从而大大缩短了整套设备的工作周期。与混凝土搅拌楼相比，由于改 变了搅拌楼上部筒仓储料方式，从而降低了搅拌楼的高度，降低了制造成本。 同时，大倾角皮带输送机的采用，大大减少了占地面积。 另一种新型混凝士搅拌站为了适应公路建设等工程的需要，满足结构紧 凑、转移和装拆方便等方面的要求，搅拌机出料后采用皮带机向上输送至搅拌 输送车或其它运输工具，因此使混凝土搅拌站整体高度下降，结构紧凑，可以 拖运转移，但目前其生产率一般还较小。 现代科技在混凝土搅拌站( 楼) 的应用，使混凝土搅拌站( 楼) 的称量、 控制、自动监控系统得到了迅速的发展和不断的完善。目前国内外的混凝土 搅拌站( 楼) 均采用微机系统进行控制和管理，有单片机控制、可编程控制器 外加工控机控制、单片机外加工控机控制等型式。单片机和工控机之间的通 讯国外多采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 、u s b 通讯；而国内多采用r s 2 3 2 、r s 4 8 5 通讯。 一般均具有多种配方存储、落羞自动补偿、砂石含水率自动修正等功能，使称 量、配料、搅拌、卸料等整个过程实现全自动控制。此外，高档次混凝土搅拌 站( 楼) 的控制系统还具有过程图形显示、生产、财务管理等功能。 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 1 、骨料计量系统2 、普通或大倾角皮带机3 、储料斗 4 、搅拌主机5 、水泥仓 图卜l 介于搅拌站与搅拌楼之间的新形式 我国混凝土搅拌站( 楼) 的研制是从5 0 年代开始的，在其发展过程中， 型式的选取和主要技术参数基本上是根据用户要求和参考国外产品的自由状 态。国标g b l 0 1 7 1 8 8 混凝土搅拌站( 楼) 分类和g b l o l 7 2 8 8 混凝土搅 拌站( 楼) 技术条件的颁布实施，将混凝土搅拌站( 楼) 的研制和生产纳入 了标准管理的轨道，为其发展奠定了基础。产品技术标准和预拌混凝土标准的 要求中，对于混凝土搅拌站( 楼) 的技术指标已达到发达国家水平。当今国内 生产的混凝土搅拌站质量迅速提高，逐步取代了进口搅拌站，在国内已经占 主导地位，其控制系统也得到快速发展。国内大型混凝土搅拌站生产厂商包 括：三一重工、珠海志美、上海华建、南方路机等。混凝土搅拌站控制系统 的核心是配料控制，各种物料的计量均采用单独的称重仪表。一般样式为： 称重传感器把重量信号转换为电压信号并送到称重仪表( 称重终端) ，经过称 重仪表处理后通过串行口发送到上位p c 机，上位p c 机根据重量信号，综合 操作员的指令以及各设备的状态信号作出逻辑判断，通过串行口向可编程控 制器( p l c ) 发出指令或者直接通过工控板卡驱动执行机构，以达到准确计量。 目前的混凝土搅拌站控制系统急需改进的地方包括两个方面： 首先，各种物料的计量均采用单独的称重仪表，如果称重仪表采用性能 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 优良的信号调理电路、高精度的模数转换器件( a d ) 以及优质的微控制器， 必将造成成本较高以及资源的浪费；如果称重仪表采用普通的信号调理电路、 普通精度的a d ，必将造成称量精度的降低，特别是混凝土外加剂的称量， 结果必将影响混凝土的质量。 其次，目前混凝土搅拌站中使用的称重仪表普遍采用通过r s 2 3 2 、r s 4 8 5 或u s b 与上位p c 通讯。使用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 通讯在要求数据精度不高、传输 速度不快、传输距离较短的低端产品中固然有很多的优点，但是在对传输速 度、传输距离等要求较高的混凝土搅拌站中使用，其缺点非常明显。r s 2 3 2 在速度、传输距离的限制，必将造成生产效率的降低。r s 4 8 5 虽然在传输速 度和距离方面比r s 2 3 2 有明显的改善，但是基于r s 4 8 5 总线所组成的网络仅 允许接入一个主站，即是主从工作方式。总线的控制权始终在于主站，主站 与子站的通讯采用轮叫轮循，这种方式下的纯数据采集系统通讯协议十分简 单，通讯差错丌销少，但它同时也带来了数据传输可靠性的考虑，在通讯环 境有较强的电磁干扰情况下存在较高的误码率。总线上出现的任何故障将引 起整个系统的瘫痪，并且r s 4 8 5 总线是物理层协议，并不包含对于差错控制 的考虑，如采用软件数据纠错技术，则会大大降低通讯效率。因此，采用这 种总线的通讯系统仅适合于集散式控制测量的场合。 u s b 通讯具有价格低廉、传输速度快、容易连结仪器与电脑的优点，此 外，u s b 提供更方便的串口功能如：热插拔、内置操作系统微调功能等，来 改善传统串口的技术。但是在仪器仪表控制方面的缺点同样非常突出，首先， u s b 排线没有工业标准规格，在嘈杂的环境下，可能造成资料的遗失；另外， u s b 排线没有闭锁机制，即排线可能很容易的从电脑或仪器中拔除。排线长 度( 包括使用线上中继器) 最大不过3 0 米；最后在仪器控制方面u s b 没 有工业传输标准的规定，需由仪器制造商自行设计。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第6 页 1 3 现场总线技术与c a n 总线特点 1 3 1 现场总线技术 现场总线技术是在8 0 年代后期发展起来的一种先进的现场工业控制技 术。它综合了数字通信技术、计算机技术、自动控制技术、网络技术和智能 仪表等多种技术手段从根本上突破了传统的“点对点”式的模拟信号或数 字模拟信号控制的局限性，构成一种全分散全数字化、智能、双向、互连、 多变量、多接点的通信与控制系统。现场总线是连接智能现场设备和自动化 系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络，其基础是智能仪表。分 散在各个工业现场的智能仪表通过数字现场总线连为一体，并与控制室中的 控制器和监视器一起共同构成现场总线控制系统( f i e l d b u sc o n t r 0 1s y s t e m ， f c s ) 。现场总线具有以下突出特点j ： 开放性：现场总线控制系统f c s 采用公开化的通信协议，遵守同一通 信标准的，不同厂商的设备之涮可以互连及实现信息交换，用户可以灵活选 用不同厂商的现场总线产品来组成实际的控制系统，达到最佳的系统集成。 互操作性：互操作性是指不同厂商的控制设备不仅可以互相通信，而 且可以统一组态，实现同一的控制策略和“即插即用”，不同厂商的性能相同 的设备可以互换。 灵活的网络拓扑结构：现场总线控制系统可以根据复杂的现场情况 组成不同的网络拓扑结构，如树型、星型、总线型和层次化网络结构等。 系统结构的高度分散性：现场设备本身属于智能化设备，具有独立 自动控制的基本功能，从而从根本上改变了d c s 的集中与分散相结合的体系 结构，形成了一种全新的分布式控制系统，实现了控制功能的彻底分散，提 高了控制系统的可靠性，简化了控制系统的结构。现场总线与上一级网络断 丌后仍可维持底层设备的独立正常运行，其智能程度大大加强。 现场设备的高度智能化：传统的d c s 使用相对集中的控制站，其控 制站由c p u 单元和输入输出单元等组成。现场总线控制系统则将d c s 的控 制站功能彻底分散到现场控制设备，仅靠现场总线设备就可以实现自动控制 的基本功能，如数据采集与补偿p i d 运算和控制、设备自校验和自诊断等功 能。系统的操作员可以在控制室实现远程监控、设定或调整现场设备的运行 参数，还能借助现场设备的自诊断功能对故障进行定位和诊断。 对环境的高度适应性：现场总线是专为工业现场设计的，它可以使用 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 双绞线同轴电缆、光缆、电力线和无线的方式来传送数据，具有很强的抗干 扰能力。常用的数据传输线是廉价的双绞线，并允许现场设备利用数据通信 线进行供电，还能满足本质安全防爆要求。 现场总线发展迅速，现处于群雄并起、百家争鸣的阶段。目前已开发出 有4 0 多种现场总线，如i n t e r b u s 、b i t b u s 、d e v ic e n e t 、m o d b u s 、a r c n e t 、 p - n e t 、f i p 、i s p 等，其中最具影响力的有6 种，分别是f f 、p r o f i t b u s 、 d e v i c e n e t 、h a r t 、c a n 和l o n w o r k s 。 我们在表卜2 中统计了上述几种总线的特点。由于d e v i c e n e t 是在c a n 协议基础上发展起来的，所以在此表中没有列出。在没有明确测试对象与环 境以前，不能笼统地说某种总线比其他总线具有优势。因此，只有在明确测 试对象与上不境以后，才能依照表卜2 作出选择。本文讨论的混凝土搅拌站控 制系统主要用于工业场合，而且并不要求很远的传输距离通常不超过l o o 米；同时由于应用场合环境相对恶劣，并且要求实时性好和外挂节点能力强。 综合比较表卜2 可以发现，对于本文所要讨论的控制系统，c a n 总线具有以 下几个优势： 在兼顾传输距离的情况下，传输速率得到了保障： c a n 总线上可以挂接1 1 0 个节点； c a n 总线传输信号为数字信号，因此其抗干扰能力强： 与其他总线相比，c a n 总线的实时性好，开放性好，普及程度高； 对传输介质要求不高，适合于工业应用。 通过上述分析，我们认为：与其他总线相比，c a n 总线更适合应用到本 控制系统中，因此本控制系统选择c a n 总线。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8 页 表卜2 几种总线的特点统计表 名称c a n l o n w o r kp r o f i b u sf fh a r t 传输速5 k b p s 7 8 k b p s 9 3 7 5 k b p s 3 i 2 5 k b p s 1 2 k b p 度距 l o k m2 2 k m1 2 k m 1 9 k m s i m b p s 7 5 0 m 离 l m b p s 1 2 5 m b p s 1 5 m b p s 2 5 m b p s 5 0 0 m 1 5 k m 4 0 m1 2 5 m2 0 0 m 最大节 1 1 01 2 73 23 21 5 点数 信号数字数字数字数字模拟+ 类型数字 拓扑结线型线型线型线型、树型、 构环型 实时性好好好好羞 丌放性好好较好好 普及程目一般一般一般高 度 传输介双绞线、双绞线、同轴专用电缆双绞线、同轴二线制 质光纤电缆、光纤电缆、光纤电缆 应用领工业场楼宇自动化、底层测试、工工业仪表工厂测 域合、底层家庭自动化、厂管理、控 测试i n t e r n e t 系i n t e r n e t 系 统集成统集成 1 3 2 c a n 总线特点 c a n b u s 最初由德国b o s c h 公司1 9 9 3 年推出，作为汽车环境中的微控制器 通讯，在车载各电子控制装置e c u 之间交换信息，形成汽车电子控制网络。比 西南交通大学硕士研究生学位论文 第9 页 如：发动机管理系统、变速箱控制器、仪表装备、电子主干系统中，均嵌入 c a n 控制装置。c a n b u s 是一种多主方式的串行通讯总线，基本设计规范要求 有高的位速率，高抗电磁干扰性，而且能够检测出产生的任何错误。当信号 传输距离达到1 0 k r a 时，c a n b u s 仍可提供高达5 k b p s 的数据传输速率。由于c a n 串行通讯总线具有这些特性，它很自然地在汽车、制造业以及航空工业中受 到广泛应用。 作为种技术先进、可靠性商、功能完善、成本合理的远程网络通讯控 制方式，c a n b u s 已被广泛应用到各个自动化控制系统中。从高速的网络到 低价位的多路接线都可以使用c a n b u s 。例如，在汽车电子、自动控制、智能 大厦、电力系统、安防监控等各领域，c a n b u s 都具有不可比拟的优越性。 主要特点如下”j ： c a n 为多主方式工作，网络上任一节点均可以在任意时刻主动的向网 络上其他节点发送信息，而不分主从，通讯方式灵活，且无须站地址等节点 信息； c a n 网络上的节点信息分成不同的优先级，可满足不同的实时要求， 高优先级的数据最多可在13 4 微秒内得到传输： c a n 采用非破坏性总线仲裁技术，当多个节点同时向总线发送信息时， 优先级较低的节点会主动地退出发送，而高优先级的节点不受影响地继续传 输数据，从而大大节省了总线冲突仲裁时间。尤其是在网络负载很重的情况 下也不会出现网络瘫痪现象； c a n 只需要通过报丈滤波即可实现点对点、一点对多点及全局广播等 几种方式传送接收数据，无须专门的“调度”； c a n 的直接通讯距离最远可达到1 0 k m ( 速度5 k b p s ) ，通讯速度最高 可达1 m b p s ( 此时最长距离为4 0 m ) ； c a n 上的节点数主要取决于总线驱动电路，目前可达1 1 0 个，报文标 识符可达2 0 3 2 种( c a n 2 o a ) ，而扩展标准( c a n 2 o b ) 的报文标识符几乎不 受限制； 采用短帧结构，传输时间短，受干扰概率低，具有极好的检错效果； c a n 的每帧信息都有c r c 校验及其他检错措施，保证了数据出错率极 低； c a n 的通讯介质为双绞线、同轴电缆或光纤，选择灵活； c a n 节点在错误严重的情况下具有自动关闭输出功能，以使总线上其 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10 页 他节点的操作不受影响。 低成本的现场总线，极高的总线利用率： 可根据报文的i d 决定接收或屏蔽该报文 发送的信息遭到破坏后，可自动重发。 1 4 课题研究的目的和意义 针对目前混凝土搅拌站控制系统存在的问题，结合现代电子技术和自动 控制技术方面的最新成果。在模数转换器方面我们选用了t i 公司推出的微功 耗、高精度、8 通道2 4 位一型模数转换器a d s l 2 5 6 ，其内部集成了多路) 1 ： 哭、输入缓冲器、可编程放大器、可编程数字滤波器，同时还具有传感器检 测功能，完美组合了一流的无噪声精度、数据速率以及多种功能。a d s l 2 5 6 可以完成以前4 个甚至8 个普通a d c 才能完成的任务，而且具有极高的精度 和稳定性，同时降低了成本。在微控制器方面，选用a t m e l 公司推出的具有 c a n 控制器的增强性8 位单片机t 8 9 c 5 1 c c 0 1 ，通过t 8 9 c 5 1 c c 0 l 搭建c a n 总线， 使配料仪表和上位机通过c a n 总线通讯。围绕a d s l 2 5 6 和t 8 9 c 5 l c c 0 1 设计的 称重仪表可以完成8 个普通称重仪表的工作，在提高系统抗干扰能力的同时 使传输速度最大可达1 m b p s 。 高速、高精度a d 转换器是未来模数转换技术的发展重点，智能化、网 络化、虚拟化是仪器仪表的发展方向，现场总线控制系统f c s 是自动化工业 控制技术发展的趋势。基于一模数转换技术的2 4 位a d 芯片代表了目 前数据采集的最高精度，而c a n 总线以其卓越的性能、极高的可靠性和稳定 性、公开的协议和国内外众多设备和芯片制造厂商的支持越来越受到工业界 的重视，是公认的最有前途的现场总线之一。本课题研究的意义在于： 创造性的将c a n 总线技术与2 4 位高精度数据采集技术结合起来， 保证测量精度的同时提高了数据传输的速度； 根据需要灵活地设置系统子站数目、适应各种不同数目的混凝土搅拌 站使用； 提高系统的可靠性和抗干扰能力，保证通信数据的可靠性，为生产、 施工提供可保证的测试结果； 减小了配料仪表体积和重量、降低了功耗、节约了成本； 采用c a n 总线的系统具备标准的接口，针对不同应用方便引入满足 西南交通大学硕士研究生学位论文 第1 1 页 c a n 总线接口的搅拌站使用，具有极大的扩展性能； 用2 4 位一模数转换器省去易于引起零点漂移、增益误差的多级 放大器，简化低通滤波器设计( 往往使用两个一阶r c 电路即可) ； 2 4 位一模数转换器a d s l 2 5 6 具有传感器检测功能，可以通过对 控制系统的再编程，在控制室内检测传感器的好坏。 模拟通路的简化，提高了系统的温度稳定性和直流精度； 减小了电路板数量和电路板尺寸，可以设计出体积更小的混凝土搅拌 站控制系统，降低了成本： 数字电路部分采用在系统可编程的单片机和c p l d 设计，配合a t m e l 公司的f l i p 编程软件，在不改动硬件电路的情况下可方便对系统软件或控制 逻辑进行修改和升级； 由于采用c a n 总线，配料仪表可以靠近传感器，尽量减小了干扰对 测量的影响； 可根据需要接入多台监控计算机、智能显示终端和中心控制计算机 ( 基于r s 4 8 5 总线的系统只能接入一台主控机) 组成备份系统。 1 5 论文主要内容及作者所做的工作 本文研究的内容为混凝土搅拌站控制系统的硬件设计部分研究对象为 四j i i 现代集团最新的混凝土搅拌站控制系统的硬件平台。主要涉及到数据采 集、单片机、c p l d 和c a n 总线方面等技术的应用，以及通过采用合理的电源 方案和接地方案、合理的p c b 布局和伟线提高系统的电磁兼容性和稳定性。 本文重点研究的是通过高性能的模数转换器件a d s l 2 5 6 采集相关传感器信号 ( 最多可达8 路) ，为了提高系统的处理速度，由双c p u 分别执行采集信号和 处理信号，然后通过c a n 总线和工控机通讯。 第二章主要介绍了混凝土搅拌站控制系统的整体方案设计。首先分析了 混凝土搅拌站控制系统的原理。然后具体分析了混凝土搅拌站控制系统的主 要组件及其功能，主要组件包括：c a n 总线通讯卡、p c l 7 2 4 7 2 8 卡、开关量 输入输出接口电路、手动操作台、称量系统和电源。 第三章主要介绍了混凝土搅拌站称量系统硬件设计。详细分析了称重传 感器和放大器的选择，模数转换器( a d ) a d s l 2 5 6 的优点及其应用，双c p u 加双口r a m 方案的确定，c p l d 在扩展i o 中的应用，以及在系统编程的应用。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12 页 第四章主要介绍了c a n 总线设计。首先详细介绍了c a n 总线的原理，然 后分析了c p u 自带的c a n 控制器的应用和c a n 总线收发器p c a 8 2 c 2 5 0 的原理 与应用最后给出了c a n 总线节点的硬件设计。 第五章主要分析了开关量输入输出接口电路的设计。 第六章主要分析了系统的抗干扰设计。包括数据采集部分电路的抗干扰 设计、电源部分的抗干扰设计、主机系统的抗干扰设计和接地方案以及p c b 布线设计。最后为系统采用的部分软件抗干扰设计。 论文的最后，对全文进行了总结，并展望了混凝土搅拌站控制系统下一 步的研究方向。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 第二章混凝土搅拌站控制系统整体方案设计 2 1混凝土搅拌站控制系统概述 混凝土搅拌站是比较复杂的机电一体化设备，由搅拌主机、骨料系统、 粉料系统、供水系统、外加剂系统、气动系统和控制系统等组成。整个生产 过程即称量、输送、投料、搅拌和卸料都是在控制系统控制下自动完成。本 控制系统采用了目前国际上最流行的系统结构：配料仪表+ 工业p c 。控制系 统主要包括工业p c ( 含控制软件) 、c a n 总线通讯卡、p c l 7 4 8 7 2 4 卡、开关 量输入输出接口电路、称量系统、开关电源、电气系统、执行元件及手动操 作台等组件。除自动控制外，还辅以独立的手动控制。原理框图如图2 一l 所 不。 2 2 混凝土搅拌站控制系统原理 混凝土搅拌站控制软件通过工业p c 内的c a n 通讯卡向配料仪表发送配方 数据，配料仪收到配方数据后自动完成配料，在配料过程中实时检测相关传 感器信号并发送实际秤值、实际配料值和配料状态给工业p c ( 显示在工业p c 显示屏上) 。骨料、粉料、水和外加剂等都完成配料后，计算枫通过计算机内 的p c l 7 4 8 7 2 4 卡发送投料指令同时搅拌时间开始计时。搅拌计时到设定搅拌 时间后，自动卸料，同时将当盘的配料数据存储到计算机硬盘里供统计查询。 在整个过程中，各限位丌关的状态通过计算机内的p c l 7 4 8 7 2 4 卡实时传送给 工业p c ，并显示在工业p c 屏幕上让操作员掌握各料门状态。 2 3 混凝土搅拌站控制系统主要组件及功能 2 3 1c a n 总线通讯卡 安装在工业p c 内，通过c a n 总线连接工业p c 与配料仪，连接线是二芯 双绞屏蔽线。c a n 总线通讯卡与配料仪的连接方式如图2 2 所示。 西南交通大学硕士研究生学位论文第14 页 c a n 总线 滞 l 配科仪表 l i _ - l 。l 专专， 碍曩i 辅八i 口j 隧墓霾翮 濒臻殡 覃蒜 放大嚣 广_ i 中闻篷电器 l1f 一 土 电悯交淹接l 爵 石 - t 怪 j r1 r 一 i 是i & 悬j 钮 热魅窀罄 鼹 爱 g i 嚣 使暂 _ 。 k 上i 开停 料门电帆 刘。 慷理围以4 个拜为铡 图2 - 1 混凝土搅拌站控制系统框图 工业p c i c n 总线遁讯卡f 沁h j j 1 2 0 欧 1 2 0 欧【 1b 惦乙 陈麽庀庀 图2 2c a n 总线通讯卡与配料仪连接示意图 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 c a n 通讯是一种全数字的通讯，信号在通讯电缆传送过程中存在反射， 所以，在信号线两端应该有两个1 2 0q 的匹配电阻，两个匹配电阻都通过跳线 进行选择其中之一是通过c a n 通讯卡上的跳线进行设置，另一个通过最远 端的那个配料仪表上的跳线进行设置。值得注意的是：正常通讯情况下，b u s h 和b us ；- l 之间的电阻约6 0 欧。 2 3 2p c l 7 4 8 7 2 4 卡 安装在工业p c 内，搅拌站控制软件通过它接收开关量输入电路的输入信 号( 包括限位开关状态和暂停信号) ，输出控制信号到开出量输出接口电路。 2 3 3 开关量输入输出接口电路 开关量输入接口电路的作用是将“限位开关”和“暂停”信号转换为计 算机可以接收的t t l 电平信号。开关量输出接口电路的作用是将p c l 7 4 8 7 2 4 卡和配料控制仪的t t l 电平信号转换成驱动中间继电器的2 4 v 信号。 2 3 4 手动操作台 手动按钮的输出信号是2 2 0 v 直接与中间继电器的输出并联。为调试、 日常维护及处理异常情况提供方便，同时，通过手动操作面板可以完成混凝 土配料、投料、搅拌及卸料的全过程。 2 3 5 称量系统 称量系统由秤体、称重传感器、放大器、信号调理电路和配料仪组成。 混凝土控制系统中工业p c 起整体调度的作用，配料仪是核心部件，直接关系 到生产能否进行。配料仪始终真实反映秤的真实重量，即使工业p c 不正常， 仍可以手动完成。配料控制仪通过c a n 总线接收到工业p c 发来的配方后，通 过c p ul h 动输出相应物料的开门控制信号，同时检测相应的传感器信号，比 较实际值与配料值，一旦检测到物料称够即关断控制信号，完成配料。整个 过程中，配料控制仪也将配料情况、实际秤值和实际配料值传给工业p c ，供 工业p c 处理。值得注意的是：所有配料参数如校秤系数、最小分度值、落差、 皮重报警、超差报警、配料稳定时间、最小称重量等存储在配料仪中 2 3 6 电源管理方案 采用输入2 2 0 v 交流，输出+ 5 和+ 2 4 v 的开关电源。根据需要，+ 5 v 为配 料仪表电源。+ 2 4 v 为开关量输入接口电路电源、限位开关电源、中间继电器 的线圈电压。因为配料仪表为数模混合系统，为了保证模数转换器件a d s l 2 5 6 的高精度，本配料仪表中增加一个输入为+ 5 v ，输出也为+ 5 v 的d c d c ，使 其把数字电源和模拟电源分丌，这样有利于提高模数转换器件的转换精度和 系统的电磁兼容性。 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16 页 第三章称量系统硬件设计 由于称重传感器的输出信号为毫伏级，特别容易受到外界的干扰，为了 模数转换器能够正确的识别，一般通过放大器放大到几伏。模数转换器是将 模拟信号转换为数字信号的关键器件，因为c p u 能够处理的是数字信号。如 果用一个c p u 同时执行采集数据和处理数据，必将影响其速度。这里我们通 过采用两个c p u 和一个双口r a m c p u l 主要负责采集数据，经过简单处理存 储在双口r a m 中，另一个c p u 则从双口r a m 中取数据处理，然后输出相关控 制信号。这样就可以做到采集数据和处理数据互不影响，提高了系统的速度。 扩展的r a m 主要是用来存储已经生产混凝土的相关信息。本系统预留了1 2 路开关量输入和3 2 路丌关量输出通道，c p u 的i o 口远远不够使用，特用c p l d 来扩展i o 口。由于混凝土搅拌站的实时性较强，要求处理的数据较多，同 时传输距离至少有几十米。用r s 2 3 2 或r s 4 8 5 很难获得满意的效果，c a n 总 线则完全能够满足需要，因此我们选择了c a n 总线。称重系统硬件设计框图 如图3 一l 所示 图3 一i 称重系统硬件框图 3 1 称重传感器模块 3 1 1 传感器基础 在进行非电量测量时，首先遇到的是将各种非电量变换成电量，所以传感 器是实现自动检测和自动控制的首要环节。如果没有传感器对原始信号进行 可靠测量，无论是信号转换或是信号处理等都是不可能实现的。根据国家标 准g b 7 6 6 5 8 7 ，传感器( t r a n s d u c e r s e n s o r ) 定义为：能感受规定的被测量， 并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。通常传感器由敏感 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 7 页 元件和转换元件组成。其中敏感元件( s e n s i n ge l e m e n t ) 指传感器中能直接 感受被测量的部分，转换元件( t r a n s d u c t i o ne l e m e n t ) 指传感器中能将敏 感元件输出量转换为适合于传输和测量的电信号部分。需要指出的是，有些 国家和有些科学领域，将传感器称为变换器、探测器或检测器等。还应说明 的是，并不是所有的传感器都能明显分清敏感元件和转换元件两个部分，而 往往是两者合二为一。可以说，j 屯能把外界的各种信息和能量变成其他信息 和能量的器件均可以作为传感器来定义。 传感器之所以具有能量信息转换的机能，在于它的工作机理是基于各种 物理的、化学的和生物的效应，并受相应的定律和法规所支配。作为传感器 工作物理基础的基本定理主要有以下四种类型。 守恒定律：包括能量、动量、电荷量等守恒定律，这些定德是研究、 开发、分析和综合现有传感器必须严格遵守的基本法则。 场的定律：包括动力场的运动规律、电磁场的感应定律等，其作用 与物体在空问的位置和状态有关，场的定律可由物理方程给出，作为许 多传感器工作的数学模型。 物质定律：它是表示各种物质本身内在性质的定律( 如虎克定律 等) ，通常以这种物质所固有的物理常数加以描述，因此，这些常数的大 小决定着传感器的主要性能。 统计法则：它是把微观系统与宏观系统联系起来的物理法则，这些 法则常常与传感器的工作状态有关，它是分析某些传感器的理论基础。 3 1 2 传感器的组成和分类r 6 j 随着电子技术的快速