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0引言

電子膠帶秤是膠帶輸送機(jī)輸送固體散狀物料過(guò)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(cè)量出膠帶輸送機(jī)上通過(guò)物料的瞬時(shí)流量和累積流量。其特點(diǎn)是稱量過(guò)程是連續(xù)和自動(dòng)進(jìn)行的,通常不需要操作人員的干預(yù)就可以完成稱重操作[1],從而大大提高了生產(chǎn)自動(dòng)化水平。

傳統(tǒng)的電子膠帶秤控制儀表可分為計(jì)量型、控制型、配比型和定量型,多采用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)累積運(yùn)算,閉環(huán)控制效果差、通信功能不強(qiáng)。參考文獻(xiàn)[2]給出一種電子膠帶秤給料機(jī)控制器的設(shè)計(jì)方法,參考文獻(xiàn)[3]給出一種電子膠帶秤控制儀表的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和流量控制算法。他們研究的都是具有單一功能的電子膠帶秤控制儀表。

隨著對(duì)電子膠帶秤控制儀表控制系統(tǒng)要求的提高和高性能微處理器的發(fā)展,采用新型處理器設(shè)計(jì)多功能智能型電子膠帶秤儀表成為發(fā)展方向。筆者設(shè)計(jì)了一種基于ARM的高精度電子膠帶秤控制儀表,該儀表具有計(jì)量、控制、配比等功能,且具有多種通信接口,方便用戶使用。

1儀表硬件組成

傳統(tǒng)的電子膠帶秤控制儀表都采用一體化結(jié)構(gòu)安裝在遠(yuǎn)離現(xiàn)場(chǎng)的地方,現(xiàn)場(chǎng)稱重信號(hào)和速度信號(hào)經(jīng)過(guò)幾十米到幾百米的距離才能達(dá)到儀表,信號(hào)易受到干擾。

為了解決模擬信號(hào)長(zhǎng)距離傳輸?shù)膯?wèn)題,基于ARM的電子膠帶秤控制儀表由數(shù)據(jù)采集器和顯示控制器2個(gè)獨(dú)立的部分構(gòu)成,如圖1所示。數(shù)據(jù)采集器安裝在現(xiàn)場(chǎng),顯示控制器安裝在監(jiān)控室,兩者通過(guò)RS485接口通信。數(shù)據(jù)采集器的核心采用帶有24位AD轉(zhuǎn)換的多功能單片機(jī)MSC1210[4],完成稱重信號(hào)處理、轉(zhuǎn)速脈沖整形以及數(shù)據(jù)采集和運(yùn)算等任務(wù),可以根據(jù)顯示控制器的命令發(fā)送采集的稱重?cái)?shù)據(jù)和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集器可以處理4路獨(dú)立的稱重信號(hào)(分屬2組)和1路轉(zhuǎn)速信號(hào)。

顯示控制器采用基于ARM的顯示控制器,完成膠帶秤參數(shù)設(shè)置、零位校準(zhǔn)、重量系數(shù)校準(zhǔn)、實(shí)物標(biāo)定、通信設(shè)置、數(shù)據(jù)保存和查詢、PID控制、數(shù)據(jù)顯示等任務(wù)。顯示控制器具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和管理能力,具有以太網(wǎng)接口和ModBus協(xié)議的RS485接口供用戶使用,方便與PLC等其它工業(yè)控制器通信;可以實(shí)時(shí)顯示流量曲線,保存和查詢大量的歷史數(shù)據(jù);可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的閉環(huán)控制算法,提高閉環(huán)控制性能。

2計(jì)量原理

傳統(tǒng)的累積量計(jì)量方法:先根據(jù)瞬時(shí)重量和速度計(jì)算瞬時(shí)流量,然后根據(jù)瞬時(shí)流量累積得到累積量。該方法一般采用固定的計(jì)算周期,當(dāng)膠帶速度變化較大時(shí),每個(gè)計(jì)量單元的重量變化較大會(huì)導(dǎo)致計(jì)量誤差變大?；贏RM的高精度電子膠帶秤控制儀表采用的累積量計(jì)量方法:把固定膠帶長(zhǎng)度作為一個(gè)計(jì)量單元,每段單位長(zhǎng)度的重量累加起來(lái)得到累積量,然后根據(jù)瞬時(shí)累積量的變化率來(lái)計(jì)算瞬時(shí)流量。

(1)數(shù)據(jù)采集器以較高速度進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣并進(jìn)行抽取和數(shù)字濾波運(yùn)算;

(2)每個(gè)轉(zhuǎn)速脈沖上升沿到來(lái)時(shí)提取一次稱重信號(hào)值,作為該脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)的膠帶長(zhǎng)度上的物料重量Wi;

(3)將Wi標(biāo)度變換后進(jìn)行累加得到累積量,即WTol=CWi,其中C為重量系數(shù);

(4)根據(jù)累積量的變化率得到瞬時(shí)流量。重量系數(shù)C通過(guò)實(shí)物標(biāo)定得到。當(dāng)沒(méi)有實(shí)物標(biāo)定的條件時(shí),可以通過(guò)掛碼重量來(lái)計(jì)算,該值與傳感器的靈敏度、每米膠帶對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)以及秤架托輥的間距有關(guān)。

3儀表軟件設(shè)計(jì)

基于ARM的電子膠帶秤控制儀表軟件包括數(shù)據(jù)采集器軟件和顯示控制器軟件2個(gè)部分。

3.1數(shù)據(jù)采集器軟件

數(shù)據(jù)采集器軟件程序流程如圖2所示,AD轉(zhuǎn)換初始化主要設(shè)置通道極性、基準(zhǔn)電壓類型、增益倍數(shù)、模擬時(shí)鐘分頻倍數(shù)等;串口初始化主要設(shè)置工作方式、波特率等。膠帶速度測(cè)量方法采用測(cè)脈寬的方式,即根據(jù)2個(gè)相鄰速度脈沖上升沿之間的時(shí)間來(lái)計(jì)算速度。串口接收中斷主要處理接收的命令幀,根據(jù)命令碼發(fā)送相應(yīng)的響應(yīng)。命令幀的類型包括對(duì)數(shù)據(jù)采集器的參數(shù)設(shè)置命令和讀取數(shù)據(jù)的命令,收到顯示控制器的讀取數(shù)據(jù)的命令幀后,會(huì)把當(dāng)前的稱重值、速度值、傳感器故障狀態(tài)等數(shù)據(jù)放在響應(yīng)幀中發(fā)給顯示控制器。

AD轉(zhuǎn)換由MSC1210片內(nèi)的AD轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn),軟件中只需設(shè)置采樣通道后即可從相應(yīng)的寄存器中讀取AD轉(zhuǎn)換值,代碼如下:

for(chan=0;chan<4;chan++){switch(chan){

case0:

ADMUX=0X04;

break;

case1:

ADMUX=0X14;

break;

case2:

ADMUX=0X24;

break;

case3:

ADMUX=0X34;

break;

default:

break;

}

for(k=0;k<2;k++)

{

while(!(AIE&0x20));

U32_ADCBuff[chan]=ADRESH;

U32_ADCBuff[chan]=(U32_ADCBuff[chan]<<8);U32_ADCBuff[chan]+=ADRESM;

U32_ADCBuff[chan]=(U32_ADCBuff[chan]<<8);U32_ADCBuff[chan]+=ADRESL;}

}

3.2顯示控制器軟件

顯示控制器主控模塊采用飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2214芯片,軟件開(kāi)發(fā)工具采用IAREmbededWorkbench[5],操作系統(tǒng)采用C/OS-!,其軟件功能模塊結(jié)構(gòu)如圖3所示。膠帶秤參數(shù)設(shè)置模塊主要完成對(duì)膠帶長(zhǎng)度、托輥間距、傳感器參數(shù)等與秤架有關(guān)的參數(shù)設(shè)置任務(wù)。零位自調(diào)整模塊主要完成自動(dòng)零點(diǎn)標(biāo)定任務(wù),按照操作人員設(shè)定的周期進(jìn)行零位計(jì)算。實(shí)物校準(zhǔn)模塊主要完成現(xiàn)場(chǎng)實(shí)物標(biāo)定任務(wù),得到計(jì)量模型中傳感器輸出電壓與重量之間的稱重系數(shù)。與下位機(jī)通信模塊主要完成從下位機(jī)讀取傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)任務(wù)。與外部通信模塊主要完成與用戶的外接設(shè)備(如PLC、PC機(jī))之間的通信任務(wù),采用ModBus協(xié)議。PID控制算法模塊主要完成膠帶速度閉環(huán)控制功能,輸入信號(hào)由AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)入,控制量輸出由DA轉(zhuǎn)換器輸出4~20mA的電流信號(hào)。報(bào)警處理模塊主要完成傳感器故障的緊急處理和報(bào)警信號(hào)的輸出任務(wù)。數(shù)據(jù)保存與打印模塊主要完成累積量的定時(shí)保存和報(bào)表的定時(shí)保存和打印任務(wù)。按鍵處理模塊主要完成對(duì)按鍵的響應(yīng)和處理操作任務(wù)。

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

筆者在實(shí)驗(yàn)室制作了樣機(jī),其中數(shù)據(jù)采集器的放大電路采用AD620集成運(yùn)放。采用實(shí)物定標(biāo)的方式得到重量系數(shù)C,定標(biāo)時(shí)放料重量為3.9t,定標(biāo)完成后,連續(xù)做4次動(dòng)態(tài)計(jì)量試驗(yàn),每次放料速度各不相同,得到的計(jì)量結(jié)果如表1所示。

從表1可看出,該儀表的計(jì)量精度優(yōu)于0.2%,流量的變化對(duì)計(jì)量精度影響不大,證明了基于ARM的電子膠帶秤控制儀表設(shè)計(jì)合理。

5結(jié)語(yǔ)

基于ARM的電子膠帶秤控制儀表采用由數(shù)據(jù)采集器和顯示控制器2個(gè)獨(dú)立的部分組成的設(shè)計(jì)方式,不僅提高了儀表的抗干擾能力,而且方便升級(jí),只要兩者之間的通信協(xié)議不變,每部分都可以采用較先進(jìn)的技術(shù)實(shí)現(xiàn)。采用ARM處理器設(shè)計(jì)顯示控制器,提高了儀表的運(yùn)算處理能力,便于擴(kuò)充儀表的功能和實(shí)現(xiàn)先進(jìn)的控制算法。

 

 

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