嵌入式高可靠混凝土预搅拌站控制器设计

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摘 要：本文依据混凝土预搅拌的工艺要求、控制特点，结合可靠性理论，以嵌入式技术为核心，设计了混凝土预搅拌站控制器，实现对混凝土预搅拌站的可靠控制。首先设计了以混凝土预搅拌站控制器为核心的混凝土预搅拌企业的控制系统结构，然后从软硬件两方面，对控制器进行设计，最后技术角度分析了控制器的可靠性和对生产精度的控制。

关键字：预拌混凝土；嵌入式系统；控制器；系统结构

中图分类号：TP391.8 文献标识码：A DOI：10.3969/j.issn.1003-6970.2013.07.009

本文著录格式：[1]刘晓霞.嵌入式高可靠混凝土预搅拌站控制器设计[J].软件，2313，34（7）：27-29

0 引言

将水泥、砂子、石子、水、外加剂和掺合料等按一定的比例进行拌和，其拌和过程需要进行控制，就是商品化混凝土。而现有的混凝土预搅拌站的控制主要采用PLC或单片机实现，虽然各有优点，但缺点亦存在，如单片机数据处理能力低、稳定性差和分布式多点控制能力差等；PLC控制在实时性、配料精确度和采样速度等方面存在不足[1]。网络和远程控制技术的发展，要求混凝土预搅拌站的控制具有网络控制能力和远程交互能力。因此，本文设计基于ARM核的混凝土预搅拌站控制系统，提供网络化大规模生产控制，适应混凝土集约化生产的需要。

1 控制系统结构

预拌站现场采用高速工业控制网络，将各预拌站连接成可远程控制的现场网络，其具体结构如图1所示。系统有配料员在取得相关授权情况下，对各个预拌混凝土站的配合比例进行操作与管理，远程调度员进行远程生产调度，领导层通过后台管理系统进行相关生产情况的查询和查看相关生产报表[2]。

该结构实现预拌混凝土各个站点的统一管理和调度，杜绝操作错误，同时合理分配生产任务，使预搅拌站的生产能力达到最大优化。

系统采用心跳线实现同步与冗余，以保证各生产线能够正常生产。该系统通过以太网，将预拌混凝土现场生产的各种控制数据、产品数据和运载数据等信息，与后台MIS或其他系统进行数据交互，做到提高企业的管理水平。

2 控制器硬件设计

2.1 硬件总体结构

混凝土预搅拌站有其自身特点，在进行硬件设计时，需考虑控制器的抗干扰、抗振动和宽电压启动等。在抗干扰方面，采用隔离技术以屏蔽外界的强电场干扰；对各种原料的进料，采用误差补偿算法以提高计量精度；在进料冲击力方面，采用抗震设计；在控制器电源方面，在宽输入自动调节方式，以达到消除电源波动对控制器的影响。在数字量采集与驱动方面，使用光电隔离和继电器隔离技术，将系统与电气系统隔离开来，同时采用先进的控制算法进行计量控制和时序控制[3]。

依据工艺流程及实际需求，控制器硬件原理框图如图2所示。

2.2 称重测量与控制模块

称重测量的前端为称重传感器，其按放于料斗相应位置，经屏蔽信号线输入到控制器进行处理 [4]。采集到的称重信号，还必须符合配料比的要求。依据预拌混凝土的配比要求，控制器输出不同频率的开关信号来控制电磁振动给料机，以实现对给料速度的控制。对粉末料用螺旋给料机水泥给料；将控制信号经管D/A模块转换为模拟信号，然后经开关输出电路输出给变频器，变频器输出不同的频率信号来控制螺旋给料机，从而实现对粉状物料的给料控制。对液体物料用变频调速水泵，如水和液态添加剂等；控制器控制变频调速水泵按给定量进料，从而提高计量控制精度。

2.3 电源模块

采用两路电源，分为主和备[5]。无论是主电源供电还是备用电源供电，其输入的电压经过变换后，转换为两组，一组为3.3V电压，主要供控制器的I/O口和外设使用；另一组为2.5V，主要供控制器处理器内核使用。电源模块电路原理如图3所示。

2.4 Nand Flash模块

S3C2410x的存储器最大为1GB，设计时选用Samsung的 K9F2808UOB芯片为控制器扩展64MB的Nand Flash存储器，其接口原理如图4所示。

在设计了存储器之后，要专门为Nand Flash编写接口程序，并为上层应用提高各种对存储器的操作接口函数。

控制器还有很多具体的电路，因在嵌入式系统中，处理好电源和存储器问题，就能为系统正常稳定的工作奠定坚实的物质基础。其他电路，在此不予以介绍。

3 控制器软件体系

3.1 软件抽象模型

按照嵌入式系统原理，控制器为典型的嵌入式系统，因此可以利用现有的层次化抽象模型，对控制器的软件系统进行抽象。经过抽象分析，将控制器软件系统划分为如图5所示的层次结构。

中间层BSP/HAL的作用主要是对控制器实现芯片级、CPU级和系统级的初始化，同时还对各种硬件接口提供驱动和为上层应用提供驱动程序编程接口；操作系统层主要RTOS内核和移植，以及RTOS为上层应用提供的内核功能的抽象编程接口；操作系统功能扩展层主要是为操作系统提供网络、文件系统、GUI等；应用层主要控制程序和与后台系统交互程序等。

控制器选用的RTOS为μC/OS-II，将其移植于所选处理器上，并对RTOS进行抽象和功能扩展。

3.2 主任务设计

依据层次结构和控制工艺要求，得到控制器主任务执行顺序为：硬件初始化、RTOS初始化、模块监测和启动任务等，其中较为主要的多任务的启动。主任务流程如图6所示。

4技术措施

4.1 提高可靠性措施

首先，控制器采用双电源措施，以提高控制器抗冲击电压的能力，前面在设计电源模块时，就已经考虑到这些问题。

其次，除整个控制系统接地外，对控制器单独设计接地措施，使其接地电阻控制在1欧姆范围内。

再次，控制器输出控制信号给执行机构时，为提高系统可靠性，采用阻容吸收；且在中间继电器线包采用二极管吸收回路，各种信号线采用屏蔽线并单端接地。

最后，在软件上，采用模块化程序设计思想，将控制器的风险予以逐步化解，使得整个软件系统更加可靠。

4.2 提高精度措施

提高控制精度采用以下措施为：在软件上，对称重传感器采集到的称重量进行算法补偿，以降低测量结果的静态非线性误差和动态滞后误差，达到精确计量；对粉末物料，要降低因重力产生的冲量对测量结果的影响，本系统采用变速给料予以实现。

5 结论

采用先进的嵌入式技术设计混凝土预搅拌站控制器，体现了ARM处理器的高可靠性、接口功能完善和低功耗等优点，且弥补继电器控制在可靠性方面的缺陷，同时，提高了系统的网络连接能力，以便实现远程控制与调度，因此，该控制器具有一定的实用性。

参考文献

[1]徐卫龙，高立海.HPS4000预拌混凝土搅拌站控制系统的使用与研究[J].混凝土，2008（12）：122-124.

[2]张兆武.基于PLC的混凝土搅拌站控制系统设计[J].机械，2010，37（8）：49-51.

[3]李海红，姚明海等.基于三层架构的预拌混凝土现代集成控制系统的研究[J].混凝土，2007（7）：110-112.

[4]詹勇，姜培刚等.基于ARM的混凝土搅拌站自动控制系统[J].自动化技术与应用，2009，28（12）：116-118.

[5]刘丽萍等.嵌入式车站信号联锁控制器设计[J].计算机仿真，2010年第6期：314-317.