礦用電子皮帶秤井下計量儀表的設計

郝偉棟，李麗宏，禹琳琳

（太原理工大學信息工程學院，山西太原030024）

信息化建設是未來煤礦工作的主題。目前，各種關于工業現場安全性問題的強制性法律法規亦相繼出臺，礦用計量監測產品相繼成為礦用產品領域的焦點。礦用電子皮帶秤是煤礦生產計量和監測的主要工具，組成結構分為復合式配置和本質安全型配置[1]。復合式配置是指將數據采集和傳輸部分安裝在井下皮帶秤現場，計量儀表安裝在井上的調度室。這種組成結構在皮帶秤調零、標定時需要通過電話與調度室聯系，同時現場需維護的環節較多。而本質安全型配置是指將數據采集和計量儀表設計在一起安裝在皮帶秤旁邊，操作和維護方便。

1 礦用電子皮帶秤組成

礦用電子皮帶秤由秤架（固定架和懸浮架）、稱重傳感器、速度傳感器、計量儀表和隔爆兼本安直流穩壓電源5部分組成。一般為了方便統計計量數據，還會在煤礦調度室增加一套上位機軟件和打印機。礦用電子皮帶秤組成結構如圖1所示。

圖1 礦用電子皮帶秤組成結構圖Fig.1Electronic belt weighing system structure chart

礦用電子皮帶秤各組成部分均為本安型或隔爆兼本安型設計，可以工作在有爆炸性氣體或粉塵的危險環境內。計量儀表采集稱重傳感器和速度傳感器信號，運算處理后經過通訊模塊發送給上位機。計量儀表支持以太網和RS485通訊方式，通過液晶顯示器和鍵盤完成人機交互。

2 電氣設計

計量儀表以STM32F103VB處理器為硬件核心，擴展了以太網接口、RS485通訊接口、頻率采集、AD、開關量采集、實時時鐘、液晶顯示器、紅外遙控器接口和鍵盤。RS485通訊接口選用SN75LBC184，它具有較強的抗雷擊能力，對一些環境比較惡劣的現場，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護元件，為了增強儀表的抗干擾能力，選用TLP521將處理器和SN75LBC184進行隔離，選用DC/DC模塊IBO505將SN75LBC184的供電電源與儀表主電路電源隔離。D1～D4為穩壓二極管，D1和D3的穩壓值為12 V，D2和D4的穩壓值為7 V，以保證將信號幅值限定在-7～12 V之間，提高抗過壓的能力[1]。R21是一個線路匹配電阻，可以減少線路上傳輸信號的反射，電路設計如圖2所示。

圖2 RS485通訊接口電路圖Fig.2RS485 communication interface circuit

計量儀表重量信號采集電路選用高精度24位串行A/D轉換器CS5532，搭配2.5 V高精度基準電壓芯片AD780，時鐘頻率為4.915 2 MHz，配置參數為輸出更新速率為12.5 Hz，系統增益為256，有效分辨率為16位。重量信號采集電路中的數字電源VCC和模擬電源AVCC由磁珠隔離。R27、R28、C62和C63構成了正反向兩路低通濾波，能夠消除高次諧波和大部分高頻噪聲信號，減輕在進行諧波分析時出現的頻譜混疊現場。D8、D9、D11和D12構成限壓電路，防止外部輸入線路串入較高電源損壞芯片，電路設計如圖3所示。

3 軟件設計

軟件基于C語言設計，采用IAR Embedded Workbench編譯環境，包括主程序設計、通訊程序設計、重量信號采集程序設計、紅外解碼設計、液晶顯示程序設計、開關量輸入程序設計、鍵盤程序設計等。計量儀表通過以太網和RS485通訊方式與上位機交換數據，通過上位機軟件可以查詢計量儀表的產量記錄和計量參數。由于RS485對井下安裝線路要求比較低，而且不需要增加礦用交換機，所以大部分煤礦選用RS485通訊方式。RS485數據幀格式采用ASCII編碼方式，即將一位十六進制數（如：0x3E）分成2個字節的ASCII碼（0x33和0x45）傳輸[2]。這種編碼方式可以避免數據幀有效段內容出現與數據幀起始位或結束位一樣的字節。RS485通訊程序流程圖如圖4所示。

圖3 重量信號采集電路Fig.3Weight of the signal acquisition circuit

CS5532在啟動時有20 ms延遲，20 ms之后再對其進行初始化。由于CS5532不能上電復位，所以需要處理器通過ADC串口發送初始化序列，即至少15個SYNC1（0xFF）命令字節和1個SYNC0（0xFE）命令字節，使ADC串口進入命令模式，然后設置配置寄存器的RS位，完成芯片復位[3]。CS5532初始化代碼如下：

void CS5532_init（）

{

ulong u32_temp1；

uchar u8_temp1；

for（u8_temp1=50；u8_temp1!=0；u8_temp1--）

{write_cs5532_byte（SYNC1）；}

write_cs5532_byte（SYNC0）；//初始化CS5532串行接口write_cs5532_config（0x20000000）；//00100000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 RS=1

Delay_us（200）；//延時至少20 μs

write_cs5532_config（0）；//0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000 0000RS=0

圖4 RS485通訊程序流程圖Fig.4Flow chart of RS485 communication program

read_cs5532_config（&u32_temp1）；//初始化參考電壓模式以及配置寄存器中的其他位

u32_temp1=0x02080000；//0000 0010 0000 1000 0000 0000 0000 0000VRS=1；FRS=1

write_cs5532_config（u32_temp1）；//配置寄存器0000 001 00 0 0 0 1 000 0000 0000 0000 0000

write_cs5532_gain_reg（1，0x08000000）；//總放大倍數為8×32

write_cs5532_CHsetup（1，0x29C0）；//選擇物理通道1

start_cs5532（1，1）；//開始轉換

}

計量儀表的稱重傳感器接口采用并聯接入設計，這種設計可以增強重量信號采集電路的抗干擾能力。另外，與串聯設計相比，并聯接入設計可以避免因個別稱重傳感器損壞而導致計量儀表采集不到數據的問題。稱重傳感器采用5 V供電，精度為2 mV/V，滿量程輸出為10 mV。CS5532可測量的滿量程輸入信號的范圍由增益設定和VREF+、VREF-決定，計算公式為：（（VREF+）-（VREF-））/（G×A），其中G為增益放大器的系數，VREF+和VREF-分別為參考電壓的正和負，A的值由參考電壓選擇位VRS決定，當VRS設為0時，A=2，當VRS設為1時，A=1[4]。重量信號采集電路參考電壓設計為2.5 V，即VREF+為2.5 V，VREF-為0 V，CS5532初始化程序設定VRS為1，A=1，增益G設置為256，所以CS5532可測量滿量程輸入范圍為2.5/256≈9.7 mV，因礦用電子皮帶秤根據最大流量選配稱重傳感器時都會有一定裕量，即礦用電子皮帶秤最大流量時稱重傳感器輸出不會超過9 mV，所以CS5532的參數配置可以滿足礦用電子皮帶秤測量精度的要求。

4 安全設計

計量儀表采取了多種防爆措施，防爆型式是本質安全型。計量儀表通訊回路采用齊納式安全柵電路將本安端和非本安端進行隔離，如圖5所示。R1選用10 Ω、0.5 W的金屬厚膜電阻，用于限制可能流過本安電路的電流，4只齊納二極管Z1～Z2組成雙重過壓保護電路進行限壓。在正常操作條件下，非本安端之間所加的電壓低于最高工作電壓Umax（更低于齊納二極管的擊穿電壓），此時齊納二極管處于不導通狀態，除有極微小的漏電流以外，其為“開路”狀態，當非本安端發生故障，例如混入高電壓時，使齊納二極管反向擊穿，呈“導通”狀態，此時齊納二極管把混入的高電壓限制在齊納電壓上[3]。因齊納二極管導通，其電流急劇上升，熔斷器瞬時熔斷，切斷了流向現場的高電壓，防止了高電壓引爆現場爆炸性物質的危險，保護了現場設備及人員的安全。為防止齊納二極管和走線短路，齊納二極管下面禁止布線，一方面保證系統的安全防爆特性，另一方面增強系統的抗干擾能力，從而提高系統運行的可靠性[4]。

圖5 安全柵電路Fig.5Safety barrier circuit

為防止檢修或替換影響本質安全性能的任何單元，用WCC-87阻燃性環氧樹脂將安全柵全部灌封。WCC-87阻燃性環氧樹脂的組分樹脂（包括阻燃劑）和固化劑配比為100∶2，粘度為950±100厘波，灌封部位應除灰塵和雜質，保持干燥，灌封料液面需超過安全柵3 mm，灌封后在室溫擱置4 h，再放入恒溫箱（80℃）固化4 h，灌封料表面須無凸起、裂紋和泡孔現象[5]。

5 結束語

計量儀表將信號采集、數據處理、遠程傳輸和防爆技術應用到設計中，在生產過程中，計量儀表電路板要涂覆至少兩次三防漆，以有效地防潮防塵防靜電。出廠前要進行嚴格的檢驗，包括外觀及結構檢查、主要技術指標測試、工作穩定性試驗、電源波動能力試驗、絕緣電阻測試和工頻耐壓試驗[6]。經測試，計量儀表重量信號零點溫度性能為：＜0.5 μV/℃，重量信號滿量程溫度性能：＜15 ppm/℃，重量信號線性度誤差：＜0.02%F.S，經國家防爆檢驗機構特定的電路分析測試認證，設計本安參數為：Ui=5.8 V，Ii=1.4 A，Li=0，Ci=40 μF。

[1]季國林.基于STM32的礦用電子皮帶秤儀表的設計[D].太原:太原理工大學，2010.

[2]季國林，李麗宏.煤炭產量遠程監測裝置的設計與應用[J].電子設計工程，2010，18（8）:64-67.JI Guo-lin，LI Li-hong.Design and application of coal remote monitoring device[J].Electronic Design Engineering，2010，18（8）：64-67.

[3]徐建平.“防爆安全技術講座”第10講安全柵與安全儀表安全參數的確定[J].自動化儀表，2008，29（12）：75-79.XU Jian-ping.Lecture on“Technology of Explosion Protection and Safety”Chapter X Determining Parameters of Safety BarriersandSafetyInstruments[J].ProcessAutomation Instrumentation，2008.29（12）:75-79.

[4]silicon Valley：Cirrus Logic[EB/OL].2007（2011）.http://www.cirrus.com/cn/products/cs5531-32-33-34.html.

[5]GB3836.4-2000爆炸性氣體環境用電氣設備第4部分：本質安全型“i”[S].北京：中國標準出版社，2000.

[6]GB3836.1-2000爆炸性氣體環境用電器設備第1部分：通用要求[S].北京：中國標準出版社，2000.