邵 軍 許浩峰 雷宇紅

(上海自動(dòng)化儀表股份有限公司技術(shù)中心，上海 200072)

分體式電子皮帶秤的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

邵 軍 許浩峰 雷宇紅

(上海自動(dòng)化儀表股份有限公司技術(shù)中心，上海 200072)

針對(duì)工礦領(lǐng)域散裝物料動(dòng)態(tài)計(jì)量存在計(jì)量精度低、計(jì)量設(shè)備運(yùn)行欠穩(wěn)定等問題，對(duì)動(dòng)態(tài)稱重工作原理進(jìn)行分析研究，設(shè)計(jì)了一套分體式電子皮帶秤作為動(dòng)態(tài)計(jì)量設(shè)備。設(shè)備通過ARM7芯片對(duì)物料重量信號(hào)和速度信號(hào)實(shí)施實(shí)時(shí)采集，并依據(jù)動(dòng)態(tài)計(jì)量計(jì)算公式，實(shí)現(xiàn)物料流量的實(shí)時(shí)計(jì)算。設(shè)備同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA模擬信號(hào)輸出接口和RS-232通信接口，工廠DCS和本地上位機(jī)可以通過上述接口實(shí)施設(shè)備監(jiān)控。產(chǎn)品測試和應(yīng)用表明，該方案設(shè)計(jì)的電子皮帶秤運(yùn)行可靠，計(jì)量精度高，產(chǎn)品適用性好。

電子皮帶秤 動(dòng)態(tài)稱量 ARM7 重量采樣 速度采樣 流量計(jì)算

0 引言

電子皮帶秤是皮帶輸送機(jī)輸送固體散裝物料過程中對(duì)物料進(jìn)行連續(xù)稱重的一種計(jì)量設(shè)備。它可以在不中斷物料流的情況下測量出皮帶輸送機(jī)上通過物料的瞬時(shí)流量和累積流量。

長期以來，物料的計(jì)量主要采用靜態(tài)分批方式稱重，如使用各種臺(tái)秤、地磅衡、料斗秤等。這樣的稱重方式要求有一個(gè)專門的稱重工序，且在物料處于靜態(tài)的情況下進(jìn)行稱重。而對(duì)于大規(guī)模生產(chǎn)所要求的連續(xù)運(yùn)行工藝過程來說，固體物料分批稱重破壞了輸送過程的連續(xù)性，這往往是不允許的;隨著生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大，由皮帶輸送機(jī)輸送的物料每小時(shí)高達(dá)數(shù)百噸、數(shù)千噸甚至數(shù)萬噸，在這種情況下，需要增加龐大的稱重設(shè)備且花費(fèi)過多的時(shí)間，在經(jīng)濟(jì)上也是非常不合算的。這兩點(diǎn)是皮帶秤存在廣泛的市場需求的基本原因。

皮帶秤的優(yōu)點(diǎn)可以概括為連續(xù)和自動(dòng)，即皮帶秤可以在輸送物料的過程中同時(shí)完成稱重，且在稱重的整個(gè)過程中不需要人工干預(yù)［1］。

1 皮帶秤系統(tǒng)組成及工作原理

1.1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由流量積算器、信號(hào)轉(zhuǎn)換器、秤架、速度傳感器、稱重傳感器等5部分組成，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 皮帶秤系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 The composition of belt weighing system

為使系統(tǒng)免受落料沖擊，系統(tǒng)稱重橋架安裝在傳送帶中端靠后的托滾位置上，橋架根據(jù)力平衡原則安裝一組或者兩組稱重傳感器。加裝速度傳感器的同步轉(zhuǎn)輪通常安裝在秤架正下方皮帶中線左右，可以避免速度測量受皮帶跑偏影響［2］。接收上述兩組信號(hào)的轉(zhuǎn)換器通常安裝在橋架位置的落地支架側(cè)面。積算器與轉(zhuǎn)換器通過RS-485通信總線連接，通常安裝在傳送帶橋架附近的儀表箱中。上位機(jī)設(shè)置在監(jiān)控室中，通過另外一條RS-485通信總線可與現(xiàn)場多個(gè)積算器相連。

1.2 系統(tǒng)動(dòng)態(tài)計(jì)量原理

轉(zhuǎn)換器通過電橋測量由稱重傳感器傳送過來的質(zhì)量壓電信號(hào)，并完成模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)化;轉(zhuǎn)換器通過脈沖計(jì)數(shù)測量得到表示皮帶速度的參數(shù)-脈沖增量。積算器通過RS-485通信總線，以主從通信的方式定時(shí)與轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，獲得轉(zhuǎn)換器上傳的質(zhì)量參數(shù)和速度參數(shù)。積算器將接收到的質(zhì)量參數(shù)和速度參數(shù)還原成該時(shí)間段內(nèi)通過秤架的物料小段的信息，通過這些信息實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)計(jì)量?；居?jì)量原理公式如下:

式中:dW為任意時(shí)間小段內(nèi)通過秤架的物料質(zhì)量，kg;q為該時(shí)間小段內(nèi)物料的線密度，kg/m;dx為該時(shí)間小段內(nèi)皮帶運(yùn)動(dòng)的長度，m;v為該時(shí)間小段內(nèi)皮帶的傳動(dòng)速度，m/s;dt為該小段時(shí)間的長度，s;W為在較長時(shí)間段內(nèi)通過秤架的物料質(zhì)量，kg;t0為該較長時(shí)間段的起始時(shí)刻點(diǎn)，s;t1為該較長時(shí)間段的終點(diǎn)時(shí)刻點(diǎn)，s;ADload為儀表載荷稱量時(shí)儀表測量的質(zhì)量信號(hào)采樣值;ADbelt為皮帶經(jīng)過“調(diào)皮”標(biāo)定過程測量得出的皮帶動(dòng)態(tài)情況下A/D采樣的平均效應(yīng)值;K為計(jì)量系數(shù)，kg/m;ΔN為皮帶移動(dòng)距離脈沖，m。

式(4)是將式(3)離散化并引入實(shí)際參數(shù)得到的。系統(tǒng)在“載荷稱量”之前，先進(jìn)行“空載調(diào)皮”操作，獲得一個(gè)反映皮帶空載特性運(yùn)行的參數(shù)ADbelt;然后再進(jìn)行“標(biāo)定”操作，獲得一個(gè)反映皮帶載荷特性的參數(shù)K。

2 主要電路

主要電路包括質(zhì)量信號(hào)采樣電路、速度信號(hào)采樣電路以及CPU主板和通信電路。

2.1 質(zhì)量信號(hào)采樣電路

稱重傳感器采用TEDEA 616，采樣電路以芯片ADS1232為核心設(shè)計(jì)。ADS1232是一款高度集成的Δ-Σ模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以滿足低電平、高精度測量要求。采樣輸出速率為每秒80次采樣，采樣有效位接近23位，適用于衡器應(yīng)用［3］。傳感器采樣電路原理圖如圖2所示。

圖2中:+in和-in為該傳感器的激勵(lì)輸入端，由轉(zhuǎn)換器引出，為5 V;+sense和-sense為激勵(lì)反饋端，引向轉(zhuǎn)換器做模數(shù)轉(zhuǎn)換;+out和-out為傳感器的信號(hào)輸出，由傳感器受重和具體傳感器量程決定。本設(shè)計(jì)中傳感器額定輸出為2 mV/V，所以模擬信號(hào)范圍在10 mV以內(nèi)。系統(tǒng)通常使用4組傳感器，4組傳感器的輸出電壓信號(hào)經(jīng)一個(gè)接線盒作阻值平衡調(diào)節(jié)，最終形成一路模擬量信號(hào)做模數(shù)轉(zhuǎn)換。

圖2 傳感器采樣電路圖Fig.2 Sampling circuit of sensors

2.2 速度信號(hào)采樣電路

速度信號(hào)采樣電路利用測速傳感器機(jī)械滑輪與傳送帶之間靜摩擦產(chǎn)生齒輪旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而產(chǎn)生與皮帶速度相關(guān)聯(lián)的電脈沖信號(hào)，電路原理如圖3所示。

圖3 速度傳感器采樣電路圖Fig.3 Sampling circuit of speed sensors

當(dāng)同步齒輪隨皮帶轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，信號(hào)端產(chǎn)生的脈沖信號(hào)經(jīng)過光耦隔離，傳送至轉(zhuǎn)換器的處理器中。轉(zhuǎn)換器處理器根據(jù)計(jì)算節(jié)拍內(nèi)脈沖計(jì)數(shù)增量和齒輪齒距規(guī)格，計(jì)算出這段時(shí)間皮帶移動(dòng)的距離，進(jìn)而計(jì)算出皮帶在這段時(shí)間內(nèi)的速度。

2.3 CPU以及通信電路

處理器采用ST公司的ARM7系列STR731F芯片。該芯片是32位RISC指令集ARM7TDMI內(nèi)核芯片，通過外接8 MHz晶振，配置啟用PLL模塊，可工作在24 MHz主頻上，處理速度滿足數(shù)據(jù)計(jì)算、通信等要求。芯片帶有4個(gè)UART口，滿足系統(tǒng)需要的通信端口數(shù)量要求;芯片運(yùn)行適用溫度范圍為-40～85℃［4］，匹配系統(tǒng)戶外運(yùn)行要求;芯片通過JTAG接口配合使用IAR EWARM集成開發(fā)工具，可以實(shí)現(xiàn)在線仿真，便于調(diào)試［5］;配合MAX705作為外置式復(fù)位電路，可以在系統(tǒng)工作異常時(shí)重置處理器。通信電路主要器件采用了光耦TLP521和RS-485 收發(fā)器 SN65HVD［6］。

3 主要軟件模塊

3.1 計(jì)算模塊

計(jì)算模塊如圖4所示。

圖4 計(jì)算模塊Fig.4 Calculation module

考慮到通常情況下皮帶速度和信號(hào)采樣模型，系統(tǒng)的計(jì)算間隔時(shí)間定為100 ms，即每100 ms數(shù)據(jù)就位一次，積算器將收到數(shù)據(jù)幀中的質(zhì)量采樣值和表示位移的脈沖增量相乘，乘積填充至堆棧進(jìn)行濾波處理，然后經(jīng)過數(shù)值與單位換算得出該100 ms內(nèi)的物料流量。經(jīng)過判斷，該物料流量若處于“死區(qū)流量”之上，則利用式(5)計(jì)算出該時(shí)間段內(nèi)的物料增量，最后更新物料的總累計(jì)值。

3.2 通信模塊

通信模塊如圖5所示。

圖5 通信模塊Fig.5 Communication module

在轉(zhuǎn)換器的通信模塊中，積算器與轉(zhuǎn)換器之間采用主從通信結(jié)構(gòu)［7］。積算器作為主設(shè)備依靠定時(shí)器定時(shí)間隔100 ms與轉(zhuǎn)換器做請(qǐng)求應(yīng)答通信。作為從設(shè)備，當(dāng)接收到正確的主機(jī)通信后，轉(zhuǎn)換器首先更改RS-485總線的通信方向，再將發(fā)送緩存中首地址對(duì)應(yīng)的內(nèi)容送至UART端口的發(fā)送寄存器中，并啟動(dòng)字節(jié)間隔定時(shí)器。當(dāng)字節(jié)間隔定時(shí)器到，將發(fā)送緩存中上次傳送數(shù)據(jù)地址的下一個(gè)地址對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)送至UART端口的發(fā)送寄存器中，并判斷此時(shí)數(shù)據(jù)幀是否已發(fā)送完。若發(fā)送完，則更改通信方向等待下一次主機(jī)請(qǐng)求;若沒有發(fā)送完，則重啟字節(jié)間隔定時(shí)器，等待下一次定時(shí)時(shí)間到再繼續(xù)發(fā)送。

4 結(jié)束語

電子皮帶秤作為散裝物料連續(xù)自動(dòng)稱重領(lǐng)域內(nèi)主流計(jì)量設(shè)備，已有多年應(yīng)用和發(fā)展歷史。本文所述方案較傳統(tǒng)方案，具有拍計(jì)算間隔短、數(shù)據(jù)處理精度高等特點(diǎn)，依據(jù)本文所設(shè)計(jì)的電子皮帶秤樣機(jī)經(jīng)應(yīng)用測試，最高精度能夠達(dá)到0.07%。同時(shí)，系統(tǒng)支持在線仿真調(diào)試，可以方便地開展現(xiàn)場異常數(shù)據(jù)分析，為故障分析和解決提供高效支持。同時(shí)，系統(tǒng)配有豐富的外設(shè)信號(hào)端口，如4～20 mA信號(hào)和RS-232，可以方便地與工廠DCS和現(xiàn)場上位機(jī)設(shè)備相連;經(jīng)過軟件微調(diào)，可以實(shí)現(xiàn)諸如上位機(jī)數(shù)據(jù)庫輸入、微型打印機(jī)輸出［8］等輔助功能，以及分爐計(jì)量［9］、給料機(jī)［10］等特殊功能，最大限度滿足不同用戶需求。試驗(yàn)結(jié)果和工程應(yīng)用均表明該設(shè)計(jì)方案的有效性和優(yōu)越性，具有很好的工程應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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Design and Implementation of the Split Type Electronic Belt Weigher

Aiming at the problems in dynamic metering for bulk materials in industrial and mining fields，e.g.，poor accuracy and unstable operation of the metering devices，the operational principle of dynamic weighing is analyzed and researched，as well as the split type electronic belt weigher is designed as the dynamic metering facility.In the facility，real-time acquisition of the weighing signals and speed signals of the materials is implemented via ARM7，and in accordance with dynamic metering calculation formula，real-time calculation of the material flow is realized.The facility possesses both standard 4 ～20 mA output interface and RS-232 communication interface，through these interfaces，the DCS or host computer in the plant is able to monitor this facility.The test and application of the product show that the electronic belt weigher designed by this strategy runs reliably，and offers high accuracy and applicability.

Electronic belt weigher Dynamic weighing ARM7 Weight signal sampling Speed signal sampling Flow calculation

TH715

A

修改稿收到日期:2012-02-21。

邵軍(1978-)，男，2004年畢業(yè)于大連理工大學(xué)檢測儀表與自動(dòng)化裝置專業(yè)，獲碩士學(xué)位，工程師;主要從事嵌入式軟件、控制系統(tǒng)、智能儀器等方面的研究。