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(石家莊鐵道大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院，河北 石家莊 050043)

0 引言

注漿泵作為單體專用設(shè)備，應(yīng)用范圍廣泛，如在隧道、礦井采掘、礦井回填、巖石加固等工程中作為專用設(shè)備必不可少。近年來我國的注漿泵制造技術(shù)得到了快速發(fā)展，如滕延鋒[1]設(shè)計了新的液壓系統(tǒng)及控制系統(tǒng)，對注漿流量及壓力進(jìn)行監(jiān)測；張平格等[2]提出了通過液壓系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)雙液注漿比例的調(diào)節(jié)；蒲朝陽等[3]介紹了采用變頻技術(shù)實現(xiàn)的高壓大流量無極變速注漿泵設(shè)計。這些針對單機(jī)的性能和功能上的提升，保證了注漿泵的合理應(yīng)用，但在特殊工程背景下，不能完全滿足工況及功能要求。本文以中國鐵建重工集團(tuán)有限公司的雙護(hù)盾TBM在蘭州新水源1號飲水工程使用為背景，介紹了一種具有制漿、注漿、物料動態(tài)稱量、記錄、數(shù)據(jù)分析及儲存的智能化一體注漿設(shè)備的研制及現(xiàn)場應(yīng)用情況。物料配比按照一定的參數(shù)，這里選用1 m3漿液進(jìn)行配比：水泥250 kg，膨潤土140 kg，中砂1 200 kg，水401 kg。水泥、膨潤土和中砂洞外料場自動配比為混合料輸入料倉，有臺車依次運(yùn)輸?shù)降攸c。料倉采用吊裝替換到位后，動態(tài)稱重系統(tǒng)自動稱重凈重質(zhì)量，選用500 L渦流高速制漿機(jī)，系統(tǒng)根據(jù)計量總重單次遞減輸送795 kg混合料進(jìn)攪拌機(jī)，攪拌機(jī)同步進(jìn)水201 kg，攪拌3 min，電動三通閥自動換向，產(chǎn)品漿液輸送至儲漿罐，成品漿液輸送完畢電動三通閥自動回位，加水、輸料電氣打開形成自動重復(fù)制漿。料倉剩余混合料不足單次制漿量，料倉報警，替換料倉。

1 智能化一體化注漿設(shè)備

該設(shè)備將漿液的制備及其傳送還有注漿集成為一個整體，并采用智能化的物料配比及稱重系統(tǒng)[4]。

1.1 機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)

一體化注漿設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括儲料倉，下料器，配比稱重器、螺旋輸送器、制漿攪拌器、儲料罐、注漿輸送管及注漿泵組成。

1.2 基本工作原理

一體化注漿設(shè)備按功能結(jié)構(gòu)分為機(jī)械結(jié)構(gòu)，混合配比計量控制環(huán)節(jié)，制漿配水控制環(huán)節(jié)，輸料控制環(huán)節(jié)、綜合管理環(huán)節(jié)。其系統(tǒng)功能構(gòu)架如圖2所示。

圖1 一體化注漿設(shè)備結(jié)構(gòu)圖

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)圖

制漿過程為間斷性工作模式，各子系統(tǒng)自成體系，并由綜合管理子系統(tǒng)協(xié)調(diào)。在工作模式下，管理子系統(tǒng)采集儲漿罐液位，并確定是否制漿，在確定制漿后，啟動稱重配料子系統(tǒng)[5]，子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的配比，按順序分別打開A、B下料口，動態(tài)稱重系統(tǒng)計量A、B下料質(zhì)量，完成此項工作后，將實際總質(zhì)量傳送給綜合管理系統(tǒng)。

綜合管理系統(tǒng)啟動輸料系統(tǒng)，將混合料輸送到制漿機(jī)，并將實際混合料質(zhì)量傳送給制漿配水系統(tǒng)，打開電磁閥，有流量計開始計量配水量。并啟動拌合電機(jī)，拌合120 s后，停止拌合。

綜合管理在接收到配水及拌合完成信號后，啟動提升裝置，將漿液輸送到儲漿罐。一次循環(huán)周期接收。綜合管理通過儲液罐液位、輸液管流量數(shù)據(jù)，確定是否開始下一次制漿過程。

1.3 注漿液制備及控制技術(shù)

物料的配比及稱重采用嵌入式控制系統(tǒng)[6]。核心處理單元可對每個物料秤進(jìn)行單獨控制，來進(jìn)行配料的加減?？刂破魍ㄟ^通信接口與工控主機(jī)相連進(jìn)而完成配料的控制，配料數(shù)據(jù)的傳輸與監(jiān)測。該物料配比系統(tǒng)具有方便的操作結(jié)構(gòu)，實時數(shù)據(jù)的處理與控制獨成一體，對于漿液制備及物料配比具有良好的市場前景。

2 動態(tài)稱重系統(tǒng)

動態(tài)稱重與物料配比系統(tǒng)由儲備物料料倉、加料單元、稱重單元、上料裝置和中心控制系統(tǒng)組成。嵌入式動態(tài)稱重單元和中心控制系統(tǒng)是物料自動配比系統(tǒng)的核心。這里選用STM32F103VG處理芯片與微機(jī)組成中心控制系統(tǒng)，該控制系統(tǒng)可以完成兩級分布式控制方式。STM32F103VG處理芯片實現(xiàn)對物料稱重的控制，并可以根據(jù)配比漿液所需物料，單獨實現(xiàn)各種物料的定量配比。工業(yè)控制計算機(jī)完成上位機(jī)系統(tǒng)的操作。

3 系統(tǒng)電路設(shè)計

稱重計量系統(tǒng)由智能稱重裝置和秤臺等組成。該稱重裝置由電源單元、稱重傳感器單元、傳輸信號單元以及稱重單元組成。壓力傳感器測量物體的壓力，壓力信號變換為電信號通過傳輸單元并通過變送器送入ADS1256進(jìn)行信號的采集，ADS1256實現(xiàn)模擬信號到數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號進(jìn)入稱重單元，核心處理器根據(jù)預(yù)先設(shè)定好的稱重公式計算出物料的質(zhì)量。

核心處理芯片選用STM32F103VG集成了常見外設(shè)的總線控制器，這樣設(shè)計和使用外設(shè)將會簡單很多，同時也會減少開發(fā)硬件平臺的時間，降低開發(fā)成本。LCD顯示屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示，打印機(jī)，4×4鍵盤，外存以及JTAG調(diào)試完成了外設(shè)通信。

3.1 傳感器

這里選用S型稱重傳感器DYLY-103，由于需要將采集的信號傳送給核心板，數(shù)字變送器一端為RS485通信接口與核心處理器相連,一端與稱重傳感器相連，變送器選用DYTX-101，通信方式為RS485，也可外接RS232實現(xiàn)通信方式的轉(zhuǎn)換。稱重傳感器固定在支架上，所稱物料的料倉下面安裝有稱重傳感器，稱重料倉質(zhì)量的變化，會由稱重傳感器測得；該設(shè)備依靠傳感器采用遞減計量法，計量精確，采用PLC控制下料器。料倉配備2個以上，由洞外上料，臺車運(yùn)輸交替使用，料倉吊裝到位自動稱重。系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定單次輸送量從總質(zhì)量中依次遞減，輸送量達(dá)到設(shè)置數(shù)值后自動停止。當(dāng)料倉剩余物料的質(zhì)量不夠預(yù)設(shè)標(biāo)定的質(zhì)量時，會停止增加物料，直到發(fā)出增加物料的信號方可加料。稱重系統(tǒng)會對所稱物料的質(zhì)量進(jìn)行判斷，如果達(dá)到所標(biāo)定的質(zhì)量則終止增加物料，這個時候?qū)崿F(xiàn)了一個物料減少的周期，這個周期結(jié)束以后才能夠繼續(xù)減少物料。例如：如果設(shè)定質(zhì)量為300 kg，稱重料斗還剩100 kg時，繼續(xù)增加物料到300 kg，方可進(jìn)行減料。當(dāng)質(zhì)量接近所需要的質(zhì)量時，會采用點動的方式進(jìn)料，直至物料達(dá)到本次所需的質(zhì)量時，加料裝置停止運(yùn)轉(zhuǎn)。所有執(zhí)行機(jī)構(gòu)的開啟與停止，均由控制裝置來控制。誤差主要來源于傳感器的精度和進(jìn)料時的沖力。

3.2 稱重模塊電路設(shè)計

該系統(tǒng)的核心部分為稱重單元，該單元由微控制單元最小系統(tǒng)、矩陣鍵盤,LCD等人機(jī)交互與通信接口所構(gòu)成的外圍電路、模數(shù)接口電路組成，如圖3所示。

圖3 稱重計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1 STM32F103VG最小系統(tǒng)設(shè)計

保證STM32F103VG可靠工作所必須的最小系統(tǒng)由3.3 V電源電路、晶體振蕩器電路、復(fù)位電路，16M的FLASH以及8M的SDARM，JTAG接口電路組成。3.3 V電源電路通過DC-DC轉(zhuǎn)換模塊將電源提供的5 V電壓變換為3.3 V，給STM32F103VG以及其它需要3.3 V的外圍電路供電。10M有源晶振在這里提供系統(tǒng)的工作時鐘。16M FLASH可以存放自己設(shè)定的程序或者所需的操作系統(tǒng)，也可以防止系統(tǒng)掉電以后數(shù)據(jù)丟失，該系統(tǒng)運(yùn)行時主要在SDRAM中。JTAG實現(xiàn)了程序的調(diào)試或者程序的編寫。

3.2.2 外圍接口電路

根據(jù)用戶對物料的稱重要求，設(shè)計并擴(kuò)展了外圍電路，稱重系統(tǒng)包含了3種總線：分別是控制總線、數(shù)據(jù)總線以及地址總線。矩陣鍵盤用于用戶對稱重任務(wù)的初始化設(shè)定，LCD用于顯示稱重結(jié)果，這兩者完成了人機(jī)交互系統(tǒng)。系統(tǒng)提供了集中通信接口RS232用于外接數(shù)字變送器，USB用于外接打印機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)的打印，RS485用于外接其它設(shè)備留做備用。

3.2.3 稱重系統(tǒng)的電源模塊

稱重系統(tǒng)是在車載環(huán)境中使用的嵌入式車載設(shè)備，這里選用24 V蓄電池作為該稱重系統(tǒng)的電源，系統(tǒng)需要給壓力傳感器，數(shù)字信號變送器，ADS1256，4×4矩陣鍵盤以及核心板進(jìn)行供電，其供電直流電壓分別是12 V、5 V、3.3 V、2.5 V和1.2 V(壓力傳感器與數(shù)字變送器相連只需給變送器供電即可，2.5 V是ADS1256的采樣量化參考電壓)。車載24 V電源無法符合配料稱重系統(tǒng)的電壓輸入要求，需要電壓轉(zhuǎn)換單元實現(xiàn)12 V和5 V的電源轉(zhuǎn)換(如圖4所示)，同時使用電壓轉(zhuǎn)換模塊，將穩(wěn)壓電源供給核心電路板，這里需要5 V和3.3 V。同時需要一個DC-DC模塊將5 V的穩(wěn)壓電源變換為1.2 V供給核心處理芯片。

圖4 電源模塊變換電路框圖

3.2.4 ADC接口電路設(shè)計

ADC芯片選用TI公司生產(chǎn)的8通道，高精度高分辨率的ADS1256，內(nèi)部有信號放大，低通濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換?；鶞?zhǔn)電壓由REF1004-2.5產(chǎn)生，簡單的低通濾波由R17，C22組成，通過U4OP350形成一個運(yùn)放。如圖5所示。

圖5 基準(zhǔn)電壓產(chǎn)生電路

圖6為該AD芯片的主要控制電路，其中CS為片選信號，SCLK對串行時鐘脈沖起到輸入作用，所采集信號的輸出與輸入通過DOUT和DIN與核心處理芯片STM32F103VG串口連接。該芯片的狀態(tài)信號通過DRDY以查詢或者中斷方式傳給STM32F103VG。

圖6 ADS1256主控電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖7 主程序流程

該稱重設(shè)備的任務(wù)是核心處理器STM32F103VG通過ADS1256進(jìn)行稱重信號的采樣，然后對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算與處理，得到稱重的結(jié)果，并對結(jié)果進(jìn)行保存打印等。主要的程序流程如圖7所示。程序開始對系統(tǒng)進(jìn)行初始化、稱重任務(wù)在LCD中顯示、ADS1256對稱重信號進(jìn)行采集和核心芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、矩陣鍵盤以及LCD中的程序設(shè)定進(jìn)行人機(jī)交互、RS232，RS485以及USB組成了通信接口，此外還有打印保存以及通用I/O接口。系統(tǒng)的初始化程序當(dāng)中包含了對模數(shù)接口，通信接口，以及核心芯片最小系統(tǒng)的初始化。

系統(tǒng)加電啟動，初始化以后創(chuàng)建新的稱重任務(wù)，啟動A/D轉(zhuǎn)換以后，ADS1256對所采集的信號進(jìn)行采樣、保持、量化得到數(shù)字信號并傳送給處理器，處理器根據(jù)所編寫好的稱重算法，通過LCD顯示所稱物料的質(zhì)量。

5 數(shù)據(jù)處理與分析

壓力傳感器采集到的信號包含平穩(wěn)與噪聲信號，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理算法是先進(jìn)行FFT，把信號放在頻域上進(jìn)行分析，噪聲信號表現(xiàn)為高頻信號。由于采集到的信號在時域與頻域當(dāng)中表現(xiàn)的不同的特性，這里采用小波變換當(dāng)中的多分辨率[7]進(jìn)行分析，就可以分析出不同頻率的特性，達(dá)到去噪的目的。最后利用小波變換的逆運(yùn)算，達(dá)到重構(gòu)的目的，得到了小波去噪后的時域圖。

運(yùn)用小波變換去噪可以分為3步：(1)小波分解。根據(jù)所處理數(shù)據(jù)的特性，選擇合適的小波濾波系數(shù)形成變換矩陣，并確定分解層數(shù)x，對所處理的數(shù)據(jù)進(jìn)行x層小波分解。(2)對所分解的小波的高頻系數(shù)進(jìn)行閾值的量化處理。(3)小波重構(gòu)。對閾值處理后的小波分解的高頻系數(shù)進(jìn)行重構(gòu)。

運(yùn)用小波變換，實現(xiàn)對采集信號的濾波去噪。變換前后的波形如圖8所示，相對于左側(cè)的原始信號，變換后的信號壓力突變區(qū)域變得更加平滑，突變點不那么明顯，噪聲信號得到了有效地抑制。

圖8 小波變換后的數(shù)據(jù)波形

6 結(jié)束語

集成一體化的注漿設(shè)計，解決了傳統(tǒng)漿液的制備與傳送分隔開來的問題，加快了施工進(jìn)程，提升了效率，縮短了施工的周期。同時物料的動態(tài)稱重系統(tǒng)精度高，體積小，能快速準(zhǔn)確地稱出貨物的質(zhì)量。該動態(tài)稱重系統(tǒng)也適用于其它機(jī)械當(dāng)中，具有良好的應(yīng)用前景。