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一、引　　 言

料倉(cāng)稱重在許多工業(yè)場(chǎng)合是很重要的工藝和管理環(huán)節(jié)。工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)料倉(cāng)稱重一般是在強(qiáng)振動(dòng) 、 強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾 、 高粉塵 、 寬溫度范圍的環(huán)境下進(jìn)行的 ,一般的模擬靜態(tài)稱重系統(tǒng)是難以達(dá)到要求的。面對(duì)這些問題 , SM40型智能稱重系統(tǒng)運(yùn)用了稱重傳感器并聯(lián)、現(xiàn)場(chǎng)電流變送遠(yuǎn)傳 、 有源低通橢圓函數(shù)濾波器抑制工頻干擾 , 前向后向通道隔離, V/F 采樣,開關(guān)電源供電等一系列先進(jìn)的硬件技術(shù)以及有針對(duì)性的數(shù)據(jù)濾波處理軟件, 在線實(shí)時(shí)線性校正等軟件, 確保了稱重?cái)?shù)據(jù)的正確性和系統(tǒng)的可靠性, 幾年來的實(shí)際應(yīng)用證明了這一點(diǎn) ,下面介紹這個(gè)系統(tǒng) 。

二、系統(tǒng)組成及原理

系統(tǒng)由傳感器、 SM40 變送器 、 SM40 智能型稱重顯示儀三部分組成。

　 1.傳感器

采用引進(jìn)美國(guó)某 公司專有加工技術(shù)制 造的高精度 SM40 型 稱重傳感器和SM6型拉壓力傳感器作為壓式和拉式兩種受力方式的一次轉(zhuǎn)換元件, 進(jìn)行并聯(lián)方式組秤。較串聯(lián)組秤 ,具有如下特點(diǎn): 輸出信號(hào)接線簡(jiǎn)單 ,對(duì)于后級(jí)運(yùn)放而言, 輸入阻抗低, 信號(hào)抗干擾能力強(qiáng) ; 經(jīng)過補(bǔ)償?shù)膫鞲衅?具有良好的互換性。為避免并聯(lián)方式由于傳感器內(nèi)阻不等 ,靈敏度不一致的各傳感器在受載不均時(shí)產(chǎn)生附加誤差 , 做以下兩方面工作: 其一,組秤時(shí) ,通過靈敏度及輸出阻抗的調(diào)整盡量減少各組秤傳感器間的差異 ; 面向?qū)嶋H,在調(diào)整過程中不追求傳感器輸出阻抗及靈敏度的標(biāo)準(zhǔn)化 ,而追求一致性 ; 給用戶建立微機(jī)管理檔案 ,從而可以為用戶及時(shí)提供合適的備件; 其二 , 在變送器內(nèi)加裝高穩(wěn)定精密電阻器,對(duì)安裝好的系統(tǒng)進(jìn)行四角誤差的綜合調(diào)整,這樣進(jìn)一步改善了由于引線等連接因素對(duì)系統(tǒng)偏載時(shí)的附加誤差的影響。

稱重傳感器的容量由以下公式計(jì)算
 

式中  P 0 — — —稱重傳感器的計(jì)算容量 ,kg 或 t

G 1 — — —料倉(cāng)( 包括與料倉(cāng)剛性連接的給料機(jī)、 閘門等設(shè)備) 的重量 ,kg 或 t

G 2 — — —料倉(cāng)內(nèi)可裝入的最大物料重量, kg 或 t

K 1 — — —安全系數(shù) ,一般取 0. 6～ 0. 8,系數(shù) K 1 主要考慮物料下落沖擊振動(dòng)和防止傳感器超載等影響因素

N — — —稱重傳感器的個(gè)數(shù) 。

另外,還應(yīng)考慮由于料倉(cāng)的非對(duì)稱性和倉(cāng)內(nèi)物料堆積偏移等因素造成料倉(cāng)重心偏移

而使傳感器受力不均的情況 , 對(duì)于室外使用還應(yīng)考慮風(fēng)力影響而引入風(fēng)載系數(shù) 。

根據(jù)上述計(jì)算所得的 P 0 值, 按照稱重傳感器的測(cè)量上限值向上調(diào)整 ,即確定了選用傳感器的量程上限值 P 0 。

2.變送器

組秤傳感器在現(xiàn)場(chǎng)直接引入變送器, 轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 電流遠(yuǎn)傳 。國(guó)內(nèi)一般稱重系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)并聯(lián)或串聯(lián)組秤后, 將 mV 信號(hào)直接遠(yuǎn)傳。在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的環(huán)境中,mV 信號(hào)直接遠(yuǎn)傳,對(duì)于控制室的儀表來說,信噪比將大大降低。采用精密恒流源進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳送對(duì)于抑制現(xiàn)場(chǎng)共模信號(hào)干擾效果極佳 。

圖 1 所示變送器由二次穩(wěn)壓電路 、 傳感器電源、 低漂移前置放大 、低通濾波器, V/ I轉(zhuǎn)換電路四部分構(gòu)成。前置放大器采用某公司的斬波自穩(wěn)零低噪聲低漂移運(yùn)算放大器 ICL7652 作為核心, 它具有在工作溫度范圍內(nèi)輸入偏置電壓 ≤10μ V 、時(shí)漂 ≤150nV/每月 、溫漂 ≤100nV/ ℃等特點(diǎn) ,使其成為小信號(hào)放大器的優(yōu)選器件 。為抑制共模信號(hào)運(yùn)放采用差動(dòng)放大形式。

我們采用有源橢圓函數(shù) VCVS 低通濾波器 ,設(shè)計(jì)其幅頻特性是 : 在 25Hz 處開始衰減, 40Hz 以上 至少衰 減 70dB, 并保 證在20Hz 以下 ,最大紋波 ≤ 0. 01dB 。各種料倉(cāng)一般都配有電磁傳動(dòng)的上下料裝置 , 這些裝置耦合到傳感器上的工頻干擾在這樣的通帶中可以有效濾除。

濾波后的信號(hào)經(jīng) V/ I 轉(zhuǎn)換電路線性輸出 4～ 20mA 遠(yuǎn)傳 。

3. SM40 型稱重顯示儀

SM40 型稱重顯示 儀結(jié)構(gòu) 由CPU 系統(tǒng)板、I/O 板、顯示板 、 開關(guān)電源四部分組成。

供電對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的精度 、 可靠性是至關(guān)重要的 。面向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)我們自行研制了配套的開關(guān)電源, 輸入電壓允許 AC 160 ～264V ,并且具有好的隔離性能 , 避免了由于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)電源“不干凈” 、 電網(wǎng)電壓波動(dòng)大而帶來的影響。開關(guān)電源外屏蔽層與機(jī)殼地相連,以避免開關(guān)電源對(duì)各系統(tǒng)板產(chǎn)生電磁干擾。開關(guān)電源每路輸出進(jìn)行二次穩(wěn)壓, 降低輸出波紋對(duì)后級(jí)的影響。

CPU 板是系統(tǒng)的核心 , 負(fù)責(zé)處理各種運(yùn)算、 動(dòng)作。其上具有鋰電池后備的掉電自保護(hù)功能的 RAM ,以便掉電時(shí)及時(shí)保護(hù)各種現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)。

I/O 板完成 A/D、D/A 、開關(guān)量輸出、通信四方面功能。為了保護(hù)系統(tǒng)的安全性及切

斷共模干擾回路 ,都采用光隔形式與CPU 系統(tǒng)板聯(lián)系 。

A/D 及 D/A 以美國(guó)某公司 V/ F 、F/V 轉(zhuǎn)換芯片 AD651 為主器件 ,結(jié)合輔助定時(shí)/計(jì)數(shù)電路進(jìn)行。AD651 輸 出 頻 率100kHz,非線性誤差僅為 0. 002%,這種寬范圍的線性度與外接單穩(wěn)電容的穩(wěn)定性無關(guān),自身保證了高分辨力、高穩(wěn)定性與最佳轉(zhuǎn)換時(shí)間 , 并且它還具有同步 V/ F 功能。以上特點(diǎn)使該器件在短時(shí)間內(nèi)采集大量高可靠性的碼成為可能, 這一點(diǎn)對(duì)稱重儀表的穩(wěn)定性、精確性是至關(guān)重要的 。

我們?nèi)?nbsp;f olook =2MHz, 以 20ms 作為閘門時(shí)間, 對(duì) f FS = 500kHz 計(jì)數(shù)值為 10000, 即對(duì)0～ 5DCV 采樣為一萬(wàn)碼 ,分辨力為 0. 5mV 。

D/V 過程中 ,程序?qū)?shí)際重量歸一化為對(duì)應(yīng)計(jì)數(shù)器的初值, 計(jì)數(shù)器將發(fā)出相關(guān)的溢出脈沖 ,此信號(hào)通過 F/ V 及 V/ I 電路轉(zhuǎn)換為 4～ 20mA 重量電流輸出 。

三、軟件構(gòu)成

SM40 智能稱重顯示儀除了一般智能儀表所具備的基本處理軟件外, 具有以下特點(diǎn) 。

1.實(shí)時(shí)性、 安全性

在系統(tǒng)運(yùn)行的整個(gè)過程中 ,由最高級(jí)時(shí)鐘中斷管理一切, 每隔 0. 1s 中斷一次, 查看系統(tǒng)各外設(shè)是否正常工作, 如果不能正常工作,儀表報(bào)警的同時(shí)做相關(guān)保護(hù)處理,如果儀表 CPU 系統(tǒng)因受干擾而死機(jī) ,該中斷管理功能將強(qiáng)制其復(fù)位,保證系統(tǒng)的安全性,這實(shí)際為一級(jí)軟件“dog” 。該中斷還設(shè)置許多軟開關(guān),以管理主程序有時(shí)序地進(jìn)行 D/A , A/D ,通信 ,顯示等動(dòng)作。

2.數(shù)據(jù)濾波的可靠性

由于使用了高性能 V/ F 芯片 , 在采樣周期 T 內(nèi), 可以獲得較多的碼值, 我們將這些數(shù)按照 FIFO 規(guī)則排成隊(duì)列 ,選擇前N 個(gè) ,去掉兩個(gè)最大的, 兩個(gè)最小的, 將其余 N ～ 4個(gè)值進(jìn)行平均, 作為有效的重量碼顯示、輸出。 T 以 0. 1s 為基本單位,可以根據(jù)干擾情況由用戶進(jìn)行設(shè)置。0. 1s 采樣周期為 50Hz整數(shù)倍,對(duì)工頻干擾的濾除也是有意義的。

3.在線實(shí)時(shí)線性校正

在使用系統(tǒng)前進(jìn)行標(biāo)定 ,將稱重滿量程按 20%劃分 , 錄入五點(diǎn)折線校正曲線, 供實(shí)際稱量時(shí)及時(shí)校正重量值 。

4.上位機(jī)通信、 遠(yuǎn)動(dòng)

在線實(shí)時(shí)向上位機(jī)傳遞與稱重倉(cāng)狀態(tài)及儀表狀態(tài)相關(guān)數(shù)據(jù), 并可接受上位機(jī)期望的各設(shè)定值 。

四、實(shí)用應(yīng)用

SM40 型高精度智能稱重系統(tǒng)易做成拉式或壓式多種結(jié)構(gòu)形式, 安裝調(diào)試方便 ,適應(yīng)性強(qiáng), 已成功地應(yīng)用于建材、水泥 、 化工等行業(yè)的工業(yè)流程中,主要用作存貯物料、 稱重計(jì)量、 定值控制、校正倉(cāng)、 標(biāo)準(zhǔn)秤 、 配料秤和料位測(cè)量控制等環(huán)節(jié)。

　 恒重控制系統(tǒng)是其應(yīng)用較廣泛 、 具有代表性的一個(gè)模式 。

　 SM40 系統(tǒng)輸出重量電流信號(hào)給數(shù)字調(diào)節(jié)儀 ,作為其測(cè)量值 ,與根據(jù)工藝需要確定的給定值形成偏差,讓偏差趨向于零 ,是整個(gè)控制系統(tǒng)的調(diào)節(jié)目標(biāo) ,以達(dá)到恒重控制的目的 。在整個(gè)閉環(huán)回路里, SM40 系統(tǒng)不但是一個(gè)重量反饋環(huán)節(jié) ,而且當(dāng)倉(cāng)重過載、 欠載時(shí)輸出開關(guān)量控制相關(guān)執(zhí)行機(jī)構(gòu)動(dòng)作 , 以確保工藝的連續(xù)性及系統(tǒng)安全性。

幾年來 ,在多家大中型水泥廠生料倉(cāng)及煤粉倉(cāng)的稱重控制的使用表明, SM40 稱重系統(tǒng)綜合當(dāng)量精度優(yōu)于 0. 4%。

 

 

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