CN116991109B - 一种基于嵌入式的供料设备控制系统 - Google Patents
一种基于嵌入式的供料设备控制系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116991109B CN116991109B CN202311240392.4A CN202311240392A CN116991109B CN 116991109 B CN116991109 B CN 116991109B CN 202311240392 A CN202311240392 A CN 202311240392A CN 116991109 B CN116991109 B CN 116991109B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- module
- chip
- power supply
- control
- circuit
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000004891 communication Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 4
- 238000005303 weighing Methods 0.000 claims description 8
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 6
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 4
- 230000008030 elimination Effects 0.000 claims description 4
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 claims description 3
- 230000002457 bidirectional effect Effects 0.000 claims description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 20
- 230000004044 response Effects 0.000 abstract description 7
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 16
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 10
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 5
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 4
- 238000013500 data storage Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 2
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 2
- 230000005856 abnormality Effects 0.000 description 1
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B19/00—Programme-control systems
- G05B19/02—Programme-control systems electric
- G05B19/04—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers
- G05B19/042—Programme control other than numerical control, i.e. in sequence controllers or logic controllers using digital processors
- G05B19/0423—Input/output
-
- G—PHYSICS
- G05—CONTROLLING; REGULATING
- G05B—CONTROL OR REGULATING SYSTEMS IN GENERAL; FUNCTIONAL ELEMENTS OF SUCH SYSTEMS; MONITORING OR TESTING ARRANGEMENTS FOR SUCH SYSTEMS OR ELEMENTS
- G05B2219/00—Program-control systems
- G05B2219/20—Pc systems
- G05B2219/24—Pc safety
- G05B2219/24215—Scada supervisory control and data acquisition
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
- Y02P90/00—Enabling technologies with a potential contribution to greenhouse gas [GHG] emissions mitigation
- Y02P90/02—Total factory control, e.g. smart factories, flexible manufacturing systems [FMS] or integrated manufacturing systems [IMS]
Abstract
本发明涉及供料控制技术领域，公开了一种基于嵌入式的供料设备控制系统，包括主控模块、供电模块、过流保护模块、通讯模块、伺服控制模块、隔离输入模块、驱动输出模块、模拟量输入模块及功能按键模块；主控模块包括STM32芯片、供电电路、晶振电路及复位电路，且STM32芯片采用速度控制算法来实现高速与低速两阶段的控制供料。本发明不仅有效地解决了控制实时性差，应对事件有反应延迟的问题，而且还解决了供料精度控制难的问题，大大提高了供料的稳定性与精度，优化了设备的运行流程提高了设备的工作效率，降低了控制器成本，此外还可以利用相关控制算法提高供料控制的精度，提高生产效率及降低控制器成本。
Description
技术领域
本发明涉及供料控制技术领域，具体来说，涉及一种基于嵌入式的供料设备控制系统。
背景技术
在当前的电池制造业中，特别是在锂电池的生产过程中，正负极材料的制备是至关重要的一环。这个过程主要依赖于连续式辊道炉窑炉，它的工作原理是将精确测量的原材料放入特定的匣钵中，然后送入窑炉进行高温烧结。这个过程中，原材料的供给效率和精度直接影响到整个设备的总体生产效率，也决定了材料烧结的质量。因此，这两个因素是至关重要的，也是任何提高生产效率和产品质量的措施必须考虑的。
目前在锂电池生产中，供料设备主要采用的是可编程逻辑控制器（PLC）进行控制。然而，由于PLC的控制方式和处理能力的限制，它只能采用集中采样和集中输出的方式进行控制，基于逻辑判断进行操作。虽然这种方式在一定程度上可以保证生产的连续性和稳定性，但同时也存在一些明显的问题。
首先，PLC的控制实时性较差。在生产过程中，如果出现任何突发情况或者需要进行调整，PLC的响应速度可能无法满足实时调整的需求，这可能会影响到生产效率和产品质量。
其次，PLC的供料精度较低。在锂电池的生产过程中，原材料的供给量需要非常精确，任何微小的偏差都可能影响到电池的性能。然而，PLC的控制精度可能无法满足这种高精度的需求。
最后，由于上述两个问题，PLC的控制方式可能会导致生产效率不高。在电池生产行业中，生产效率是决定企业竞争力的重要因素之一。因此，这是一个亟待解决的问题。
综上所述，虽然PLC在锂电池生产中发挥了一定的作用，但由于其控制实时性差、供料精度低、生产效率不高等问题，因此，需要寻找更有效的解决方案，以提高锂电池的生产效率和产品质量。
针对相关技术中的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
针对相关技术中的问题，本发明提出一种基于嵌入式的供料设备控制系统，用于解决当前供料设备存在的控制实时性差、供料精度低、生产效率低等问题；并使其能够兼容现有设备，在只更换控制系统的情况下，利用相关控制算法提高供料控制的精度，提高生产效率以及降低控制器成本。
为此，本发明采用的具体技术方案如下：
一种基于嵌入式的供料设备控制系统，包括主控模块、供电模块、过流保护模块、通讯模块、伺服控制模块、隔离输入模块、驱动输出模块、模拟量输入模块及功能按键模块；
其中，所述主控模块包括STM32芯片、供电电路、晶振电路及复位电路，且所述STM32芯片采用速度控制算法来实现高速与低速两阶段的控制供料；
所述速度控制算法的计算公式为：
，
式中，S表示供料伺服电机转速，SH表示高速供料转速，SL表示低速供料转速，M表示称重传感器实测重量，Mλ表示速度切换比较重量，Mg表示目标供料重量，ε表示误差补偿量；
所述供电模块用于输入8-26V直流电源并转换输出5V和3.3V电压供给控制系统其他模块使用；
所述过流保护模块用于对供电输出的5V和3.3V电压进行保护，防止出现过载与短路烧坏元器件；
所述通讯模块包括以太网模块、2路RS485模块、2路CAN模块及串口通信模块；
所述伺服控制模块用于向伺服驱动器发送差分脉冲信号、使能信号和方向信号用以控制伺服电机的启停、正反转与旋转的角度；
所述隔离输入模块用于进行隔离实现对STM32芯片的保护；
所述驱动输出模块用于信号量输出以及驱动输出控制继电器、电磁阀及报警器；
所述模拟量输入模块用于利用4路模拟量输入采集端口输入模拟量；
所述功能按键模块用于控制设备启动、复位、急停、消警、自动/手动切换。
作为优选地，所述供电模块中8-26V直流电源转换输出为5V电压时由MP1584EN电源芯片实现，5V电压转换输出为3.3V电压时由UZ1085L-33芯片实现。
作为优选地，所述过流保护模块将电源输出的5V与3.3V电源通过MT9700芯片进行过流保护，限流大小由MT9700芯片的3号引脚外接的电阻R8和R10决定。
作为优选地，所述以太网模块采用LAN8720A芯片作为物理层收发器，使用端口为HR911105A；
所述RS485模块采用MAX485ERSA芯片作为收发器，并设计有独立电源电路、数字隔离电路和收发自动转换电路；
所述CAN模块采用TJA1042T芯片作为收发器，并设计有独立电源电路和数字隔离电路；
所述串口通信模块使用CH340N电平转换芯片，端口使用Mini USB接口。
作为优选地，所述收发自动转换电路通过2个电阻、1个三极管和1个电容组成控制电路，且接收状态时发送端TX为高电平，MAX485ESA芯片的第4号脚DI为高电平，MMBT3906三极管处于截止状态，引脚RE和DE引脚在R34下拉电阻作用下，处于低电平状态，芯片处于接收状态；当发送数据时，若发送端TX为低电平，则MMBT3906三极管导通，控制引脚高电平，处于发送状态，MAX485ESA芯片根据DI引脚发送低电平信号，若TX为高电平，则MAX485ESA芯片输出信号处于高阻态，电平信号有上拉电阻决定，输出高电平信号。
作为优选地，所述伺服控制模块中使能信号端口和方向信号端口均采用PC817光耦隔离，差分脉冲信号端口采用TLP2345高速光耦连接。
作为优选地，所述隔离输入模块中设置有40路输入端口，且兼容NPN型与PNP型的24V信号输入，采用TLP290-4双向光耦芯片进行隔离。
作为优选地，所述驱动输出模块中设置有40路驱动输出端口，且采用TV-247光耦芯片隔离STM32引脚与NMOS管，输出5-30V的电压及1A的电流。
作为优选地，所述模拟量输入模块中使用的芯片为TLV2374IDR芯片。
作为优选地，所述功能按键模块通过5个功能按键来实现设备的启动、复位、急停、消警、自动/手动切换功能。
与现有技术相比，本发明提供了基于嵌入式的供料设备控制系统，具备以下有益效果：相较于传统的PLC控制，采用本发明的技术方案不仅有效地解决了控制实时性差，应对事件有反应延迟的问题，而且还解决了供料精度控制难的问题，大大提高了供料的稳定性与精度，优化了设备的运行流程提高了设备的工作效率，相较于传统的PLC降低了控制器成本，并且本发明设计的控制系统可以通过修改程序用于其他设备的控制，从而使得其能够兼容现有设备，并且利用相关控制算法提高了供料控制的精度，提高了生产效率以及降低了控制器成本，具有推广应用价值。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统的控制连接原理图；
图2是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统的硬件模块框架图；
图3是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中STM32芯片的连接图；
图4是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中电源模块的电路图；
图5是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中过流保护模块的电路图；
图6是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中串口通信电路图；
图7是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中以太网通信电路图；
图8是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中2路RS485通信电路图；
图9是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中2路CAN通信电路图；
图10是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中伺服控制模块的电路图；
图11是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中部分隔离输入模块的电路图；
图12是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中部分驱动输出模块的电路图；
图13是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中模拟量输入模块的电路图；
图14是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中软件设计结构框架示意图；
图15是根据本发明实施例的一种基于嵌入式的供料设备控制系统中的供料任务控制流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
根据本发明的实施例，提供了一种基于嵌入式的供料设备控制系统，该供料设备控制系统分为硬件部分和软件部分，硬件部分以STM32H743IIT6芯片为核心，软件部分以FreeRTOS为核心，配合中断、任务优先级、任务状态切换等机制控制设备的运行。
现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明，如图1-图15所示，根据本发明的一个实施例，提供了一种基于嵌入式的供料设备控制系统，包括主控模块、供电模块、过流保护模块、通讯模块、伺服控制模块、隔离输入模块、驱动输出模块、模拟量输入模块及功能按键模块；
其中，所述主控模块包括STM32H743IIT6芯片（简称STM32芯片）、供电电路、晶振电路、SWD下载电路及复位电路。通过SWD接口进行程序的下载与调试；使用以太网接口与工控上位机通讯，将设备运行的信息传输至上位机中；使用串口通信与PC电脑连接，以用来程序调试；通过隔离输入端口采集光电传感器、报警、限位等信号；采用驱动输出控制电动辊、电磁阀、报警器等装置的运行；使用CAN总线与供料伺服驱动器通信，控制供料电机的远转；使用伺服控制接口向升降伺服驱动器发送PWM脉冲，控制升降电机的远转；使用RS485接口与变频器1、变频器2、称重显示器通信，控制设备的运行与信息的交互。
如图2所示，为所述主控芯片与各个模块的硬件框架图。
如图3所示，所述主控芯片的外围电路连接，包含有芯片供电、最小系统电路、引脚分配。
所述供电模块用于输入8-26V直流电源并转换输出5V和3.3V电压供给控制系统其他模块使用；
具体的，如图4所示，所述供电模块由外部提供8-26V电源，通过C1、L1、C2、D2、C3、C4组成的滤波与整流电路连接至MP1584EN电源芯片，芯片4号引脚接上拉电阻R4（210KΩ），下拉电阻R5（40.2KΩ），设置输出电压为5V；5V电压也可以通过USB接口供入，经过F1（8V-2A）的自恢复保险丝与开关，连接至UZ1085L-33芯片得到3.3V电源。
所述过流保护模块用于对供电输出的5V和3.3V电压进行保护，预防出现短路、过载等情况烧坏芯片和电路板，使用芯片为MT9700，过载保护电流为2A；
具体的，如图5所示，所述过流保护模块将电源输出的5V与3.3V电源同过MT9700芯片进行过流保护，限流大小由3号引脚外接的电阻R8和R10决定，关系式为6.4/R，这里R8与R10阻值为3.4Ω，所以限流大小为2A。
所述通讯模块包括以太网模块、2路RS485模块、2路CAN模块及串口通信模块；
具体的，如图6所示，所述以太网模块使用LAN8720A芯片与HR911105A端口；控制系统通过以太网接口使用Modbus TCP通信协议与工控上位机通信，以实现运行状态显示、运行参数设置、数据查看等人机交互的功能；
如图7所示，所述串口通信模块使用CH340N芯片连接USART3与Mini USB接口；控制系统使用串口通信与PC电脑连接，以便于调试程序。
如图8所示，（a）为5V独立电源稳压电路，（b）为数字隔离电路，（c）为RS485接口电路；
2路RS485通信，为降低电源噪声的影响，提高通信的稳定性，（a）使用B0505S-1WR3稳压芯片将电源电压稳压后用于通信电路；为保护STM32主控芯片，（b）使用ADUM1201BRZ-RL7进行数字隔离；（c）使用MAX485ESA芯片将TTL电平转化为标准RS485接口电平；RS485的通信是半双工模式，当RE引脚为低电平时处于数据接收状态，当DE引脚为高电平时处于数据发送状态，为提高提高通信效率，减少STM32的引脚占用设计了收发自动转换电路。
具体的，本实例中RS485自动收发电路实现方法是由2个电阻加1个三极管和1个电容组成的控制电路。平常无发送数据，即接收状态时，TX为高电平，对应原理图MAX485ESA芯片第4号脚DI为高电平，那么MMBT3906三极管处于截止状态，控制引脚（RE和DE引脚）在R34下拉电阻作用下，处于低电平状态，芯片处于接收状态。当需要发送数据的时候，若TX为低电平，则三极管导通，控制引脚高电平，处于发送状态，485芯片就会根据DI引脚发送低电平信号，若TX为高电平，则485芯片输出信号处于高阻态，电平信号有上拉电阻决定，即输出高电平信号。这里的高电平信号和低电平信号指的是差分输出的“1”和“0”两种信号；
如图9所示，（a）为5V独立电源稳压电路，（b）为数字隔离电路，（c）为CAN接口电路；
2路CAN通信，为降低电源噪声的影响，提高通信的稳定性，（a）使用B0505S-1WR3稳压芯片将电源电压稳压后用于通信电路；为保护STM32主控芯片，（b）使用ADUM1201BRZ-RL7进行数字隔离；（c）使用TJA1042T芯片将TTL电平转化为标准CAN接口电平；
所述伺服控制模块用于向伺服驱动器发送差分脉冲信号、使能信号和方向信号用以控制伺服电机的启停、正反转与旋转的角度；
具体的，如图10所示，所述伺服控制模块可以向伺服驱动器发送差分脉冲信号（PUL）、使能信号（EN）和方向信号（DIR）用以控制伺服电机的启停、正反转与旋转的角度。其中EN与DIR端口使用PC817光耦隔离；PUL端口则使用TLP2345高速光耦连接，最高可以输出10 Mbps的差分脉冲信号；可以通过跳帽H1和H2选择差分脉冲的电压大小，跳帽一端默认连接了5V的电路，另一端与图3的CN1端口连接，可由外部提供电压。
所述隔离输入模块用于进行隔离实现对STM32芯片的保护；
具体的，如图11所示，所述隔离输入模块使用TLP290-4双向光耦芯片进行隔离，可以兼容NPN型与PNP型的24V信号输入。
具体的，隔离输入模块光耦输出端的发射极E直接接到开发板GND，集电极C接到STM32引脚并接了一个510Ω的上拉电阻，这样光耦不导通时，即光耦输入端为无效信号，STM32引脚在上拉电阻的作用下为高电平；当光耦导通时，即光耦输入端为有效信号，STM32引脚变为低电平。即光耦导通，IO为低电平；光耦不导通，IO为高电平。当连接了具有电流输出能力的PNP型输出信号的时候，可以将外部模块的信号端连接到光耦输入端的正极（即TLP290芯片的1、3、5、7引脚），外部模块的负极连接到光耦输入端的负极（即2、4、6、8引脚）。当连接了没有电流输出能力的NPN型输出信号的时候，可以将外部模块的正极连接到光耦输入端的正极，外部模块的信号端连接到光耦输入端的负极。
所述驱动输出模块用于信号量输出以及驱动输出控制继电器、电磁阀及报警器；
具体的，如图12所示，（a）为驱动输出电路，（b）为独立5V供电电路，图中U25器件是TV-247光耦为低速（开关频率小于1KHz）通用4路光耦，每路光耦输入都接到STM32引脚，并串联了360欧的限流电阻，STM32引脚输出高电平时光耦导通，使得输出端两个引脚实现相当于闭合效果，因为第10、12、14和16号引脚接到了5V，所以光耦导通时对应的第9、11、13、15号引脚也会是5V电压。STM32引脚输出低电平时光耦截止，输出端两个引脚相当于断开效果。Q7、Q8、Q9和Q10是4个N型MOS管，源极S接到EXGND1，这样，如果栅极G为5V高电平，那么这时NMOS管导通，即可认为漏极D和源极S短路。如果栅极G为低电平，那么NMOS管截止，即漏极D和源极S是断开的。这样的工作作用NMOS管就相当于一个“开关”功能。R182、R183、R184和R185这四个电阻是偏置电阻，将栅极G连接到EXGND1,当光耦截止的时候可以使栅极有一个稳定的电压，不会导致MOS管输出异常。V5器件是一个AP7381的电源稳压芯片，把输入电压稳压到5V，供光耦隔离使用。所以为保证电路正常使用，必须给CN21接线端子的EXVCC和EXGND接上5-30V的电源。MOS管驱动输出电路，可以输出电压5-30V，电流1A，可以用于信号量输出以及驱动输出控制继电器、电磁阀、报警器等。
所述模拟量输入模块用于利用4路模拟量输入采集端口输入模拟量；
具体的，如图13所示，（a）为稳压供电电路，（b）为电压跟随器电路，（c）为4路模拟量输入电路；
所述4路模拟量输入模块，设计有图（a）稳压电源电路，使用TPS61040芯片将5V电压转换后输出VADC电源；图（b）为电压跟随器电路，使用MCP6001芯片，通过前端电阻R224与R225分压得到0.2V的V02电压，并将此电压接在图（c）的U36运放的输入端。图（c）为4路模拟输入电路，使用TLV2374运算放大芯片对输入的电压范围进行放大，可以支持0-10V的电压检测。
具体的，以IN1+为例，可以看到这个运放是一个差分运算放大电路，电压信号经过R227之后连接到运放的同相输入端，反向输入端则经过R234连接到GND，输出端则是经过R235连接到反向输入端，形成负反馈，R235为反馈电阻，输出端经过R236连接到STM32的引脚上，C97和C102都是起到滤波作用，一个是对输入信号进行滤波，一个是对模拟电源滤波。输出端连接的R236和C103组成一阶低通滤波器，同时使用1N4148二极管做钳位，使最终输出电压在3.3+0.7V以内。在运放的同向输入端，还有一个上拉电阻连接到V02，将输出的电压值抬高了0.2V，防止输入信号因为干扰而出现负值。
所述功能按键模块用于控制设备启动、复位、急停、消警、自动/手动切换。
具体的，所述功能按键模块设计有5个功能按键，以满足设备启动、复位、急停、消警、自动/手动切换的功能使用。
本实施例中还包括数据存储模块和工控上位机，数据存储模块使用W25Q128JVSIQ芯片，外拓了16M的Flash数据存储空间，使用QSPI串行总线与STM32芯片连接。
如图14所示，为本发明例所述的基于嵌入式的供料设备控制系统软件框架，软件系统以FreeRTOS操作系统为核心，内嵌在图2所示的STM32芯片中，并且根据设备控制原理及流程，设计了各功能任务；主要分为硬件驱动层、软件任务层以及应用实现层。
具体的，硬件驱动层用来实现对系统所用硬件外设的初始化与控制，并封装成相应的控制函数提供给软件业务层调用。软件任务层负责调用硬件层函数来实现相关的任务控制模块。主要任务有供料伺服控制任务、升降伺服控制任务、称重信息采集任务、称重比较任务等。并对这些任务进行了优先级的配置，系统调度器将根据优先级大小选择执行的任务。应用实现层将会根据设备运行时的任务需要来调用软件任务层的相关任务；并且会根据运行流程控制任务状态的切换；任务状态有运行态、就绪态、挂起态、阻塞态；运行态就是正在被执行的任务，系统调度器会基于优先级选择处在就绪态中的任务进入运行态；正在被执行的任务发生阻塞（挂起、延时、读信号量等待）时，该任务就会从就绪列表中删除，任务状态由运行态变成阻塞态；处在阻塞态的任务被恢复后（任务恢复、延时时间超时、读信号量时间超时或读到信号量等），此时被恢复的任务会被加入就绪列表，由阻塞态变成就绪态；任务可以通过调用vTaskSuspend()API函数将处于任何状态的任务挂起，被挂起的任务得不到CPU的使用权，也不会参与调度，除非解除其挂起状态，解除的唯一途径是调用vTaskResume()或vTaskResumeFromISR()API函数。
如图15，为本发明例的原料供给任务流程图。任务采用多段式控制供料，分高速与低速两阶段以实现快速、准确的供料目的。
所述控制算法的计算公式为：
，
式中，S表示供料伺服电机转速，SH表示高速供料转速，SL表示低速供料转速，M表示称重传感器实测重量，Mλ表示速度切换比较重量，Mg表示目标供料重量，ε表示误差补偿量；
当实测重量M小于Mλ时设备高速供料，当M大于Mλ且M加ε小于Mg时设备以低速供料，当M加ε等于Mg时设备停止供料。式中补偿量ε补偿内容的为从发送停止信号到伺服接收并减速至停止期间供料的超调供料量。ε初始值为50g，后由补偿计算任务获得，实现方法为：当系统发送停止指令后立刻记录此时的实测重量M1，当实测重量不在变化时记录下最终实测重量M2，ε的值为M2与M1的差值ΔM。系统计算并存储下ε的值，用于下次供料控制任务的计算，以提高系统控制精度。
根据本发明的另一方面，控制系统软件设计包括：
操作系统设计，使用FreeRTOS操作系统作为系统的内核，具有占用空间小、可移植性好、可靠性高、实时性好、功能丰富、开源免费等优点。
功能任务设计，根据原料供给设备控制原理及流程，设计有供料伺服控制任务、升降伺服控制任务、称重信息采集任务、补偿计算任务、称重比较任务、人机交互任务、报警任务等。
优先级设计，对功能任务进行了优先级配置，系统将根据任务状态及优先级顺序选择调用的任务，以控制设备的运行。
综上所述，借助于本发明的上述技术方案，相较于传统的PLC控制，采用本发明的技术方案不仅有效地解决了控制实时性差，应对事件有反应延迟的问题，而且还解决了供料精度控制难的问题，大大提高了供料的稳定性与精度，优化了设备的运行流程提高了设备的工作效率，相较于传统的PLC降低了控制器成本，并且本发明设计的控制系统可以通过修改程序用于其他设备的控制，从而使得其能够兼容现有设备，并且利用相关控制算法提高了供料控制的精度，提高了生产效率以及降低了控制器成本，具有推广应用价值。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，包括以上方法所述的步骤，所述的存储介质，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (8)
1.一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，该系统包括主控模块、供电模块、过流保护模块、通讯模块、伺服控制模块、隔离输入模块、驱动输出模块、模拟量输入模块及功能按键模块，且所述主控模块分别与所述供电模块、所述过流保护模块、所述通讯模块、所述伺服控制模块、所述隔离输入模块、所述驱动输出模块、所述模拟量输入模块及所述功能按键模块电连接；
其中，所述主控模块包括STM32芯片、供电电路、晶振电路及复位电路，且所述STM32芯片采用速度控制算法来实现高速与低速两阶段的控制供料；
所述速度控制算法的计算公式为：
，
式中，S表示供料伺服电机转速，SH表示高速供料转速，SL表示低速供料转速，M表示称重传感器实测重量，Mλ表示速度切换比较重量，Mg表示目标供料重量，ε表示误差补偿量；
所述供电模块用于输入8-26V直流电源并转换输出5V和3.3V电压供给控制系统其他模块使用；
所述过流保护模块用于对供电输出的5V和3.3V电压进行保护，防止出现过载与短路烧坏元器件；
所述通讯模块包括以太网模块、2路RS485模块、2路CAN模块及串口通信模块；
所述伺服控制模块用于向伺服驱动器发送差分脉冲信号、使能信号和方向信号用以控制伺服电机的启停、正反转与旋转的角度；
所述隔离输入模块用于进行隔离实现对STM32芯片的保护；
所述驱动输出模块用于信号量输出以及驱动输出控制继电器、电磁阀及报警器；
所述模拟量输入模块用于利用4路模拟量输入采集端口输入模拟量；
所述功能按键模块用于控制设备启动、复位、急停、消警、自动/手动切换；
所述以太网模块采用LAN8720A芯片作为物理层收发器，使用端口为HR911105A；
所述RS485模块采用MAX485ERSA芯片作为收发器，并设计有独立电源电路、数字隔离电路和收发自动转换电路；
所述CAN模块采用TJA1042T芯片作为收发器，并设计有独立电源电路和数字隔离电路；
所述串口通信模块使用CH340N电平转换芯片，端口使用Mini USB接口；
所述收发自动转换电路通过2个电阻、1个三极管和1个电容组成控制电路，且接收状态时发送端TX为高电平，MAX485ESA芯片的第4号脚DI为高电平，MMBT3906三极管处于截止状态，引脚RE和引脚DE在R42下拉电阻作用下，处于低电平状态，MAX485ESA芯片处于接收状态；当发送数据时，若发送端TX为低电平，则MMBT3906三极管导通，控制引脚高电平，MAX485ESA芯片处于发送状态，MAX485ESA芯片根据DI引脚发送低电平信号，若TX为高电平，则MAX485ESA芯片输出信号处于高阻态，电平信号由上拉电阻决定，输出高电平信号。
2.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，所述供电模块中8-26V直流电源转换输出为5V电压时由MP1584EN电源芯片实现，5V电压转换输出为3.3V电压时由UZ1085L-33芯片实现。
3.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，所述过流保护模块将电源输出的5V与3.3V电源通过MT9700芯片进行过流保护，限流大小由MT9700芯片的3号引脚外接的电阻R8和R10决定。
4.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，所述伺服控制模块中使能信号端口和方向信号端口均采用PC817光耦隔离，差分脉冲信号端口采用TLP2345高速光耦连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，所述隔离输入模块中设置有40路输入端口，且兼容NPN型与PNP型的24V信号输入，采用TLP290-4双向光耦芯片进行隔离。
6.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，所述驱动输出模块中设置有40路驱动输出端口，且采用TV-247光耦芯片隔离STM32引脚与NMOS管，输出5-30V的电压及1A的电流。
7.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，所述模拟量输入模块中使用的芯片为TLV2374IDR芯片。
8.根据权利要求1所述的一种基于嵌入式的供料设备控制系统，其特征在于，所述功能按键模块通过5个功能按键来实现设备的启动、复位、急停、消警、自动/手动切换功能。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311240392.4A CN116991109B (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种基于嵌入式的供料设备控制系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311240392.4A CN116991109B (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种基于嵌入式的供料设备控制系统 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116991109A CN116991109A (zh) | 2023-11-03 |
| CN116991109B true CN116991109B (zh) | 2023-12-15 |
Family
ID=88528680
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311240392.4A Active CN116991109B (zh) | 2023-09-25 | 2023-09-25 | 一种基于嵌入式的供料设备控制系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116991109B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102556629A (zh) * | 2010-12-08 | 2012-07-11 | 浙江霸王衡器有限公司 | 智能配料自动控制系统 |
| CN104216317A (zh) * | 2014-08-15 | 2014-12-17 | 北京佳讯飞鸿电气股份有限公司 | 一种用于提高rs485总线数据传输可靠性的使能信号控制电路 |
| CN106200509A (zh) * | 2016-09-13 | 2016-12-07 | 河北工业大学 | 一种基于嵌入式的电池极片轧机控制器 |
| CN106933170A (zh) * | 2017-05-19 | 2017-07-07 | 河北工业大学 | 基于嵌入式模块化的锂电池极片轧机控制器 |
| CN107065739A (zh) * | 2017-01-23 | 2017-08-18 | 安徽信远包装科技有限公司 | 一种自动配料系统 |
| CN107673083A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-02-09 | 中国计量大学 | 基于变速率学习的螺杆式物料下料装置及其控制器 |
| CN115603620A (zh) * | 2022-08-17 | 2023-01-13 | 成都航空职业技术学院（Cn） | 基于最优线性二次型整定算法的粒料3d打印喷嘴驱动器 |
-
2023
- 2023-09-25 CN CN202311240392.4A patent/CN116991109B/zh active Active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102556629A (zh) * | 2010-12-08 | 2012-07-11 | 浙江霸王衡器有限公司 | 智能配料自动控制系统 |
| CN104216317A (zh) * | 2014-08-15 | 2014-12-17 | 北京佳讯飞鸿电气股份有限公司 | 一种用于提高rs485总线数据传输可靠性的使能信号控制电路 |
| CN106200509A (zh) * | 2016-09-13 | 2016-12-07 | 河北工业大学 | 一种基于嵌入式的电池极片轧机控制器 |
| CN107065739A (zh) * | 2017-01-23 | 2017-08-18 | 安徽信远包装科技有限公司 | 一种自动配料系统 |
| CN106933170A (zh) * | 2017-05-19 | 2017-07-07 | 河北工业大学 | 基于嵌入式模块化的锂电池极片轧机控制器 |
| CN107673083A (zh) * | 2017-09-19 | 2018-02-09 | 中国计量大学 | 基于变速率学习的螺杆式物料下料装置及其控制器 |
| CN115603620A (zh) * | 2022-08-17 | 2023-01-13 | 成都航空职业技术学院（Cn） | 基于最优线性二次型整定算法的粒料3d打印喷嘴驱动器 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116991109A (zh) | 2023-11-03 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN102591244B (zh) | 总线式io采集与控制扩展装置 | |
| CN111290337B (zh) | 一种基于EtherCAT总线的智能数控IO装置 | |
| CN1964363A (zh) | 具有多种总线接口的可配置i/o模块 | |
| CN116991109B (zh) | 一种基于嵌入式的供料设备控制系统 | |
| CN204347549U (zh) | 一种总线式激光控制系统 | |
| CN204331374U (zh) | 一种多通道模拟量输出模块 | |
| CN202093383U (zh) | 基于vpc3+c芯片的电动执行机构的现场总线控制模块 | |
| CN111273612A (zh) | 一种移动机器人运动控制器 | |
| CN113131923A (zh) | 一种源型漏型自动兼容接口电路 | |
| CN202649776U (zh) | 一种纺织机械自动化系统 | |
| CN218446445U (zh) | 一种新型的多协议编码器及io数据的数据采集器 | |
| CN201293928Y (zh) | 基于profibus-dp协议的现场总线控制模块 | |
| CN203930476U (zh) | 一种船用车令传送及执行装置 | |
| CN202093382U (zh) | 基于adm2486芯片的电动执行机构的现场总线控制模块 | |
| CN213210806U (zh) | 一种新型压力自控模块 | |
| CN201876698U (zh) | 多路隔离型可编程控制器 | |
| CN210109585U (zh) | 电机驱动器、自动化设备及自动化控制系统 | |
| CN111614625B (zh) | 通讯协议转换电路及机器人设备 | |
| CN212009331U (zh) | 通讯协议转换电路及机器人设备 | |
| CN204965140U (zh) | 一种可用于数控机床人机交互的简易控制器 | |
| CN219642119U (zh) | 线切割控制板 | |
| CN219875781U (zh) | 一种用于注塑机数据采集的网关设备 | |
| CN205317400U (zh) | 一种稳定型智能压力传感器 | |
| CN214201167U (zh) | 用于主流烟气多光谱分析仪的嵌入式控制系统 | |
| CN216647353U (zh) | 一种Profinet输入输出扩展设备 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |