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0引言

電子膠帶秤是膠帶輸送機輸送固體散狀物料過程中對物料進行連續(xù)稱重的一種計量設備,它可以在不中斷物料流的情況下測量出膠帶輸送機上通過物料的瞬時流量和累積流量。其特點是稱量過程是連續(xù)和自動進行的,通常不需要操作人員的干預就可以完成稱重操作[1],從而大大提高了生產自動化水平。

傳統的電子膠帶秤控制儀表可分為計量型、控制型、配比型和定量型,多采用單片機實現累積運算,閉環(huán)控制效果差、通信功能不強。參考文獻[2]給出一種電子膠帶秤給料機控制器的設計方法,參考文獻[3]給出一種電子膠帶秤控制儀表的硬件系統設計和流量控制算法。他們研究的都是具有單一功能的電子膠帶秤控制儀表。

隨著對電子膠帶秤控制儀表控制系統要求的提高和高性能微處理器的發(fā)展,采用新型處理器設計多功能智能型電子膠帶秤儀表成為發(fā)展方向。筆者設計了一種基于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

傳統的電子膠帶秤控制儀表都采用一體化結構安裝在遠離現場的地方,現場稱重信號和速度信號經過幾十米到幾百米的距離才能達到儀表,信號易受到干擾。

為了解決模擬信號長距離傳輸的問題,基于ARM的電子膠帶秤控制儀表由數據采集器和顯示控制器2個獨立的部分構成,如圖1所示。數據采集器安裝在現場,顯示控制器安裝在監(jiān)控室,兩者通過RS485接口通信。數據采集器的核心采用帶有24位AD轉換的多功能單片機MSC1210[4],完成稱重信號處理、轉速脈沖整形以及數據采集和運算等任務,可以根據顯示控制器的命令發(fā)送采集的稱重數據和轉速數據。數據采集器可以處理4路獨立的稱重信號(分屬2組)和1路轉速信號。

顯示控制器采用基于ARM的顯示控制器,完成膠帶秤參數設置、零位校準、重量系數校準、實物標定、通信設置、數據保存和查詢、PID控制、數據顯示等任務。顯示控制器具有強大的數據處理和管理能力,具有以太網接口和ModBus協議的RS485接口供用戶使用,方便與PLC等其它工業(yè)控制器通信;可以實時顯示流量曲線,保存和查詢大量的歷史數據;可以實現復雜的閉環(huán)控制算法,提高閉環(huán)控制性能。

2計量原理

傳統的累積量計量方法:先根據瞬時重量和速度計算瞬時流量,然后根據瞬時流量累積得到累積量。該方法一般采用固定的計算周期,當膠帶速度變化較大時,每個計量單元的重量變化較大會導致計量誤差變大。基于ARM的高精度電子膠帶秤控制儀表采用的累積量計量方法:把固定膠帶長度作為一個計量單元,每段單位長度的重量累加起來得到累積量,然后根據瞬時累積量的變化率來計算瞬時流量。

(1)數據采集器以較高速度進行數據采樣并進行抽取和數字濾波運算;

(2)每個轉速脈沖上升沿到來時提取一次稱重信號值,作為該脈沖信號對應的膠帶長度上的物料重量Wi;

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

(4)根據累積量的變化率得到瞬時流量。重量系數C通過實物標定得到。當沒有實物標定的條件時,可以通過掛碼重量來計算,該值與傳感器的靈敏度、每米膠帶對應的脈沖數以及秤架托輥的間距有關。

3儀表軟件設計

基于ARM的電子膠帶秤控制儀表軟件包括數據采集器軟件和顯示控制器軟件2個部分。

3.1數據采集器軟件

數據采集器軟件程序流程如圖2所示,AD轉換初始化主要設置通道極性、基準電壓類型、增益倍數、模擬時鐘分頻倍數等;串口初始化主要設置工作方式、波特率等。膠帶速度測量方法采用測脈寬的方式,即根據2個相鄰速度脈沖上升沿之間的時間來計算速度。串口接收中斷主要處理接收的命令幀,根據命令碼發(fā)送相應的響應。命令幀的類型包括對數據采集器的參數設置命令和讀取數據的命令,收到顯示控制器的讀取數據的命令幀后,會把當前的稱重值、速度值、傳感器故障狀態(tài)等數據放在響應幀中發(fā)給顯示控制器。

AD轉換由MSC1210片內的AD轉換器實現,軟件中只需設置采樣通道后即可從相應的寄存器中讀取AD轉換值,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的LPC2214芯片,軟件開發(fā)工具采用IAREmbededWorkbench[5],操作系統采用C/OS-!,其軟件功能模塊結構如圖3所示。膠帶秤參數設置模塊主要完成對膠帶長度、托輥間距、傳感器參數等與秤架有關的參數設置任務。零位自調整模塊主要完成自動零點標定任務,按照操作人員設定的周期進行零位計算。實物校準模塊主要完成現場實物標定任務,得到計量模型中傳感器輸出電壓與重量之間的稱重系數。與下位機通信模塊主要完成從下位機讀取傳感器測量數據任務。與外部通信模塊主要完成與用戶的外接設備(如PLC、PC機)之間的通信任務,采用ModBus協議。PID控制算法模塊主要完成膠帶速度閉環(huán)控制功能,輸入信號由AD轉換器進入,控制量輸出由DA轉換器輸出4~20mA的電流信號。報警處理模塊主要完成傳感器故障的緊急處理和報警信號的輸出任務。數據保存與打印模塊主要完成累積量的定時保存和報表的定時保存和打印任務。按鍵處理模塊主要完成對按鍵的響應和處理操作任務。

4實驗結果

筆者在實驗室制作了樣機,其中數據采集器的放大電路采用AD620集成運放。采用實物定標的方式得到重量系數C,定標時放料重量為3.9t,定標完成后,連續(xù)做4次動態(tài)計量試驗,每次放料速度各不相同,得到的計量結果如表1所示。

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

5結語

基于ARM的電子膠帶秤控制儀表采用由數據采集器和顯示控制器2個獨立的部分組成的設計方式,不僅提高了儀表的抗干擾能力,而且方便升級,只要兩者之間的通信協議不變,每部分都可以采用較先進的技術實現。采用ARM處理器設計顯示控制器,提高了儀表的運算處理能力,便于擴充儀表的功能和實現先進的控制算法。

 

 

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