分體式電子皮帶秤的設計與實現

邵 軍 許浩峰 雷宇紅

(上海自動化儀表股份有限公司技術中心，上海 200072)

分體式電子皮帶秤的設計與實現

邵 軍 許浩峰 雷宇紅

(上海自動化儀表股份有限公司技術中心，上海 200072)

針對工礦領域散裝物料動態計量存在計量精度低、計量設備運行欠穩定等問題，對動態稱重工作原理進行分析研究，設計了一套分體式電子皮帶秤作為動態計量設備。設備通過ARM7芯片對物料重量信號和速度信號實施實時采集，并依據動態計量計算公式，實現物料流量的實時計算。設備同時具有標準的4～20 mA模擬信號輸出接口和RS-232通信接口，工廠DCS和本地上位機可以通過上述接口實施設備監控。產品測試和應用表明，該方案設計的電子皮帶秤運行可靠，計量精度高，產品適用性好。

電子皮帶秤 動態稱量 ARM7 重量采樣 速度采樣 流量計算

0 引言

電子皮帶秤是皮帶輸送機輸送固體散裝物料過程中對物料進行連續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皮帶輸送機上通過物料的瞬時流量和累積流量。

長期以來，物料的計量主要采用靜態分批方式稱重，如使用各種臺秤、地磅衡、料斗秤等。這樣的稱重方式要求有一個專門的稱重工序，且在物料處于靜態的情況下進行稱重。而對于大規模生產所要求的連續運行工藝過程來說，固體物料分批稱重破壞了輸送過程的連續性，這往往是不允許的;隨著生產規模的擴大，由皮帶輸送機輸送的物料每小時高達數百噸、數千噸甚至數萬噸，在這種情況下，需要增加龐大的稱重設備且花費過多的時間，在經濟上也是非常不合算的。這兩點是皮帶秤存在廣泛的市場需求的基本原因。

皮帶秤的優點可以概括為連續和自動，即皮帶秤可以在輸送物料的過程中同時完成稱重，且在稱重的整個過程中不需要人工干預［1］。

1 皮帶秤系統組成及工作原理

1.1 系統組成

系統由流量積算器、信號轉換器、秤架、速度傳感器、稱重傳感器等5部分組成，結構如圖1所示。

圖1 皮帶秤系統組成示意圖Fig.1 The composition of belt weighing system

為使系統免受落料沖擊，系統稱重橋架安裝在傳送帶中端靠后的托滾位置上，橋架根據力平衡原則安裝一組或者兩組稱重傳感器。加裝速度傳感器的同步轉輪通常安裝在秤架正下方皮帶中線左右，可以避免速度測量受皮帶跑偏影響［2］。接收上述兩組信號的轉換器通常安裝在橋架位置的落地支架側面。積算器與轉換器通過RS-485通信總線連接，通常安裝在傳送帶橋架附近的儀表箱中。上位機設置在監控室中，通過另外一條RS-485通信總線可與現場多個積算器相連。

1.2 系統動態計量原理

轉換器通過電橋測量由稱重傳感器傳送過來的質量壓電信號，并完成模擬量到數字量的轉化;轉換器通過脈沖計數測量得到表示皮帶速度的參數-脈沖增量。積算器通過RS-485通信總線，以主從通信的方式定時與轉換器進行數據通信，獲得轉換器上傳的質量參數和速度參數。積算器將接收到的質量參數和速度參數還原成該時間段內通過秤架的物料小段的信息，通過這些信息實現動態計量。基本計量原理公式如下:

式中:dW為任意時間小段內通過秤架的物料質量，kg;q為該時間小段內物料的線密度，kg/m;dx為該時間小段內皮帶運動的長度，m;v為該時間小段內皮帶的傳動速度，m/s;dt為該小段時間的長度，s;W為在較長時間段內通過秤架的物料質量，kg;t0為該較長時間段的起始時刻點，s;t1為該較長時間段的終點時刻點，s;ADload為儀表載荷稱量時儀表測量的質量信號采樣值;ADbelt為皮帶經過“調皮”標定過程測量得出的皮帶動態情況下A/D采樣的平均效應值;K為計量系數，kg/m;ΔN為皮帶移動距離脈沖，m。

式(4)是將式(3)離散化并引入實際參數得到的。系統在“載荷稱量”之前，先進行“空載調皮”操作，獲得一個反映皮帶空載特性運行的參數ADbelt;然后再進行“標定”操作，獲得一個反映皮帶載荷特性的參數K。

2 主要電路

主要電路包括質量信號采樣電路、速度信號采樣電路以及CPU主板和通信電路。

2.1 質量信號采樣電路

稱重傳感器采用TEDEA 616，采樣電路以芯片ADS1232為核心設計。ADS1232是一款高度集成的Δ-Σ模數轉換器，可以滿足低電平、高精度測量要求。采樣輸出速率為每秒80次采樣，采樣有效位接近23位，適用于衡器應用［3］。傳感器采樣電路原理圖如圖2所示。

圖2中:+in和-in為該傳感器的激勵輸入端，由轉換器引出，為5 V;+sense和-sense為激勵反饋端，引向轉換器做模數轉換;+out和-out為傳感器的信號輸出，由傳感器受重和具體傳感器量程決定。本設計中傳感器額定輸出為2 mV/V，所以模擬信號范圍在10 mV以內。系統通常使用4組傳感器，4組傳感器的輸出電壓信號經一個接線盒作阻值平衡調節，最終形成一路模擬量信號做模數轉換。

圖2 傳感器采樣電路圖Fig.2 Sampling circuit of sensors

2.2 速度信號采樣電路

速度信號采樣電路利用測速傳感器機械滑輪與傳送帶之間靜摩擦產生齒輪旋轉，進而產生與皮帶速度相關聯的電脈沖信號，電路原理如圖3所示。

圖3 速度傳感器采樣電路圖Fig.3 Sampling circuit of speed sensors

當同步齒輪隨皮帶轉動時，信號端產生的脈沖信號經過光耦隔離，傳送至轉換器的處理器中。轉換器處理器根據計算節拍內脈沖計數增量和齒輪齒距規格，計算出這段時間皮帶移動的距離，進而計算出皮帶在這段時間內的速度。

2.3 CPU以及通信電路

處理器采用ST公司的ARM7系列STR731F芯片。該芯片是32位RISC指令集ARM7TDMI內核芯片，通過外接8 MHz晶振，配置啟用PLL模塊，可工作在24 MHz主頻上，處理速度滿足數據計算、通信等要求。芯片帶有4個UART口，滿足系統需要的通信端口數量要求;芯片運行適用溫度范圍為-40～85℃［4］，匹配系統戶外運行要求;芯片通過JTAG接口配合使用IAR EWARM集成開發工具，可以實現在線仿真，便于調試［5］;配合MAX705作為外置式復位電路，可以在系統工作異常時重置處理器。通信電路主要器件采用了光耦TLP521和RS-485 收發器 SN65HVD［6］。

3 主要軟件模塊

3.1 計算模塊

計算模塊如圖4所示。

圖4 計算模塊Fig.4 Calculation module

考慮到通常情況下皮帶速度和信號采樣模型，系統的計算間隔時間定為100 ms，即每100 ms數據就位一次，積算器將收到數據幀中的質量采樣值和表示位移的脈沖增量相乘，乘積填充至堆棧進行濾波處理，然后經過數值與單位換算得出該100 ms內的物料流量。經過判斷，該物料流量若處于“死區流量”之上，則利用式(5)計算出該時間段內的物料增量，最后更新物料的總累計值。

3.2 通信模塊

通信模塊如圖5所示。

圖5 通信模塊Fig.5 Communication module

在轉換器的通信模塊中，積算器與轉換器之間采用主從通信結構［7］。積算器作為主設備依靠定時器定時間隔100 ms與轉換器做請求應答通信。作為從設備，當接收到正確的主機通信后，轉換器首先更改RS-485總線的通信方向，再將發送緩存中首地址對應的內容送至UART端口的發送寄存器中，并啟動字節間隔定時器。當字節間隔定時器到，將發送緩存中上次傳送數據地址的下一個地址對應的數據送至UART端口的發送寄存器中，并判斷此時數據幀是否已發送完。若發送完，則更改通信方向等待下一次主機請求;若沒有發送完，則重啟字節間隔定時器，等待下一次定時時間到再繼續發送。

4 結束語

電子皮帶秤作為散裝物料連續自動稱重領域內主流計量設備，已有多年應用和發展歷史。本文所述方案較傳統方案，具有拍計算間隔短、數據處理精度高等特點，依據本文所設計的電子皮帶秤樣機經應用測試，最高精度能夠達到0.07%。同時，系統支持在線仿真調試，可以方便地開展現場異常數據分析，為故障分析和解決提供高效支持。同時，系統配有豐富的外設信號端口，如4～20 mA信號和RS-232，可以方便地與工廠DCS和現場上位機設備相連;經過軟件微調，可以實現諸如上位機數據庫輸入、微型打印機輸出［8］等輔助功能，以及分爐計量［9］、給料機［10］等特殊功能，最大限度滿足不同用戶需求。試驗結果和工程應用均表明該設計方案的有效性和優越性，具有很好的工程應用價值和廣闊的應用前景。

［1］方原柏.電子皮帶秤［M］.北京:冶金工業出版社，2007:1-4.

［2］國家質量監督檢驗檢疫總局.JJG 195-2002連續累計自動衡器(皮帶秤)［S］.北京:中國計量出版社，2003.

［3］姜伶斌，劉思頌，黨正強.基于ADS1232的高精度測試技術［J］.中國測試技術，2008，34(3):138-140.

［4］沈建華，姜寧.STR71x系列ARM微控制器原理與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006:3-10.

［5］徐愛鈞.IAR EWARM嵌入式系統編程與實踐［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2006:5-21.

［6］李秉榮，劉夫云，魯倪亞.基于RS485和TCP/IP網絡的分布式稱重系統［J］.計算機系統應用，2011(9):35-38.

［7］王超.RS485多機通信在風力發電機中的應用［J］.科技創新導報，2011(4):117-117.

［8］龐蘇娟，張根寶.便攜式微型打印機在電子皮帶秤中的應用［J］.陜西科技大學學報:自然科學版，2011(5):58-60.

［9］李傳江，張自強，徐金龍，等.入爐煤分爐分倉計量系統的設計［J］.工礦自動化，2008(1):65-67.

［10］段良賓.配料電子皮帶秤在燒結生產中的應用［J］.科技信息，2011(25):88-89.

Design and Implementation of the Split Type Electronic Belt Weigher

Aiming at the problems in dynamic metering for bulk materials in industrial and mining fields，e.g.，poor accuracy and unstable operation of the metering devices，the operational principle of dynamic weighing is analyzed and researched，as well as the split type electronic belt weigher is designed as the dynamic metering facility.In the facility，real-time acquisition of the weighing signals and speed signals of the materials is implemented via ARM7，and in accordance with dynamic metering calculation formula，real-time calculation of the material flow is realized.The facility possesses both standard 4 ～20 mA output interface and RS-232 communication interface，through these interfaces，the DCS or host computer in the plant is able to monitor this facility.The test and application of the product show that the electronic belt weigher designed by this strategy runs reliably，and offers high accuracy and applicability.

Electronic belt weigher Dynamic weighing ARM7 Weight signal sampling Speed signal sampling Flow calculation

TH715

A

修改稿收到日期:2012-02-21。

邵軍(1978-)，男，2004年畢業于大連理工大學檢測儀表與自動化裝置專業，獲碩士學位，工程師;主要從事嵌入式軟件、控制系統、智能儀器等方面的研究。