中国轻工业联合会2009年科技优秀奖

项目：基于无线通信的移动配料控制系统

获奖单位：无锡协力自动化设备有限公司

一、项目简介

项目所属科学技术领域、技术内容、技术经济指标、应用推广及效益情况等：

1、涉及技术领域

本项目所属科学技术领域为自动化工程、嵌入式计算机软硬件开发、计算机控制软件。

2、项目背景

耐火材料的生产关键是配料和混料，各种物料的配比精度对耐火材料的质量有着极大的影响，耐火材料所配物料种类一般较多，使用传统的由几个加料装置和一个固定的料斗秤形式的配料系统难于满足生产的需要,研制出移动配料形式的自动化配料系统是耐火材料行业迫切的需要，早在1997年开始开展镁碳砖自动化配料的研究,并取得初步的成功,经过近11年的艰苦努力，我们成功研制了多套用于耐火材料和摩擦材料的配料系统，经不断改进，现行方案是基于无线通信的计算机分布式自动配料控制系统，采用移动式称量小车，可配物料种类已达36种，并解决了配料过程中产生粉尘的问题，攻克了配料系统加料堵料、结拱等难题，控制精度和可靠性满足要求，为耐火材料和摩擦材料自动化配料找到了理想的解决方案。

3、项目内容

本课题主要针对耐火材料和摩擦材料的配料环节，研究开发了一种基于无线通信的移动式自动配料系统。

该系统主要由1台工控计算机、2辆配备了各3台称重控制器的称量配料小车以及加料装置组成。称重控制器和工控计算机通过ZigBee无线通信模块传送数据，配料车往返地在36个料仓下自动移动，进行接料和计量，完成自动配料。

系统的性能指标为：

（1）配料车

ô 大料斗秤：净量程500 kg、称料精度±0.5kg、实测值±0.4kg

ô 量程100 kg计量秤：称料精度±0.1kg、实测值±0.07kg

ô 量程20 kg计量秤：称料精度±0.02 kg、实测值±0.02kg

配料车行驶速度：5～40m/min，实测值8～30m/min

配料车排料速度：50kg/s，实测值35kg/s

（2）系统效率指标：

配方中需自动配料的物料总数为15种时，总时间≤18分钟，实测值17分钟。

4、应用推广情况

研制“基于无线通信的移动配料控制系统”并推广应用，可以使国内耐火材料和摩擦材料行业的配料自动化水平得到大幅度提高，使用该系统可明显降低工人劳动强度、提高配料质量、提高产品竞争力。

三、主要技术创新点

国外很多厂家研制出适合于焦化、冶金、水泥、化肥、塑料、化工等行业的自动配料系统。而由于耐火材料和摩擦材料行业有很多区别于其他行业的特点，在其配方中一般包含10种以上材料，且材料的特性差别很大，特别是摩擦材料有的黏附、有的飞扬，有纤维状的、有颗粒状的，无论是国内还是国外，适用于耐火材料的配料控制系统还不多见，而摩擦材料的配料控制系统几乎没有。我们研制了适用于耐火材料和摩擦材料的基于无线通信的移动式自动配料系统，同时首创了国内真正意义上的摩擦材料全自动配料控制系统。为耐火材料和摩擦材料的自动化配料找到了较理想的解决方案。

本项目于2008年12月通过教育部鉴定，鉴定委员会的专家一致认为该项目的成果已经达到了国内领先的水平。项目主要有以下几个主要创新点：

1、自主研制开发了称重控制器软硬件

本课题自主研发的称重控制器称量精度高，温度漂移小，并在工业现场能抗强电磁干扰，且在完成检测重量和控制配料车运动的同时，还具备重量和控制数据无线远传的功能。

称重控制器是以AT89C55单片机为核心的微控制系统。其硬件系统主要由单片机主控模块、称重测量模块、显示模块、按键显示控制模块和通讯模块等功能模块组成。为了使称重控制器对各种原料称重配料具有通用性，控制器的软件系统采用参数化、模块化程序设计技术，根据不同功能，将软件分成若干独立的程序模块，如主程序、按键中断子程序、称重测量子程序，定时中断子程序、通讯中断子程序、显示子程序等。

2、二辆配料车具有防碰撞的功能

当二辆配料车同时配料运行，则存在发生碰撞的可能。由于二辆小车均装有防撞感应装置，整个配料控制系统能自动检测并控制小车停车和避让，实现了二车同时配料的功能，从而在保证精度的前题下提高了生产效率，取得满意效果。

撞车处理主要由两个部分来完成：

（1）上位机软件中碰撞自动避让。就是由计算机判断两车的目标位置和当前位置，当两车的目标位置相冲突，则后启动的小车等待先启动的小车完成当前料仓动作，离开该冲突位置后，后启动的小车再去完成该料仓的动作。

（2）在极个别情况中，当上位机的控制动作未正确的传递给下位机，则可能存在两台小车发生相撞的可能。在这种情况下由小车上的控制仪表来防止，两台小车上各装有一套红外发射和接受装置，当两台小车的距离在警戒范围以内时，检测到距离过近的红外模块向仪表发送报警信号，仪表则控制小车停车，若两台小车都停下来相持互锁的时候，则需要操作人员手工干预，可选择离目标料仓较远的配料车，人工向后开，直到另外一台小车到达目标料仓，开始加料过程，则两台车相持互锁的状态解除，可以进行正常配料。

3、解决了配料过程中防尘的问题

耐火材料和摩擦材料生产现场粉尘多，环境恶劣，容易使自动化控制系统故障率高，本项目经过长期摸索，用车载的自动清灰除尘机和自动控制的密封升缩接口解决防尘难题，实现进料口密封联接，防止灰尘外溢，保证了控制系统良好的工作环境。

（1）车载除尘器

本配料车所使用的除尘器为袋式除尘器。它适用于捕集细小、干燥、非纤维性粉尘。滤袋采用纺织的滤布或非纺织的毡制成，利用纤维织物的过滤作用对含尘气体进行过滤，当含尘气体进入袋式除尘器后，颗粒大、比重大的粉尘，由于重力的作用沉降下来，落入抽屉内，含有较细小粉尘的气体在通过滤料时，粉尘被阻留，使气体得到净化。

（2）防尘伸缩接口

考虑到粉尘对环境的污染，配料车的进料口和排料口均有密封伸缩接口。在加料或排料时，能够与料仓落料口或料桶进料口实现密封联接。

伸缩接口装有密封海绵，在气缸带动下可以上下运动。防尘套一端箍在伸缩接口上，另一端固定在秤体支架上，通过螺钉固定。伸缩气缸杆固定在升降架上，气缸体固定在固定支架上。气缸通过电磁阀控制。有加料信号时，接通电磁阀线圈，气缸杆运动，带动升降架运动，使伸缩接口上升，顶住螺旋喂料器或皮带喂料器的出料口罩板，就可以正常加料。加料过程结束后，断开电磁阀线圈，气缸杆带动升降架下降。

下伸缩接口与翻板排料装置配合在一起，伸缩接口可以上下运动。上部通过防尘套与翻板排料阀连接，下部装有密封海绵，可以和排料口实现密封对接。气缸摆尾端固定在翻板排料阀阀体上，气缸杆通过螺栓固定在伸缩接口上。气缸通过电磁阀控制。有排料信号时，接通电磁阀线圈，气缸杆运动，带动伸缩接口运动，使伸缩接口下降，顶住排料口罩板，就可以正常排料。排料过程结束后，断开电磁阀线圈，气缸杆带动伸缩接口上升。

4、工控机通过泓格I7000控制模块控制变频调速器使所有加料装置实现快慢二挡速度加料，保证了配料的精度。

移动式配料系统一般配料效率受到较大的限制，为了在保证配料精度的前题下，尽可能提高效率，我们使用了变频调速器使加料装置实现快慢二挡速度加料，保证了配料精度和尽可能高的速度，同时我们经过大量试验，不断完善控制软件。

5、上、下位机无线通信的实现

采用新兴ZigBee无线组网技术，实现了信号的无线传输，避免了移动小车用有线方式传输数据带来的诸多弊端。

本系统要求1台工控机与6台称重控制器组成控制系统，如采用有线通信，则称量小车运动时拖着电缆会带来诸多弊端，经过多个项目的实践检验，我们使用新兴ZigBee无线通信组网技术，使用免费频段，时延短，网络自组织、自愈能力强、通信可靠性高，避免了有线通信方式带来的弊端。

无线通信采用ZigBee无线通信模块，该模块是加强型的ZigBee模块，集成了符合ZigBee协议标准的射频收发器和微处理器，它具有通讯距离远、抗干扰能力强、组网灵活等优点和特性；可实现一点对多点及多点对多点之间的设备间数据的透明传输；可组成星型和MESH 型的网状网络结构。它具备自组织功能和自愈功能：无需人工干预，网络节点能够感知其他节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络；增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，保证整个系统仍然能正常工作；而且通信延时短，可实现实时通信。

本系统通过一点对多点广播形式实现上、下位机实时无线通讯。

本课题已经过十多年的研制开发和改进，技术日趋完善，经多家用户长期使用，证明系统运行稳定，可靠性好，产生的经济效益已过亿元，是耐火材料和摩擦材料行业配料理想的解决方案，有很好的推广前景。

今后对该系统作进一步的完善，争取推广到其它同类企业，产生更大的社会经济效益。