梁 瑋,高天德

(西北工業(yè)大學(xué) 航海學(xué)院，西安 710072)

0 引言

隨著工業(yè)化的快速發(fā)展，工業(yè)生產(chǎn)中對自動化的要求越來越高。在工業(yè)生產(chǎn)中，有些原材料，中間產(chǎn)品及最終成品的物質(zhì)性質(zhì)是固體狀態(tài)(如煤炭、水泥、塑料顆粒、飼料、燃燒廢料、糧食等各種粉狀、塊狀、顆粒狀的物料)，在存儲、轉(zhuǎn)運等過程中對這類物料的料位難以測量。但是及時準(zhǔn)確的測量料倉中的物料料位對自動化生產(chǎn)中的生產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)和科學(xué)調(diào)度具有重要的意義。

火力發(fā)電廠在作業(yè)過程中，產(chǎn)生的燃燒廢料需要進行二次加工等操作，因此需要進行存儲，料倉要進出料。為了提高工作效率和安全生產(chǎn)，需要對廢料倉里的廢料料位進行測量。由于工況比較惡劣，廢料溫度高，料倉表面溫度很高，以往的測量液位的方法在這種工況下完全不能使用，如浮子式，壓差式等。由于技術(shù)難度大裝置成本高固態(tài)物料的料位計沒有液位測量經(jīng)驗豐富，很多工況下沒有找到比較理想的解決方案。但由于工業(yè)自動化的高速發(fā)展，對固體物料的料位測量需求越來越迫切[1]。

以往的料位測量技術(shù)總會因為固體物料中粉塵大，揚塵嚴(yán)重，進料時易產(chǎn)生虛假回波造成誤報，造成可靠性降低?；蚴怯捎谖锪系酿ば曰驖穸容^大，物料的顆粒度較大等原因造成探頭被物料黏著或者被沖擊損壞，造成誤報。亦或是因為受溫度和其他外界環(huán)境影響，介電常數(shù)的變化，造成誤報?？煽啃暂^高的無源核輻射料位計的價格昂貴，也很難得到較好普及。

總結(jié)以往的料位測量技術(shù)，由于與被測物料或被測物料上方介質(zhì)接觸導(dǎo)致可靠性降低，為解決火力發(fā)電廠[2]廢料倉的物料料位測量問題，設(shè)計基于振動的固態(tài)物料[3-6]料位計模塊。這是一種不與物料或其上方介質(zhì)接觸的，對介電常數(shù)和密度穩(wěn)定性沒有要求的，沒有放射污染的，一種環(huán)保、安全、性價比高的料位測量技術(shù)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

振動的物體在振動時會遭到各種阻力的作用，阻尼的作用使得振動的物體機械能被以波的形式將轉(zhuǎn)換成其他形式能的機械能向外傳播消耗掉，使振動的振幅不斷減小，最終停止振動。當(dāng)物體的振動幅度到達最大值時的頻率為共振頻率，當(dāng)料倉中的物料量不同，對料倉外部進行激振時，料倉的共振頻率不同。通過采集大量的不同料位下的振動信號，對采集到的振動信號進行頻譜分析發(fā)現(xiàn)不同料位的振動峰值對應(yīng)的頻率不同。將每一次振動的信號進行傅里葉變化，取出峰值點及其對應(yīng)的頻率與料位信息發(fā)現(xiàn)同樣料位高度對應(yīng)的峰值和頻率是固定的，由此得到了頻譜峰值測量法。

頻譜峰值測量法：在料倉壁上等間距布放加速度傳感器，使用激振器在擊振點擊振，將采集到的三路傳感器信號進行采集，將采集到的振動信號進行頻譜處理，取得頻譜峰值及對應(yīng)頻率，以三路傳感器采集的振動信號的頻譜峰值點和對應(yīng)頻率為特征量，進行最小二乘學(xué)習(xí)，得到料位信息和頻譜峰值的關(guān)系式。關(guān)系式參數(shù)如圖1所示。

圖1 峰值頻譜料位參數(shù)

相位差測量法：當(dāng)波在不同介質(zhì)中傳播時，波的波長發(fā)生改變，波長改變引起相位差發(fā)生改變。相位差測量法根據(jù)不同介質(zhì)中相位差不同推導(dǎo)出料位位置公式。y=xΦ+Φ滿PB+Φ空PA，x為A、B或B、C之間的距離，Φ滿為料位滿的時候A、B或B、C之間的相位差，Φ空為料位空的時候A、B或B、C之間的相位差，Φ為物料位于兩傳感器之間時兩點之間的相位差。P為傳感器位置。

在工廠作業(yè)時，將加速度傳感器等間距布放在料倉壁，以一定的時間間隔通過加速度傳感器采集振動信號，傳感器通過信號線將振動信號傳給單片機，傳感器與單片機使用IIC通信協(xié)議進行通信。單片機進行料位信息的計算后輸出料位信息。料位信息采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流環(huán)和兩個料位開關(guān)表示，料位高低對應(yīng)電流高低，料位開關(guān)表示極值情況下的料位。系統(tǒng)安裝示意圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)安裝示意圖

通過實驗對比，系統(tǒng)最終采用頻譜峰值測量法，頻譜峰值測量法誤差小，易實現(xiàn)，原理簡單。為保證系統(tǒng)的料位計算的準(zhǔn)確性，通過采集大量樣本數(shù)據(jù)，擬合特征量與料位信息的關(guān)系曲線。料位測量由信號采集、料位計算、料位信息輸出3個大模塊完成。采集到振動信號后，傳輸?shù)綄懞昧衔挥嬎闼惴ǔ绦虻牧衔挥嬎隳K，料位計算模塊將計算好的料位信息傳給料位信息輸出模塊輸出料位信息，從而完成料位的測量。

系統(tǒng)由主控芯片、電源模塊、料位開關(guān)、料位顯示模塊和傳感器模塊組成。其中主控芯片選用STM32F103ZET6，主控芯片主要完成料位的計算以及輸出料位信息。料位計算方法采用比較穩(wěn)定的頻譜峰值測量法。單片機求出料位特征量后代入Matlab提前擬合好的料位計算公式。單片機輸出不同占空比的PWM波表示不同料位的料位信息。傳感器負責(zé)完成信號采集并上傳至單片機。XTR116和兩路料位開關(guān)負責(zé)料位信息的輸出表示，PWM波經(jīng)過濾波隔離放大后輸出給XTR116電壓轉(zhuǎn)電流模塊，XTR116輸出4～20 mA的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)電流環(huán)表示料位信息。當(dāng)料位在兩個極端料位時，料位開關(guān)打開。系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 主控芯片

STM32F103ZET6是基于ARM Cortex-M3內(nèi)核的微處理器，帶有DSP和浮點運算，CPU頻率72 MHz，且外設(shè)豐富，且有豐富完善的固件庫，對功耗的控制很好，有睡眠、停機和待機等模式工作時可以使系統(tǒng)功耗降低。該芯片運行頻率72 MHz、帶有512 kflash。5個USART接口、2個IIC接口、112個快速I/O端口、1個SDIO接口，12通道DMA控制器。多達11個定時器，4個16位定時器，每個定時器有多達4個用于輸入捕獲/輸出比較/PWM或脈沖計數(shù)的通道和增量編碼器輸入。改變計數(shù)值就可以改變PWM波的占空比。滿足系統(tǒng)使用不同占空比的PWM波來表示料位信息的需求?？焖買/O口的數(shù)量足夠用于三路軟件模擬IIC的需求，足夠完成采集振動信號的任務(wù)以及兩路料位開關(guān)的控制。串口可以實現(xiàn)與PC端的通信，方便硬件調(diào)試時將調(diào)試信息打印至PC端。SDIO口可以掛載SD卡滿足前期數(shù)據(jù)采集存儲的需求。單片機的存儲和計算能力滿足對振動信號進行FFT及料位計算的需求。單片機的內(nèi)部架構(gòu)如圖4所示，單片機的最小系統(tǒng)如圖5所示。

圖4 STM32F103ZET6內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖5 單片機最小系統(tǒng)

2.2 信號采集電路

傳感器模塊的作用是將料倉壁上的振動信號采集并傳到主控芯片。我們選擇了Analog Devices公司生產(chǎn)的ADXL345加速度傳感器，這款傳感器能測量運動或者沖擊導(dǎo)致的動態(tài)加速度，量程最大可達±16 g，分辨率高最高達13位，輸出數(shù)據(jù)速率最高達3 200 Hz，測量模式下功耗低至23 μA，尺寸僅為3 mm×5 mm×1 mm，電壓工作范圍為2.0 V至3.6 V，可以通過I2C和SPI數(shù)字接口進行訪問。這個傳感器滿足了系統(tǒng)的功能需求，因為傳感器輸出的是數(shù)字量，因此系統(tǒng)可以減少ADC部分的設(shè)計，減小了PCB板的空間壓力，工作電壓也可以使用3.3 V與單片機匹配減少電壓軌道。信號采集電路如圖6所示。

圖6 傳感器模塊電路

2.3 料位信息輸出模塊

料位信息輸出電路的作用是將主控芯片計算好的料位信息輸出，料位信息輸出電路主要由濾波、隔離、電壓轉(zhuǎn)電流電路組成。主控芯片將料位信息以PWM波的方式輸出，PWM經(jīng)過濾波電路轉(zhuǎn)換成直流電壓，通過光耦隔離電路后輸入電壓轉(zhuǎn)電流電路以電流的形式輸出料位信息。前端采用三階低通濾波器將輸出的PWM波濾成直流電壓，濾波器截止頻率使用公式:f=1/π2(RC)計算，信號從濾波器輸出后，經(jīng)過一個跟隨放大器對前后級阻抗進行隔離，再用一個放大器將電壓信號轉(zhuǎn)換為電流信號，信號經(jīng)過一個光耦隔離將前后級隔離，光耦隔離芯片的輸出信號，經(jīng)過放大器轉(zhuǎn)換成電壓信號輸入至電壓轉(zhuǎn)電流芯片，電壓轉(zhuǎn)電流芯片輸出4～20 mA電流表示料位信息。

料位信息輸出模塊所使用的放大器都選用ADI公司的AD8626運算放大器，該芯片為單通道放大器具有超低失調(diào)、漂移和偏置電流特性。適用于本系統(tǒng)的設(shè)計。光耦隔離電路選用Avago公司的高線性光耦隔離HCNR201芯片，該芯片實現(xiàn)了主控系統(tǒng)與電壓轉(zhuǎn)電流模塊電路的隔離。電壓轉(zhuǎn)電流模塊選用TI公司的XTR116U芯片，該芯片可以實現(xiàn)在整個工業(yè)電流環(huán)內(nèi)發(fā)送4～20 mA的模擬信號，有精確的電流定標(biāo)和輸出電流限制功能。芯片滿足系統(tǒng)的工況要求。料位信息輸出電路如圖7所示。

圖7 料位信息輸出電路

2.4 料位開關(guān)

系統(tǒng)設(shè)計有兩路料位開關(guān)，通過單片機控制繼電器的通斷完成料位開關(guān)的功能。系統(tǒng)使用SI2302N溝道場效應(yīng)管對ATQ2繼電器進行驅(qū)動，IO控制場效應(yīng)管的通斷，在繼電器線圈連接一個反向二極管用于吸收線圈的沖擊電流。當(dāng)IO口輸出低電平時線圈不上電，繼電器的2、3引腳處于閉合狀態(tài)，料位開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)IO口輸出高電平時線圈上電，繼電器引腳3，4處于閉合狀態(tài)，料位開關(guān)處于開啟狀態(tài)，料位開關(guān)電路如圖8所示。

圖8 料位開關(guān)

2.5 電源設(shè)計

系統(tǒng)在工廠作業(yè)時需要長時間運行，因此為了降低功耗，需要對模塊的供電電路進行優(yōu)化。通信模塊的供電方案如圖9所示。

圖9 模塊供電方案

由于系統(tǒng)只需要3個電壓軌道，即5 V、3.3 V、24 V。其中3.3 V用于給單片機和傳感器供電，5 V用于給于繼電器供電和系統(tǒng)供電，24 V用于給電壓轉(zhuǎn)電流芯片外部供電，5 V的電源通過適配器外接。3.3 V電壓需要使用一個5 V轉(zhuǎn)3.3 V的電源芯片，系統(tǒng)使用的是REG1117-3.3，REG1117-3.3是一款低壓差線性穩(wěn)壓器，輸出電壓紋波小，效率高。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓器要求輸入輸出的壓差至少在2～3 V，而5 V到3.3 V之間的壓差僅為1.7 V，因此采用了LDO穩(wěn)壓器。5 V轉(zhuǎn)24 V也需要一個轉(zhuǎn)換芯片，系統(tǒng)采用的是B0524LS-1WR2 DC-DC電源芯片。設(shè)計電源電路時，需要設(shè)計電源濾波電路，在REG1117-3.3輸入輸出端分別并聯(lián)一個大電容用于低頻濾波，分別并聯(lián)兩個小電容用于高頻率波，使輸出更平滑的穩(wěn)定電壓。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件初始化后休眠等待定時器中斷到來喚醒系統(tǒng)，發(fā)送信號采集指令給傳感器，傳感器采集振動信號并傳到處理芯片，將采集到的一定長度的振動信號帶入訓(xùn)練好的料位計算公式，取得料位信息。判斷料位是否滿或空，如果料位滿或者空則控制打開對應(yīng)的料位開關(guān)，如果料位未滿，則輸出料位信息。輸出料位信息后系統(tǒng)繼續(xù)休眠直至下一次定時器中斷觸發(fā)喚醒系統(tǒng)。程序流程如圖10所示。

圖10 程序流程

3.1 信號采集程序

由于單片機上的IIC接口只有兩個，因此我們使用單片機的IO口軟件模擬了三路IIC接口用于與ADXL345進行通信。ADXL345作為從設(shè)備通過IIC接口進行通信，對寄存器進行寫操作，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊TM32中。系統(tǒng)初始化完成后進入休眠模式，等待定時器喚醒，當(dāng)定時器中斷喚醒系統(tǒng)時，發(fā)送傳感器片選使能信號，開啟振動信號采集。存儲一定長度的信號存放在處理器芯片內(nèi)存中。

3.2 料位計算及料位輸出程序

單片機將采集到的振動信號做FFT變化，取出頻譜峰值及對應(yīng)頻率，將特征值帶入訓(xùn)練好的料位計算公式，計算出料位。料位輸出采用PWM波的形式輸出，利用定時器控制脈寬寬度，用不同占空比的PWM波來表示不同的料位。將定時器設(shè)置為遞增計數(shù)PWM模式，當(dāng)計數(shù)值小于CCRX時PWM波為低電平，當(dāng)數(shù)值超過CCRX時定時器輸出為高電平。當(dāng)計數(shù)值到達自動重裝載值時，發(fā)生上溢，計數(shù)器清零，重新計數(shù)，重復(fù)上述過程?？刂戚敵霾煌衔粫r，只需控制CCRX值即可，需要改變PWM波的頻率時改變ARR。配置好定時器之后，只需改變CRRX的值就可有改變輸出電壓，通過電壓的改變來改變輸出電流，以此表達料位信息。

4 實驗結(jié)果與分析

為了驗證料位測量系統(tǒng)的性能，對系統(tǒng)的測量模型和各個硬件模塊及軟件模塊進行測試。

4.1 測量模型建立

料位測量實驗是整個系統(tǒng)開發(fā)最關(guān)鍵的部分，料位測量模型建立的實驗是整個系統(tǒng)開發(fā)的核心，只有模型建立成功，才能對料位進行測量，在模型成功建立的條件下，才能對硬件架構(gòu)進行設(shè)計，才能對軟件架構(gòu)進行設(shè)計。

料位測量實驗在本系統(tǒng)的開發(fā)中較為曲折，歷時也是最長的。模型建立主要是使用matlab軟件進行的，主要是對振動信號反應(yīng)料位特征的特征量的尋找。前期的實驗主要是用料倉模型進行的，采用的是通過NI公司的4432采集卡用模擬量加速度傳感器將振動信號采集回來，傳感器將振動信號以電壓的方式輸出。采集信號時需要用LABVIEW編寫信號采集的上位機程序，將采集的信號寫成TXT文件，然后導(dǎo)入matlab進行分析。LABVIEW采集的信號波形如圖11所示，料倉模型如圖12所示。

圖11 振動信號波形

圖12 料倉模型

因為對振動信號在不規(guī)則剛體中穿越不同介質(zhì)時的傳播特性掌握不是很好，因此在特征量的尋找中有很大的困難，只能建立不同料位不同激振點的實驗條件下，從信號的時域、頻域、相位、互譜及互譜相位等參量去進行分析，去觀察這些參量隨料位的變化。找出有關(guān)料位的特征量。

首先是從時域去觀察，在不同料位情況，不同的激振點的條件下，對信號進行采集觀察。首先是本著節(jié)約的原則采用一路傳感器進行撿振，將不同料位下不同激振點的振動信號采集回來進行特征量的提取。從時域上看不同料位情況下，信號的衰減速度不同。同一料位下不同激振點振動信號的噪聲不同，激振點越高，噪聲越大。但是經(jīng)過觀察在時域上不能得到反應(yīng)料位的特征量，因此轉(zhuǎn)到頻域去對信號進行分析，首先需要去除直流信號的0頻干擾，對信號頻譜進行觀察圖形發(fā)現(xiàn)也沒有明顯的特征量，如波峰、相位的規(guī)律性變化等。

采用多路傳感器進行對比查看，編寫好多通道采集的上位機程序進行三通道傳感器信號的采集，首先將3個傳感器等間距貼于料倉模型的外側(cè)，振動方式是連續(xù)擊打料倉模型的倉壁，采集不同料位不同激振點三路傳感器的信號。將采回來的數(shù)據(jù)進行頻譜分析，從波形來看頻譜的峰值點不明顯且不同高度的料位的頻譜波形差異不是很大，無法從圖像上對各通道的頻譜進行比對尋求相關(guān)參量表示料位。從每通道的相位譜圖像來看，也未發(fā)現(xiàn)特征比較明顯的參量，且相位譜的圖像顯得有些雜亂無章。但是從工人的經(jīng)驗得到想法，頻率的峰值點應(yīng)該會有與料位相關(guān)的特征量。因此改變研究策略，從頻譜峰值的數(shù)值入手，尋求與料位相關(guān)的線性變化。將采集的不同料位高度的信號進行頻域變換，將每個高度的頻率峰值點提取出來觀察。發(fā)現(xiàn)不同的料位高度，傳感器頻譜峰值點和所對應(yīng)的頻率與料位高度的變化是有關(guān)系的，當(dāng)料位高度增長時，頻譜峰值點對應(yīng)的頻率降低，且不同位置的傳感器頻譜峰值點對應(yīng)的頻率不同。在不同的激振點雖然噪聲不同但是頻譜的變化規(guī)律是相同的。然后將連續(xù)的振動信號切割出每一次的振動波形，進行同樣的處理，與連續(xù)激振的規(guī)律是相同的。出于設(shè)備安裝方便，后續(xù)的實驗都是將激振點設(shè)置于料倉下方。得到料位高度和頻譜峰值點變化的規(guī)律后，對料位的零平面進行標(biāo)定，采集百組數(shù)據(jù)進行線性回歸擬合檢測料位與頻譜峰值點的線性度。

從標(biāo)定好的料位零點開始以5 cm的步進值在料倉的底部進行激振，每次激振等待振動信號衰減結(jié)束后再進行下一次激振，一個料位高度激振20下，采集料位從0 cm到45 cm的振動信號，編寫matlab信號處理函數(shù)，設(shè)置判決門限，計算滑動窗的信號能量，滑動窗的后一時刻和前一時刻做對比，取比值波峰的最小值作為判決門限，當(dāng)比值達到設(shè)置的判決門限值時，則檢測到振動信號的起始時刻，將每段振動信號切割，對信號做頻域變換，將三路傳感器采集到的振動信號的頻譜峰值及其對應(yīng)頻率采集出來。

擬合方法，以三路傳感器采集的振動信號的峰值點和對應(yīng)的頻率為變量與料位高度為被預(yù)測值進行線性回歸擬合，得到料位與三路傳感器采集的振動信號的頻譜峰值點和對應(yīng)頻率的線性關(guān)系，由于數(shù)據(jù)量不足夠大，沒有對數(shù)據(jù)進行聚類預(yù)處理，料位的預(yù)測值與真實值誤差在2 cm之內(nèi)。

確定了振動信號和料位的線性關(guān)系，對測量系統(tǒng)正式進行建模，于零料位平面開始，以2 cm的步進值進行料位遞增，在每個料位平面每個傳感器采集120個振動信號，采取總共1 200個振動信號，其中100個振動信號用于對預(yù)測值的比對，求取誤差。我們對每個振動信號的頻譜峰值點及其頻率進行信號預(yù)處理，以頻譜峰值對應(yīng)的頻率為特征，對數(shù)據(jù)進行聚類，去除錯誤信號。最后用剩余的1 000組信號進行線性回歸擬合，得到料位與頻譜峰值點和頻率的關(guān)系。然后用100組信號進行模型的誤差估計，最后誤差最多1 cm多數(shù)情況下料位測量預(yù)測值與真實值相等，由此完成了測量模型的確定。擬合參數(shù)如圖1所示。

4.2 電源測試

系統(tǒng)電源的工作效果好壞直接影響到整個系統(tǒng)的工作效果，首先對硬件的電源部分進行測試，看看輸出電壓是否符合系統(tǒng)要求。對系統(tǒng)的各個電源引腳進行測試，確保各部分電路能供好電。首先是對電源輸出的5 V電壓進行查看，然后是對LDO線性穩(wěn)壓電壓電源輸出進行測試。然后對IO口輸出電壓進行測試。如表1所示。

表1 各部分電壓

4.3 軟件測試

對主機的信號采集程序進行測試，主要測試系統(tǒng)的串口、定時器、傳感器程序。將串口與PC端連接，通過串口調(diào)試助手將采集到的振動信號打印到PC端，通過串口調(diào)試助手判斷傳感器采集回來的信號是否正確。我們需要單獨調(diào)試好串口、定時器及主控芯片與傳感器的通信程序。啟動定時器，每隔1 ms采集一下傳感器信號并打印至PC端。測試結(jié)果如圖14所示。

圖14 采集程序測試

接著調(diào)試料位計算及料位輸出模塊的程序，針對不同料位測試輸出的料位信息。測試結(jié)果基本符合系統(tǒng)預(yù)期指標(biāo)。如表2～3所示。

表2 測試結(jié)果

5 結(jié)束語

為了解決工廠在作業(yè)時固態(tài)物料料倉的料位檢測問題，設(shè)計了一種基于振動的固態(tài)物料料位計模塊。通過加速度傳感器進行振動信號的采集，使用單片機對采集到的振動信號進行處理，計算出料倉的物料信息，實現(xiàn)對固態(tài)物料的料倉進行料位檢測的功能。系統(tǒng)在不工作時處于休眠狀態(tài)，通過定時器中斷喚醒。采用STM32F103ZET6作為主控芯片，通過頻譜峰值實現(xiàn)料倉料位的計算。通過單片機內(nèi)部的定時器和IO口實現(xiàn)振動信號的采集和料位信息的輸出。結(jié)果表明基于振動的固態(tài)物料料位測量模塊設(shè)計簡單，成本和功耗低，誤差在2cm以內(nèi)，誤差率較低，在作業(yè)工況較差，在工廠需要測量固態(tài)物料料位的工作環(huán)境中具有較好的前景[7-28]。

表3 料位誤差 cm