一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统的制作方法
【专利摘要】一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，包括计算机、PC机、协调器节点、RS232和节点无线传感器。在设备终端设有计算机，在破碎机的每个节点设有一个节点无线传感器，在节点无线传感器与计算机之间设有PC机和协调器节点，协调器节点通过RS232与PC机相连，PC机通过通讯电缆与计算机相连接，构成一个完整的无线传感器网络。用计算机控制系统对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，减少了系统线缆敷设量，减少了系统故障发生率，减少了现场工作人员，提高了生产的安全性和可靠性，提高了生产效率和管理水平。
【专利说明】—种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统
【技术领域】
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[0001]本发明涉及机械智能控制系统领域，尤其涉及一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统。
【背景技术】
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[0002]反击式破碎机是一种利用冲击能来破碎物料的破碎机械，经高速转动的锤体与物料碰撞而破碎物料，具有结构简单，破碎比大，生产效率高等特点，它可作干、湿两种破碎，适用于矿山、水泥、煤炭、冶金、建材、公路、燃化等部门，对中等硬度及脆性物料进行细碎，可根据用户要求调整蓖条间隙，改变出料粒度，以满足不同需求，是一种较为常见的传统机械。目前，随着我国资源消耗量的日益增大，矿山产量的大幅提高，对提高破碎机的生产率、降低破碎机运行成本要求越来越高，而现阶段大型破碎机单一的控制和采集、生产与监控的脱节，严重影响了破碎机的质量和效率，亟需向大型化和作业流程自动化的方向发展。据了解，在已使用的破碎系统中，绝大多数未达到系统设计能力，而破碎系统各环节衔接不连贯、破碎机参数设置不合理、破碎机本身故障及组织管理不善等也造成系统生产率和设备使用寿命降低，影响系统效率及运营效益。
[0003]国外的破碎产品技术较高，进口产品一般处理能力强大，单机处理能力可达10000t/h，且可以准确控制产品粒度，破碎粒度上限可达2m，对粘湿物料的适应能力很强，设备运行稳定，故障率极低。最重要的是，国外产品采用智能控制系统，在监控便捷准确的同时，系统可根据进料量、进料粒度自动调整破碎机转速，产品粒度易于控制。而这正是国内产品不能做到的。国内的破碎设施一般需要人工操控，不能实现远程监控，因此无法对机械的工作状态进行有效的了解。此外，人员安全不能保证。而且，国内产品往往是单一的产品，不能有机的将不同功能的产品组合在一起，即无法形成流水作业。
[0004]随着无线技术的飞速发展，工业无线技术日渐成熟，成为工业控制领域一个新的增长点，在现代工厂苛刻的环境条件下，为各种智能现场设备、移动终端以及各种自动化设备之间的通信提供高带宽的无线数据链路和灵活的网络拓扑结构。与有线传输系统相比，无线传输系统节省了电缆、简化了安装，降低了系统维护时间和停工时间，特别适合安装地点易变动、环境恶劣的大型破碎机生产系统。现有较成熟的工业无线技术主要有:WLAN、GPRS、蓝牙，RFID以及ZigBee，考虑到无线技术的应用成本、稳定性和可靠性，选用了基于ZigBee技术的无线模块。本公司经过深入研究，成功研制了基于ZigBee无线模块的智能管控矿石破碎流水生产线，将遍布破碎机各处的传感器、控制器和执行设备联接成测控网络，使得系统中各模块之间数据通讯准确、快速，保证了破碎机自动控制系统结构简单和高可靠性，符合现代工程机械控制技术的发展方向，在国内属于首创。
【发明内容】
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[0005]本发明的目的就是对破碎机生产线进行自动化全面升级，集检测、控制与决策于一身，提供一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统。
[0006]为实现上述目的，本发明采用的技术方案为:
[0007]一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，包括计算机、PC机、协调器节点、RS232和节点无线传感器。在设备终端设有计算机，在破碎机的每个节点设有一个节点无线传感器，在节点无线传感器与计算机之间设有PC机和协调器节点，协调器节点通过RS232与PC机相连，PC机通过通讯电缆与计算机相连接，构成一个完整的无线传感器网络。所述节点无线传感器由给料机节点无线传感器、一次破碎机节点无线传感器、圆振动筛节点无线传感器、二次破碎机节点无线传感器、胶带输送机节点无线传感器组成。各节点无线传感器将该节点的信息经无线电信号传送到协调器节点，协调器节点将得到的信息通过RS232传送到PC机，PC机对信息进行综合处理后传送到计算机，计算机根据破碎机优化控制算法，向PC机发出指令，PC机对指令进行综合处理后通过RS232传送到协调器节点，协调器节点将得到的指令分别传送到各个节点无线传感器，对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，使得以破碎机为核心设备的破碎生产线有机结合在一起，系统可根据监测数据将对整个生产线进行有效调整，提高生产效率和产品质量。
[0008]该系统采用ARM9处理器为核心的微控制器完成设备数据采集与控制，以ZigBee无线技术为支撑的数据通讯完成工业无线数据传输与信息交互，用昆仑通态触控屏开发了计算机人机交互界面，PC机与计算机实现通讯并提供远程监控管理功能。此外，根据破碎机生产工艺，给出了破碎机优化控制算法，以提高破碎系统生产效率。用计算机控制系统对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，使得以破碎机为核心设备的破碎生产线有机结合在一起，系统可根据监测数据将对整个生产线进行有效调整，提高生产效率和产品质量。协调器节点通过RS-232接口与PC机相连，其作为系统控制的上位机，通过触控屏开发的人机交互界面，实现数据的分析处理，并负责对该装置无线网络的各个设备节点进行管理和控制。PC机上主要开发了系统数据库和石料破碎机生产线监控系统界面，并作为服务器实现远程监控功能。各监控节点主要是实现对电机的电压、电流、启、停、运行、故障状态检测以及启停、变速控制，并进行故障报警。本系统采用无线传感器网络，每个节点设有一个无线传感器，每个节点完成不同的功能，终端节点为各个不同功能的传感器节点实现相应的数据采集并进行初步处理。图2为石料破碎机监控系统结构图，采用的相对简单的星型网络拓扑结构，数据和网络命令都通过协调器节点传输，每个节点都实现相应功能并将结果发送给协调器节点。
[0009]此外，根据破碎机生产工艺，给出破碎机优化控制算法，以提高破碎系统生产效率。以一台PC机作为服务器，通过Internet访问，实现用户或管理人员对石料破碎机运行状态、生产情况的远程监控。通过ZigBee无线模块将遍布破碎机各处的传感器、控制器和执行设备联接成测控网络，使得系统中各模块之间数据通讯准确、快速，保证了破碎机自动控制系统结构简单和高可靠性，符合现代工程机械控制技术的发展方向。用计算机控制系统对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，减少了系统线缆敷设量，减少了系统故障发生率，减少了现场工作人员，节约了电能，提高了生产的安全性和可靠性，提高了生产效率和管理水平。
[0010]本发明的有益效果是:用计算机控制系统对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，使得以破碎机为核心设备的破碎生产线有机结合在一起，系统可根据监测数据将对整个生产线进行有效调整，实现连锁控制，界面可视化监控，历史数据管理，网络通信，提高生产效率和产品质量。同时，减少了系统线缆敷设量，降低了安装、维修的成本，减少了系统故障发生率，减少了现场工作人员，提高了生产的安全性和可靠性，提高了生产效率和管理水平。无线监控的加入，将大幅度提升国内矿物破碎加工效率，以及加工产品的质量，加工过程的安全性可靠性。这对冶金、化工、矿山、电力、陶瓷、水泥、建筑和筑路等行业均有显著提升作用。
【专利附图】
【附图说明】
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[0011]下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
[0012]图1破碎机流水线监控系统结构
[0013]图2协调器节点硬件控制原理示意图
【具体实施方式】
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[0014]矿物破碎流水线简介:
[0015]矿物破碎流水生产线包括振动式给料机、破碎机、圆振动筛、振动式回料机以及胶带输送机。其工作流程为铲车等将石料卸入给料机料仓，由振动式给料机将石料运送给破碎机，破碎机利用其转子高速旋转产生的冲击力、以及石料相互撞击力来破碎石料，石料由大到小在破碎腔内重复进行破碎，直到石料被破碎至所需粒度，由出料斗排出。经过一次破碎的石料进入石料中转仓经圆振动筛筛选，符合粒度要求的石料经胶带输送机输送至石料储存仓，不符合要求的石料进入振动式回料机进行二次破碎。
[0016]如图1所示，一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，包括计算机、PC机、协调器节点、RS232和节点无线传感器。在设备终端设有计算机，在破碎机的每个节点设有一个节点无线传感器，在节点无线传感器与计算机之间设有PC机和协调器节点，协调器节点通过RS232与PC机相连，PC机通过通讯电缆与计算机相连接，构成一个完整的无线传感器网络。所述节点无线传感器由给料机节点无线传感器、一次破碎机节点无线传感器、圆振动筛节点无线传感器、二次破碎机节点无线传感器、胶带输送机节点无线传感器组成。各节点无线传感器将该节点的信息经无线电信号传送到协调器节点，协调器节点将得到的信息通过RS232传送到PC机，PC机对信息进行综合处理后传送到计算机，计算机根据破碎机优化控制算法，向PC机发出指令，PC机对指令进行综合处理后通过RS232传送到协调器节点，协调器节点将得到的指令分别传送到各个节点无线传感器，对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，使得以破碎机为核心设备的破碎生产线有机结合在一起，系统可根据监测数据将对整个生产线进行有效调整，提高生产效率和产品质量。在设备终端，采用ARM9处理器为核心的微控制器完成设备数据采集与控制，以ZigBee无线技术为支撑的数据通讯完成工业无线数据传输与信息交互，协调器节点通过RS232与上位机相连，用昆仑通态触控屏开发了上位机人机交互界面，PC机与上位机实现通讯并提供远程监控管理功能。此外，根据破碎机生产工艺，给出了破碎机优化控制算法，以提高破碎系统生产效率。用计算机控制系统对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，使得以破碎机为核心设备的破碎生产线有机结合在一起。协调器节点通过RS-232接口与PC机相连，其作为系统控制的上位机，通过触控屏开发的人机交互界面，实现数据的分析处理，并负责对该装置无线网络的各个设备节点进行管理和控制。PC机上主要开发了系统数据库和石料破碎机生产线监控系统界面，并作为服务器实现远程监控功能。各监控节点主要是实现对电机的电压、电流、启、停、运行、故障状态检测以及启停、变速控制，并进行故障报警。本系统采用无线传感器网络，每个节点完成不同的功能，终端节点为各个不同功能的传感器节点，实现相应的数据采集并进行初步处理。
[0017]图2为石料破碎机监控系统结构图，采用的相对简单的星型网络拓扑结构，数据和网络命令都通过协调器节点传输，每个节点都实现相应功能并将结果发送给协调器节点。ARM9控制板实现数据的收发、分析处理，触控屏选用昆仑通态TPC1062K，实现石料破碎机整个运行系统的监控及故障报警，并建立数据库供现场人员分析设备生产状况及隐形故障。
[0018]此外，根据破碎机生产工艺，给出破碎机优化控制算法，以提高破碎系统生产效率。以一台PC机作为服务器，通过Internet访问，实现用户或管理人员对石料破碎机运行状态、生产情况的远程监控。通过ZigBee无线模块将遍布破碎机各处的传感器、控制器和执行设备联接成测控网络，使得系统中各模块之间数据通讯准确、快速，保证了破碎机自动控制系统结构简单和高可靠性，符合现代工程机械控制技术的发展方向。用计算机控制系统对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，减少了系统线缆敷设量，减少了系统故障发生率，减少了现场工作人员，提高了生产的安全性和可靠性，提高了生产效率和管理水平。
[0019]主要实现功能:
[0020]1.实现连锁控制，启动顺序:胶带输送机一给料机一一次破碎机一圆振动筛一二次破碎机；停车顺序:给料机一一次破碎机一圆振动筛一二次破碎机一胶带输送机；
[0021]2.界面可视化监控；
[0022]3.历史数据管理；
[0023]4.网络通信。
[0024]总之，以一台PC机作为服务器，通过Internet访问，可实现用户或管理人员对石料破碎机运行状态、生产情况的远程监控。通过ZigBee无线模块将遍布破碎机各处的传感器、控制器和执行设备联接成测控网络，使得系统中各模块之间数据通讯准确、快速，保证了破碎机自动控制系统结构简单和高可靠性，符合现代工程机械控制技术的发展方向。用计算机控制系统对整个破碎机生产线实现远程控制和管理，减少了系统线缆敷设量，减少了系统故障发生率，减少了现场工作人员，提高了生产的安全性和可靠性，提高了生产效率和管理水平。
[0025]ZigBee主要有如下特点:
[0026](I)工作频段灵活:使用的频段分别为2.4GHz, 868MHz (欧洲)及915MHz (美国)，均为免执照频段。
[0027](2)时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延都非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms，活动设备信道接入的时延为15ms。
[0028](3)网络容量大:一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活，传输速率为1Kbps?250Kbps。
[0029](4)可靠:采取了碰撞避免策略，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用了完全确认的数据传输模式，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，如果传输过程中出现问题可以进行重发。
[0030]本系统选用了 ZigBee组网中的星型拓扑结构。它具有天然的分布式处理能力，星型中的协调节点就是分布式处理中心，即它具有路由功能，也有一定的数据处理和融合的能力，每个终端无线传感器节点都把数据传给其所在拓扑的路由节点，在路由节点完成数据简单、有效的融合，然后对处理后的数据进行转发。
[0031]微控制器及控制节点:
[0032]微控制器是整个系统的中心部分，单片机体积小、重量轻、抗干扰能力强、对环境要求不高、价格低廉、可靠性高、灵活性好、开发较为容易，自问世以来以其极高的性价比一直受到人们的重视和关注。在本系统中，选用控制器时，应保证提供足够大的存储(包括数据和程序存储器)空间，以便用于协议栈的移植以及用户上层应用程序开发用于上层应用程序开发，一般协调器所需ROM量64KB左右，而终端节点应该32KB左右。考虑到无线收发芯片采用SPI总线作为其数据和控制信号的传输载体，选用带有SPI总线的微处理器ARM9。
[0033]破碎机优化控制算法:
[0034]为了提高破碎机的工作效率，降低成本，保障破碎机充满给料，尽量不使破碎机振动导致破碎机的各部件损坏，该系统融入PI控制算法，以一次破碎机电流值为反馈信号，通过PI调节器调节变频器频率形成破碎机给料闭环控制。首先设定破碎机的电流值，然后根据破碎机的电流变化信号，得到破碎机的电流变化率即电流的偏差信号，去控制破碎机给矿皮带变频器的频率，从而改变破碎机的给矿量。当破碎机实际电流数值与设定值比较变大时，PI调节器就会自动将给矿速度下调，直到与设定值相等。当破碎机实际电流数值与设定值比较变小时，PI调节器就会自动将给矿速度上调，直到与设定值相等，使破碎机一直处于充满给矿状态，保持破碎机稳定运行发挥最大效率。
[0035]破碎机应用领域广泛，涵盖冶金、建筑、有色金属、化工等多个行业，市场前景极其广阔。但由于技术落后，目前市场上尚没有采用无线终端监控生产流程的产品。本项目不仅对主要器械破碎机进行无线监控，而且对整个生产流程的关键节点都进行了无线监控，在国内尚属首次。本产品的研发成功，成功填补了国内市场的空白，是一款市场前景十分优异的产品。
【权利要求】
1.一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，包括计算机、PC机、协调器节点、RS232和节点无线传感器，其特征在于:在设备终端设有计算机，在破碎机的每个节点设有一个节点无线传感器，在节点无线传感器与计算机之间设有PC机和协调器节点，协调器节点通过RS232与PC机相连，PC机通过通讯电缆与计算机相连接，构成一个完整的无线传感器网络，采用ARM9处理器为核心的微控制器完成设备数据采集与控制，以ZigBee无线技术为支撑的数据通讯完成工业无线数据传输与信息交互，用昆仑通态触控屏开发了计算机人机交互界面，PC机与计算机实现通讯并提供远程监控管理功能。
2.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，其特征在于:所述协调器节点通过RS-232接口与PC机相连，其作为系统控制的计算机，通过触控屏开发的人机交互界面，实现数据的分析处理，并负责对该装置无线网络的各个设备节点进行管理和控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，其特征在于:采用的相对简单的星型网络拓扑结构，数据和网络命令都通过协调器节点传输，每个节点都实现相应功能并将结果发送给协调器节点。
4.根据权利要求1所述的一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，其特征在于:所述ARM9微控制器实现数据的收发、分析处理，触控屏选用昆仑通态TPC1062K，实现石料破碎机整个运行系统的监控及故障报警。
5.一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，其特征在于:根据破碎机生产工艺，给出了破碎机优化控制算法。
6.根据权利要求5所述的一种基于ZigBee无线技术的破碎机远程智能监控系统，其特征在于:所述破碎机优化控制算法为:首先设定破碎机的电流值，然后根据破碎机的电流变化信号，得到破碎机的电流变化率即电流的偏差信号，去控制破碎机给矿皮带变频器的频率。
【文档编号】G05B19/418GK104407572SQ201410475207
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】孙启祥, 马驰, 孙法虎 申请人:枣庄市金山机械有限公司