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膠帶秤稱重控制儀表的優(yōu)化設(shè)計

發(fā)布時間:2019-11-05 09:17:06 |來源:維普期刊

0.引言

電子膠帶秤是安裝在膠帶輸送機的適當(dāng)位置上,對散裝物料自動、動態(tài)、連續(xù)地累計稱量的計量器具。它廣泛應(yīng)用于散料貿(mào)易結(jié)算、生產(chǎn)工藝流程中的配料計量及檢測控制。膠帶秤控制儀表的性能好壞直接影響到膠帶秤的計量精度,因為該儀表包括了信號的采樣、濾波、放大、A/D轉(zhuǎn)換,瞬時流量計算和累計及顯示、參數(shù)設(shè)定、校秤程序,對于配料秤還包括PID動態(tài)調(diào)節(jié)部分和變頻器控制接口。因此,對其進行優(yōu)化設(shè)計是非常重要的。

1.速度測量

目前在以光電編碼器構(gòu)成的測速系統(tǒng)中,常用的數(shù)字式轉(zhuǎn)速測量方法有三種:M法(頻率法)、T法(周期法)、M/T法(頻率/周期法)。M法是在既定的檢漫4時間內(nèi),根據(jù)測量所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速;T法是根據(jù)測量相鄰兩個轉(zhuǎn)速脈沖信號的時間來確定轉(zhuǎn)速;M/T法是根據(jù)同時測量檢測時間和在該時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速脈沖信號個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速,能實現(xiàn)很寬的速度范圍內(nèi)等精度的速度測量。筆者所設(shè)計的控制儀表中轉(zhuǎn)速測量采用M/T法。專門介紹和分析M/T法原理的文章很多,這里只作簡單介紹,著重介紹一下具體電路的實現(xiàn)。轉(zhuǎn)速測量電路的實現(xiàn),可以采用單片機,但是實現(xiàn)M/T法測速,要占用3路計數(shù)器,而單片機片內(nèi)資源有限;再者為了減少測速時間,應(yīng)提高標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖頻率,這叉受到了單片機最高計數(shù)頻率的限制。所以采用CPLD器件和單片機共同組成測速模塊。轉(zhuǎn)速測量電路主要由以下3部分組成:

(1)信號整形電路:用于待測速度信號的放大和整形,以便作為CPLD器件的輸入信號;

(2)測頻電路:測速的核心電路模塊,由CPLD器件擔(dān)任;

(3)單片機電路模塊:用于控制CPLD的測頻操作和速度的計算,單片機的Po口直接讀取測試數(shù)據(jù),P2口向CPLD發(fā)控制命令。等精度測速的實現(xiàn)方法可以簡單地預(yù)置門信號TSET由單片機發(fā)出,TSET的時間寬度對測量精度的影響較小,這里設(shè)其寬度為T…FS是標(biāo)準(zhǔn)頻率信號輸入端,F(xiàn)X是測速碼盤脈沖信號的輸入端,這2路信號分別輸入到2個可控的16位高速計數(shù)器中。計數(shù)器的計數(shù)允許端ENA高電平有效,設(shè)標(biāo)準(zhǔn)信號頻率為F,測速信號的頻率為F。測速開始前,先發(fā)出一個清零信號CLR,將2個計數(shù)器和D觸發(fā)器置0,然后由單片機發(fā)出允許測頻的命令,即令預(yù)置門信號TSET為高電平,這時D觸發(fā)器要一直等到被測速度信號的上升沿通過時,Q端才被置1(即START端變?yōu)楦唠娖?,與此同時,將同時啟動2個計數(shù)器開始計數(shù)。在此期間,2個計數(shù)器分別但同時對被測速度信號(頻率為F)和標(biāo)準(zhǔn)頻率信號(頻率為F)計數(shù)。當(dāng)時間到后,預(yù)置門信號TSET被單片機置為低電平,但此時2個計數(shù)器仍沒有停止計數(shù),一直等到隨后而至的被測速度信號的脈沖上升沿到來時,才通過D觸發(fā)器將這2個計數(shù)器同時關(guān)閉。TSET信號的寬度和發(fā)生的時間都不會影響計數(shù)使能信號START,允許計數(shù)的周期總是恰好等于被測速度信號F的完整周期數(shù),這是確保F在任何頻率條件下都能保持恒定精度的關(guān)鍵。而且,TSET寬度的改變以及隨機出現(xiàn)的時間造成的誤差最多只有F信號的1個周期,如果F由精確穩(wěn)定的晶體振蕩器(10MHz)發(fā)出,則任何時刻的絕對測量誤差只有10s。設(shè)在1次預(yù)置門時間T。,中,被測速度信號計數(shù)值為N,標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為N,則有:F/N一F/N(1)測得的轉(zhuǎn)速頻率為:F=(F/N)×N(2)測速輪轉(zhuǎn)速為”一F/P(3)式中:P為測速光電編碼器1周的脈沖數(shù)。將轉(zhuǎn)速硝折算成膠帶的線速度為:2nrn:27r·(m/s)(4)J'S』式中:r為測速輪半徑,m。最后通過控制SEL選擇信號和32位到8位的多路轉(zhuǎn)換器MAX328(見圖1),將2個計數(shù)器中的2個16位的計數(shù)值分4次讀入單片機,再按(4)式計算出帶速。用1片ALTRA的CPLD電路EPS7064,在片內(nèi)設(shè)置2個相同的獨立l6位計數(shù)器(COUNT0、COUNTI)。每個計數(shù)器都有自己的時鐘輸入CLK、計數(shù)器輸出OUT和門控信號GATE,通過編程設(shè)置工作方式。當(dāng)GATE端為高電平時,允許計數(shù);當(dāng)GATE端為低電平時,禁止計數(shù)。采用MAXPLUsIIEDA開發(fā)平臺,利用其功能元件庫中的計數(shù)器1P模塊,編程方便。這種方案的優(yōu)點是可以減輕CPU的負擔(dān),減少對CPU內(nèi)部資源的占用。

2.荷重檢測

影響膠帶秤計量精度的另一個主要因素是荷重的動態(tài)檢測。由于膠帶秤一般處于長期連續(xù)的工作狀態(tài),在信號的放大、A/D轉(zhuǎn)換通道設(shè)計中,穩(wěn)定性和抗干擾性能是首先要考慮的問題。因此,放大電路選用了自穩(wěn)零斬波放大器ICL7650。這里著重討論膠帶秤儀表中A/D轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)?;诜€(wěn)定性的考慮,選用V/F電壓/頻率轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換,并對其常規(guī)用法作了改進。本設(shè)計選用V/F轉(zhuǎn)換器中高性能芯片AD652。該芯片采用外部時鐘控制,消除了內(nèi)部時鐘方式中阻容器件的穩(wěn)定性對精度的影響。該芯片的最高輸出頻率可達2MHz,非線性誤差僅為0.002。用V/F轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)的A/D轉(zhuǎn)換可以達到非常高的分辨率,但這是以犧牲時間為代價的??晒浪阆?,如采用1M輸出的v/v轉(zhuǎn)換器,就是1s輸出1000K計數(shù)值,1ms輸出1K計數(shù)值,近似于1O位A/D轉(zhuǎn)換值。10ms輸出1OK計數(shù)值,50ms輸出為5OK計數(shù),接近16位A/D轉(zhuǎn)換值:65535。由此看出要提高A/D的轉(zhuǎn)換速率,只有提高V/F轉(zhuǎn)換器的頻率輸出值。提高輸出頻率又帶來了新的問題,用V/F轉(zhuǎn)換器完成A/D轉(zhuǎn)換,需要1個定時器和1個計數(shù)器,計數(shù)器的計數(shù)頻率限制了V/F器件輸出頻率的提高。如果采用51系列單片機內(nèi)部的計數(shù)器,計數(shù)器的最高計數(shù)頻率為單片機工作頻率的1/24,如采用12MHz的晶振,它的最高計數(shù)頻率只能達到0.5M,所以采用CPLD器件組成高速計數(shù)器,對AD652輸出的lM脈沖進行計數(shù)。AD652的最高輸出頻率可達2M,選用lM的頻率是出于對V/F輸出線性的考慮。上面分析了提高A/D轉(zhuǎn)換速度從硬件上的考慮,從上述M/T法測速中還可得到如下啟發(fā),即直接采用和測速環(huán)節(jié)相同的硬件邏輯,將測速信號換成V/F轉(zhuǎn)換器AD652的輸出脈沖信號,在數(shù)據(jù)處理上也和測速中的頻率測量方法相同。按(2)式計算出被測頻率。這樣在保證轉(zhuǎn)換精度的前提下,使由V/F變換器組成的A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度得提高。如采用1OMHz的高精度晶振作為標(biāo)準(zhǔn)頻率源,測量周期T設(shè)定為10ms,也就是A/D轉(zhuǎn)換的時間,完成16位的A/D轉(zhuǎn)換,絕對測量頻率誤差只有10s,而轉(zhuǎn)換速度比傳統(tǒng)的算法提高了5倍。

3.輸出通道設(shè)計

電子膠帶秤在工業(yè)現(xiàn)場應(yīng)用時,往往作為測控系統(tǒng)或配料系統(tǒng)的一部分。這就要求控制儀表不但要有顯示輸出,還要由和其它系統(tǒng)相連接的數(shù)字量和模擬量輸出接口。電子膠帶秤控制儀表的模擬量輸出通道,通常為0~10mA或4~20mA的電流輸出形式。對于配料秤,要將PID調(diào)節(jié)器的輸出控制信號傳輸?shù)侥z帶驅(qū)動電動機的變頻器,以控制膠帶的瞬時流量跟隨設(shè)定值;對于計量秤,要輸出和流量成線性關(guān)系的電流模擬信號,作為其它控制設(shè)備的輸入控制信號。對模擬量輸出接口的要求,一個是精度的要求,另一個是可靠性的要求。智能化儀表中,由于采用了以CPU為核心的數(shù)字化處理技術(shù),儀表的輸出通道要完成數(shù)字量到模擬量的轉(zhuǎn)換。為了滿足可靠性的要求,輸出通道要采用隔離技術(shù),以防止現(xiàn)場的干擾信號污染到儀表。盡管DAc和電壓電流變送技術(shù)早已廣泛地應(yīng)用在儀表中,但隨著IC技術(shù)的發(fā)展,各種新的、更有特色的專用IC芯片的出現(xiàn),使輸出通道的性能得到了進一步的提高,而成本得到了降低,同時給設(shè)計提供了更多的方便性和靈活性。如近年來串行ADC和DAc越來越多地應(yīng)用于計算機測控系統(tǒng)的控制和數(shù)據(jù)采集中,這種芯片將傳統(tǒng)的CPU數(shù)據(jù)總線連接減少到2~3根CPU口線。這就大大降低了信號隔離的成本,可以淘汰昂貴的模擬信號隔離放大器或線性光隔,代之以便宜的數(shù)字光隔。用SPI接口的DAC芯片MAX538和V/I變送芯片AD694組成的模擬輸出通道如圖3所示。和CPU的連接只需3根口線,其中的數(shù)據(jù)線和時鐘線還可和其它同類型接口芯片共用,只用3個數(shù)字光隔即可完成隔離,成本很低。MAX538是單電源、低功耗、電壓輸出12位串行DAC,具有8引腳DIP/SO封裝,最大串行時鐘頻率為14MHz,數(shù)字更新頻率為877kHz。AD694是單片大信號輸入電壓/電流變換器。電流輸出可以設(shè)置成標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA環(huán)路電流,其輸入可通過對管腳的不同連接來實現(xiàn)0~2V、O~10V等范圍的變換。該芯片具有很高的線性度,僅有0.002Ko的典型非線性度。MAX538的滿度輸出電壓為2V,而AD694可以接成2V輸入,同時AD694片內(nèi)又可提供MAX538需要的2V參考電壓,所以2個芯片共同使用可以配合得非常好,電路簡捷,不須調(diào)試就可達到很高的精度。

4.儀表結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

電子膠帶秤往往作為計量或配比控制系統(tǒng)中的個組成部分,安裝在工業(yè)現(xiàn)場,而膠帶秤控制儀表一般要安裝在集中控制室中。兩者之間的距離近則數(shù)十米,遠則數(shù)百米。因此,傳感器和控制信號的傳輸是必須要考慮的一個問題。傳統(tǒng)的方法是采用電流環(huán)的方式傳送荷重傳感器信號、測速傳感器信號和變頻器速度給定信號,每臺膠帶秤需要遠距離傳送的信號線路為3對。而筆者設(shè)計的儀表采用分體式結(jié)構(gòu),將儀表的測量控制部分和人機界面分開,將儀表的控制部分放在現(xiàn)場的秤體旁邊,做成一個密閉的機箱,這部分除了沒有人機操作界面外,是一個完整的可以獨立工作的膠帶秤控制系統(tǒng)。它的計量數(shù)值通過RS485數(shù)字通信接口遠傳到集中控制室內(nèi)的儀表或計算機,現(xiàn)場只完成數(shù)據(jù)的顯示和膠帶秤工作參數(shù)的設(shè)定。這種方案即使有十幾臺電子膠帶秤,遠傳信號線也只有1對,傳送距離比電流環(huán)方式更遠,也簡化了設(shè)計、降低了成本,便于維護。

5.結(jié)語

以上介紹的膠帶秤控制儀表的優(yōu)化設(shè)計方法,均已在實際設(shè)計中采用,并取得了良好的效果。

 

 

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