0引言

电子胶带秤是胶带输送机输送固体散状物料过程中对物料进行连续称重的一种计量设备,它可以在不中断物料流的情况下测量出胶带输送机上通过物料的瞬时流量和累积流量。其特点是称量过程是连续和自动进行的,通常不需要操作人员的干预就可以完成称重操作[1],从而大大提高了生产自动化水平。

传统的电子胶带秤控制仪表可分为计量型、控制型、配比型和定量型,多采用单片机实现累积运算,闭环控制效果差、通信功能不强。参考文献[2]给出一种电子胶带秤给料机控制器的设计方法,参考文献[3]给出一种电子胶带秤控制仪表的硬件系统设计和流量控制算法。他们研究的都是具有单一功能的电子胶带秤控制仪表。

随着对电子胶带秤控制仪表控制系统要求的提高和高性能微处理器的发展,采用新型处理器设计多功能智能型电子胶带秤仪表成为发展方向。笔者设计了一种基于ARM的高精度电子胶带秤控制仪表,该仪表具有计量、控制、配比等功能,且具有多种通信接口,方便用户使用。

1仪表硬件组成

传统的电子胶带秤控制仪表都采用一体化结构安装在远离现场的地方,现场称重信号和速度信号经过几十米到几百米的距离才能达到仪表,信号易受到干扰。

为了解决模拟信号长距离传输的问题,基于ARM的电子胶带秤控制仪表由数据采集器和显示控制器2个独立的部分构成,如图1所示。数据采集器安装在现场,显示控制器安装在监控室,两者通过RS485接口通信。数据采集器的核心采用带有24位AD转换的多功能单片机MSC1210[4],完成称重信号处理、转速脉冲整形以及数据采集和运算等任务,可以根据显示控制器的命令发送采集的称重数据和转速数据。数据采集器可以处理4路独立的称重信号(分属2组)和1路转速信号。

显示控制器采用基于ARM的显示控制器,完成胶带秤参数设置、零位校准、重量系数校准、实物标定、通信设置、数据保存和查询、PID控制、数据显示等任务。显示控制器具有强大的数据处理和管理能力,具有以太网接口和ModBus协议的RS485接口供用户使用,方便与PLC等其它工业控制器通信;可以实时显示流量曲线,保存和查询大量的历史数据;可以实现复杂的闭环控制算法,提高闭环控制性能。

2计量原理

传统的累积量计量方法:先根据瞬时重量和速度计算瞬时流量,然后根据瞬时流量累积得到累积量。该方法一般采用固定的计算周期,当胶带速度变化较大时,每个计量单元的重量变化较大会导致计量误差变大。基于ARM的高精度电子胶带秤控制仪表采用的累积量计量方法:把固定胶带长度作为一个计量单元,每段单位长度的重量累加起来得到累积量,然后根据瞬时累积量的变化率来计算瞬时流量。

(1)数据采集器以较高速度进行数据采样并进行抽取和数字滤波运算;

(2)每个转速脉冲上升沿到来时提取一次称重信号值,作为该脉冲信号对应的胶带长度上的物料重量Wi;

(3)将Wi标度变换后进行累加得到累积量,即WTol=CWi,其中C为重量系数;

(4)根据累积量的变化率得到瞬时流量。重量系数C通过实物标定得到。当没有实物标定的条件时,可以通过挂码重量来计算,该值与传感器的灵敏度、每米胶带对应的脉冲数以及秤架托辊的间距有关。

3仪表软件设计

基于ARM的电子胶带秤控制仪表软件包括数据采集器软件和显示控制器软件2个部分。

3.1数据采集器软件

数据采集器软件程序流程如图2所示,AD转换初始化主要设置通道极性、基准电压类型、增益倍数、模拟时钟分频倍数等;串口初始化主要设置工作方式、波特率等。胶带速度测量方法采用测脉宽的方式,即根据2个相邻速度脉冲上升沿之间的时间来计算速度。串口接收中断主要处理接收的命令帧,根据命令码发送相应的响应。命令帧的类型包括对数据采集器的参数设置命令和读取数据的命令,收到显示控制器的读取数据的命令帧后,会把当前的称重值、速度值、传感器故障状态等数据放在响应帧中发给显示控制器。

AD转换由MSC1210片内的AD转换器实现,软件中只需设置采样通道后即可从相应的寄存器中读取AD转换值,代码如下:

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显示控制器软件

显示控制器主控模块采用飞利浦公司生产的LPC2214芯片,软件开发工具采用IAREmbededWorkbench[5],操作系统采用C/OS-!,其软件功能模块结构如图3所示。胶带秤参数设置模块主要完成对胶带长度、托辊间距、传感器参数等与秤架有关的参数设置任务。零位自调整模块主要完成自动零点标定任务,按照操作人员设定的周期进行零位计算。实物校准模块主要完成现场实物标定任务,得到计量模型中传感器输出电压与重量之间的称重系数。与下位机通信模块主要完成从下位机读取传感器测量数据任务。与外部通信模块主要完成与用户的外接设备(如PLC、PC机)之间的通信任务,采用ModBus协议。PID控制算法模块主要完成胶带速度闭环控制功能,输入信号由AD转换器进入,控制量输出由DA转换器输出4~20mA的电流信号。报警处理模块主要完成传感器故障的紧急处理和报警信号的输出任务。数据保存与打印模块主要完成累积量的定时保存和报表的定时保存和打印任务。按键处理模块主要完成对按键的响应和处理操作任务。

4实验结果

笔者在实验室制作了样机,其中数据采集器的放大电路采用AD620集成运放。采用实物定标的方式得到重量系数C,定标时放料重量为3.9t,定标完成后,连续做4次动态计量试验,每次放料速度各不相同,得到的计量结果如表1所示。

从表1可看出,该仪表的计量精度优于0.2%,流量的变化对计量精度影响不大,证明了基于ARM的电子胶带秤控制仪表设计合理。

5结语

基于ARM的电子胶带秤控制仪表采用由数据采集器和显示控制器2个独立的部分组成的设计方式,不仅提高了仪表的抗干扰能力,而且方便升级,只要两者之间的通信协议不变,每部分都可以采用较先进的技术实现。采用ARM处理器设计显示控制器,提高了仪表的运算处理能力,便于扩充仪表的功能和实现先进的控制算法。

 

 

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