網(wǎng)絡(luò)化高精度和高穩(wěn)定性陣列電子膠帶秤儀表

宗浩， 閣智祺， 華鋼

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué) 信息與控制工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116)

0 引言

電子膠帶秤是一種對(duì)散狀物料進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱量的裝備，可自動(dòng)、連續(xù)計(jì)量，使用方便，效率高，被廣泛應(yīng)用于礦山、港口、工業(yè)、物流等領(lǐng)域[1]。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，電子膠帶秤存在計(jì)量精度低、長(zhǎng)期精度穩(wěn)定性差的問(wèn)題。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展，物流、工業(yè)過(guò)程等對(duì)散狀物料的精確計(jì)量和網(wǎng)絡(luò)化控制需求日益增加，研制網(wǎng)絡(luò)化、智能化、高精度和高穩(wěn)定性的電子膠帶秤已經(jīng)成為計(jì)量行業(yè)亟需解決的問(wèn)題[2]。

提高電子膠帶秤計(jì)量精度的傳統(tǒng)方法主要是設(shè)計(jì)高靈敏秤體、提高稱重傳感器采樣精度等，但很難補(bǔ)償膠帶張力引起的稱重誤差。膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，膠帶張力無(wú)法消除，而通過(guò)并行設(shè)置多個(gè)秤體、構(gòu)成陣列秤的方式能夠減小膠帶張力的影響，從而提高計(jì)量精度與穩(wěn)定性[3]。文獻(xiàn)[3]對(duì)陣列電子膠帶秤進(jìn)行了簡(jiǎn)單的受力分析并提出了設(shè)計(jì)構(gòu)想，但僅限于理論；文獻(xiàn)[4]將人工智能用于陣列電子膠帶秤的故障檢測(cè)和精度補(bǔ)償，但在流量非均勻時(shí)魯棒性較差；文獻(xiàn)[5]利用梁理論建立了陣列電子膠帶秤的精確力學(xué)模型，并結(jié)合過(guò)程極限學(xué)習(xí)機(jī)提出了誤差補(bǔ)償模型，但存在稱重?cái)?shù)據(jù)采集量少、計(jì)算速度慢及結(jié)果反饋延時(shí)大等問(wèn)題。

本文基于陣列膠帶秤的內(nèi)力理論，研制了一種網(wǎng)絡(luò)化高精度和高穩(wěn)定性陣列電子膠帶秤儀表，通過(guò)研究?jī)x表關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方法、分析試驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了儀表功能和性能。

1 基于內(nèi)力理論的陣列電子膠帶秤計(jì)量精度分析

P1=W-2Tsinθ

(1)

δ1=2Tsinθ/W

(2)

(a)理想受力

陣列膠帶秤由連續(xù)等距離L安裝的稱重單元組成。對(duì)于4路稱重陣列的電子膠帶秤，假設(shè)其膠帶張力各處均為T,則理想情況下膠帶秤受力分析如圖2(a)所示。PA，PB，PC，PD分別為稱重單元A，B，C，D的受力，可看出稱重托輥的總有效載荷為4W，均勻分布于4路稱重單元A，B，C，D上。

(a)4路稱重陣列理想受力

當(dāng)相鄰?fù)休侀g存在高度差時(shí)，鄰近輸送托輥的稱重單元A，D與內(nèi)部稱重單元B，C表現(xiàn)出不同的受力性質(zhì)。前者受力情況如圖2(b)所示，受力之和P2和相對(duì)誤差δ2分別如式(3)、式(4)所示；后者受力情況如圖2(c)所示，受力之和P3和相對(duì)誤差δ3分別如式(5)、式(6)所示。

P2=4W-Tsinθ

(3)

δ2=Tsinθ/(4W)

(4)

P3=4W

(5)

δ3=0

(6)

由式(6)可知，雖然內(nèi)部稱重單元受力隨托輥間相對(duì)高度而改變，但其總和不變。因此，內(nèi)力理論認(rèn)為陣列電子膠帶秤具有抵消和補(bǔ)償由內(nèi)部張力引起的稱重誤差的性質(zhì)，雖然首尾端稱重單元的誤差無(wú)法消除，但對(duì)于擁有多個(gè)連續(xù)安裝的稱重單元的電子膠帶秤，稱重誤差得到大幅降低。

N路稱重陣列的電子膠帶秤稱重誤差只由首尾輸送托輥對(duì)鄰近的2個(gè)稱重單元的張力決定，如圖2(d)所示，Pl，Pr分別為左右(首尾)兩端稱重單元的受力。此時(shí)稱重單元受力之和P4和相對(duì)誤差δ4分別如式(7)、式(8)所示。可見(jiàn)膠帶秤的稱重陣列中稱重單元越多，精度越高。

P4=NW-2Tsinθ

(7)

δ4=2Tsinθ/(NW)

(8)

內(nèi)力理論表明兩端膠帶張力是造成稱重誤差的主要原因，隨著稱重單元增多，首尾兩端膠帶張力占比變小。因此，陣列電子膠帶秤在長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)程中可明顯改善溫度、載荷、膠帶速度變動(dòng)等引起的膠帶張力變化對(duì)計(jì)量精度的影響，計(jì)量精度的長(zhǎng)期穩(wěn)定性也得到較大提高。

2 電子膠帶秤儀表總體方案

2.1 需求分析

兼顧性能與成本，陣列電子膠帶秤通常以擴(kuò)展8路稱重陣列為宜。本文設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)化高精度和高穩(wěn)定性陣列電子膠帶秤儀表除8路稱重陣列的動(dòng)態(tài)計(jì)量功能外，還具備邏輯控制、人機(jī)交互、掉電存儲(chǔ)、工業(yè)控制與通信、互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控等功能[8-9]。需求分析如下。

(1)8路稱重陣列動(dòng)態(tài)計(jì)量：支持對(duì)8路稱重陣列進(jìn)行同步采樣與累計(jì)計(jì)量。

通過(guò)上述的比較和分析，大陸和臺(tái)灣教材無(wú)論是在整體結(jié)構(gòu)上，抑或內(nèi)容組織和編排上都存在一些差異，且這些差異也反映出二者理念的異同，與此同時(shí)，這些編排和理念的差異或?qū)?duì)教學(xué)實(shí)踐有所影響．

(2)人機(jī)交互：人機(jī)界面美觀、操作方便，具有顯示、控制、報(bào)警等功能。

(3)掉電存儲(chǔ)：儀表參數(shù)、稱重累計(jì)量的掉電保存及上電讀取功能。

(4)工業(yè)控制與通信：擴(kuò)展8路24 V數(shù)字量輸入/輸出接口、4路4～20 mA模擬量輸出接口、2路4～20 mA模擬量輸入檢測(cè)接口、2路RS485與RS232通信接口和1路CAN接口。

(5)聯(lián)網(wǎng)功能：上位機(jī)軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)對(duì)儀表進(jìn)行監(jiān)控。

2.2 總體結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)化高精度和高穩(wěn)定性陣列電子膠帶秤儀表總體結(jié)構(gòu)如圖3所示。其以高性能ARM處理器STM32F767為控制核心，選用合適的稱重傳感器，并設(shè)計(jì)稱重采樣電路和測(cè)速電路實(shí)現(xiàn)8路稱重陣列的擴(kuò)展與動(dòng)態(tài)計(jì)量。考慮到讀寫速度，模數(shù)轉(zhuǎn)換器接口以SPI為宜。儀表通過(guò)RS485總線、Modbus協(xié)議與MCGS觸摸屏連接，實(shí)現(xiàn)電子膠帶秤儀表人機(jī)交互功能。分別通過(guò)IIC和SPI驅(qū)動(dòng)EEPROM和SPI FLASH實(shí)現(xiàn)掉電存儲(chǔ)功能。考慮到儀表參數(shù)數(shù)據(jù)量大但寫入頻率低、稱重累計(jì)量數(shù)據(jù)量小但寫入頻率高，將儀表參數(shù)存入高速、擦寫次數(shù)為10萬(wàn)次的SPI FLASH，將稱重?cái)?shù)據(jù)寫入低速、擦寫次數(shù)達(dá)100萬(wàn)次的EEPROM。按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)24 V數(shù)字量、4～20 mA模擬量的輸入/輸出，通過(guò)RS485，RS232，CAN接口實(shí)現(xiàn)與其他現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的通信,通過(guò)驅(qū)動(dòng)以太網(wǎng)接口和標(biāo)準(zhǔn)TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)對(duì)儀表的遠(yuǎn)程監(jiān)控和故障診斷。

圖3 網(wǎng)絡(luò)化高精度和高穩(wěn)定性陣列電子膠帶秤儀表結(jié)構(gòu)

3 電子膠帶秤儀表關(guān)鍵技術(shù)

3.1 稱重采樣電路

稱重采樣電路將載荷的重力轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，由稱重傳感器、儀表放大電路[10]和模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成，如圖4所示。稱重傳感器為定制型高輸入阻抗(1 100 Ω)的電阻應(yīng)變懸臂式壓力傳感器STC500KG，采用10 V供電，最大量程為500 kg，輸出0～30 mV差分電壓信號(hào)。稱重傳感器輸出的微弱差分電壓信號(hào)通過(guò)R1和C2、R2和C3輸入放大倍數(shù)為100的高性能差分放大器LTC1100。LTC1100輸出信號(hào)通過(guò)10 kΩ輸出阻抗輸入低噪聲、高性能模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADS1256的1路差分輸入端。ADS1256具有24位精度、30 kSamples/s數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率、4路差分信號(hào)輸入[11]。

圖4 稱重采樣電路

完整的8路稱重陣列由8路稱重傳感器、8路儀表放大電路及2路模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。2片ADS1256通過(guò)四線SPI總線(MOSI，MISO，SCLK，CS)連接STM32F767，選用中斷方式讀取AD值。ADS1256的DRDY引腳接到STM32F767外部中斷EXIT引腳，每條連線上串接1個(gè)100 Ω電阻，以改善信號(hào)過(guò)沖現(xiàn)象。ADS1256的參考電壓決定了實(shí)際量程與絕對(duì)精度，本文未采用傳統(tǒng)方案——高穩(wěn)定性LDO芯片，而使用稱重傳感器STC500KG的10 V供電分壓，能夠有效抵消電源紋波帶來(lái)的影響。實(shí)際參考電壓為

Vref=VinR6Req/(R6Req+R5R6+R5Req)

(9)

式中：Vin為稱重傳感器供電電壓，Vin=10 V；R5,R6為精密分壓電阻，分別為36，12 kΩ；Req為ADS1256基準(zhǔn)輸入端的等效輸入阻抗，查閱數(shù)據(jù)手冊(cè)可知其為18.5 kΩ，此時(shí)ADS1256的正量程為0～3.36 V。

3.2 測(cè)速電路

膠帶秤滾輪帶動(dòng)膠帶運(yùn)行時(shí)會(huì)通過(guò)測(cè)速傳感器產(chǎn)生正弦信號(hào)，其周期為滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)1圈的時(shí)間。測(cè)速電路把測(cè)速傳感器輸出的正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換成STM32F767可識(shí)別的同頻方波信號(hào)，方波信號(hào)的每個(gè)周期表示膠帶運(yùn)行等同于滾輪周長(zhǎng)距離的時(shí)間，STM32F767通過(guò)檢測(cè)該方波信號(hào)的邊沿做出響應(yīng),實(shí)現(xiàn)定長(zhǎng)采樣功能。

測(cè)速電路包括正弦波轉(zhuǎn)方波電路和遲滯回環(huán)電路，如圖5所示。正弦波轉(zhuǎn)方波電路基于電壓比較器LM393和光電耦合器TLP521設(shè)計(jì)，其輸出的方波信號(hào)接到STM32F767外部中斷EXIT引腳上。LM393為雙電壓比較器，門限電壓由24 V電壓經(jīng)過(guò)7.5 kΩ和1 kΩ電阻分壓得到。當(dāng)輸入端電壓大于門限電壓時(shí)，LM393輸出24 V，TLP521截止；當(dāng)輸入端電壓小于門限電壓時(shí)，LM393輸出0，TLP521導(dǎo)通。周期性的正弦波在EXIT引腳產(chǎn)生同頻方波，但當(dāng)LM393輸入端電壓在門限值附近存在干擾時(shí)，輸出電壓會(huì)產(chǎn)生抖動(dòng)，因此通過(guò)加正反饋的方式設(shè)計(jì)了電壓比較器的遲滯回環(huán)電路[12]，即在電壓比較器輸出端加1個(gè)正反饋電阻R22到正輸入端，組成一個(gè)擁有雙門限值的電壓比較器，如圖5(b)所示。Ui，Uo分別為電壓比較器輸入、輸出電壓；Uom，-Uom分別為輸出的高低電平；U+，U-分別為正負(fù)門限電壓。Ui>U+時(shí)，輸出-Uom，當(dāng)Ui變小直到小于U-，輸出跳變?yōu)閁om，此時(shí)門限電壓為U-；Ui

(a)正弦波轉(zhuǎn)方波電路

3.3 動(dòng)態(tài)計(jì)量算法

采用累加法實(shí)現(xiàn)電子膠帶秤動(dòng)態(tài)計(jì)量。累加法是將膠帶上的物料等距離分段，然后累加得到物料的質(zhì)量總和[6]，即

(10)

式中：n為本次累計(jì)計(jì)量過(guò)程中膠帶轉(zhuǎn)過(guò)的總行程數(shù)；qi為第i段行程上的載荷。

qi與STM32F767讀取的模數(shù)轉(zhuǎn)換器有效值DA呈線性關(guān)系。膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，DA不斷更新。測(cè)速電路每次產(chǎn)生中斷標(biāo)志著膠帶運(yùn)轉(zhuǎn)了等距離長(zhǎng)度，可將此時(shí)的DA代入計(jì)算。

基于累加法的動(dòng)態(tài)計(jì)量流程如圖6所示。將ADS1256配置為自動(dòng)轉(zhuǎn)換模式，當(dāng)轉(zhuǎn)換完成當(dāng)前通道時(shí)在DRDY引腳產(chǎn)生1個(gè)下降沿，STM32F767檢測(cè)到該下降沿時(shí)執(zhí)行中斷采樣程序更新當(dāng)前DA。STM32F767檢測(cè)到測(cè)速電路產(chǎn)生的上升沿時(shí)執(zhí)行中斷累加程序，將當(dāng)前DA和定時(shí)器當(dāng)前值累加。考慮到浮點(diǎn)運(yùn)算耗時(shí)較長(zhǎng)，將計(jì)算程序在主函數(shù)循環(huán)中輪詢，分別代入式(11)和式(12)計(jì)算當(dāng)前累計(jì)量Qj和流量Rj。

(a)中斷采樣程序

Qj=k(ΔGj-NjZ)

(11)

Rj=Qj/Δtj

(12)

式中：k為比例系數(shù)；ΔGj,Nj,Δtj分別為第j次與第j-1次輪詢計(jì)量程序執(zhí)行間隔內(nèi)讀取的DA總和、測(cè)速電路中斷產(chǎn)生次數(shù)、間隔時(shí)間總和；Z為零點(diǎn)，由事先校準(zhǔn)得到。

3.4 其他功能

人機(jī)交互功能通過(guò)驅(qū)動(dòng)MCGS觸摸屏TPC7072Gi實(shí)現(xiàn)，MCGS觸摸屏與儀表之間的物理接口為RS485，通信協(xié)議為Modbus[13]。數(shù)字量輸出功能通過(guò)驅(qū)動(dòng)高帶載能力的反相驅(qū)動(dòng)器MC1413實(shí)現(xiàn)，數(shù)模轉(zhuǎn)換器TLC5618、運(yùn)算放大器LM358和三極管S8050組成恒流電路實(shí)現(xiàn)模擬量輸出，250 Ω取樣電阻、模數(shù)轉(zhuǎn)換器TLC1549實(shí)現(xiàn)模擬量輸入檢測(cè)功能，分別驅(qū)動(dòng)2個(gè)TTL-RS485電平轉(zhuǎn)換器SN75LBC184、1個(gè)雙路TTL-RS232電平轉(zhuǎn)換器MAX232CPE和1個(gè)CAN總線收發(fā)器TJA1050實(shí)現(xiàn)2路RS485接口、1路RS232接口和1路CAN接口的擴(kuò)展。互聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控功能通過(guò)擴(kuò)展以太網(wǎng)物理層芯片LAN8720A和移植輕量級(jí)TCP/IP協(xié)議LWIP實(shí)現(xiàn)[14]。

4 電子膠帶秤儀表試驗(yàn)

在徐州三原稱重技術(shù)有限公司試驗(yàn)車間進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)化高精度和高穩(wěn)定性陣列電子膠帶秤儀表的安裝與試驗(yàn)，如圖7所示。圖7(b)為完整的線路板，與電源、濾波電感等共同安裝至如圖7(c)所示的全金屬外殼內(nèi)部。MCGS觸摸屏安裝在儀表頂部，方便操作。用網(wǎng)線將儀表接入廠區(qū)局域網(wǎng)，使用Python開(kāi)發(fā)上位機(jī)軟件，運(yùn)行環(huán)境為Win10_x64、i3 9100F、8 GB內(nèi)存。上位機(jī)軟件實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)內(nèi)設(shè)備的自動(dòng)添加與遠(yuǎn)程監(jiān)控，運(yùn)行結(jié)果如圖7(e)所示。

(a)整機(jī)外觀

JJG 195—2002《連續(xù)累計(jì)自動(dòng)衡器(皮帶秤)檢定規(guī)程》規(guī)定，除加載實(shí)際物料外，還可采用砝碼、掛碼、標(biāo)準(zhǔn)電信號(hào)等方式模擬恒定載荷。本文選用靜態(tài)掛碼方式將一定質(zhì)量的砝碼掛在托輥上并進(jìn)行連續(xù)累計(jì)，用測(cè)量結(jié)果的極差與均值來(lái)標(biāo)定精度[15]。改變膠帶速度、模擬載荷，進(jìn)行6次試驗(yàn)，每種試驗(yàn)條件下連續(xù)計(jì)量6次，每次計(jì)量時(shí)間為90 000次測(cè)速中斷。稱重誤差為

(13)

試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。可看出該儀表的稱重誤差為0.03%左右，且改變膠帶速度和載荷量對(duì)精度影響很小，表明本文設(shè)計(jì)的儀表兼具高精度與高穩(wěn)定性特點(diǎn)。

表1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

基于陣列式電子膠帶秤的誤差補(bǔ)償原理——內(nèi)力理論研制了一種網(wǎng)絡(luò)化高精度和高穩(wěn)定性陣列電子膠帶秤儀表，并對(duì)其進(jìn)行了全面試驗(yàn)。結(jié)果表明，采用靜態(tài)掛碼方式時(shí)，該儀表稱重誤差僅為0.03%左右，且對(duì)膠帶速度和載荷引起的張力變化不敏感，兼具高計(jì)量精度及高穩(wěn)定性。該儀表擴(kuò)展了多功能人機(jī)交互、掉電存儲(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)化工業(yè)控制與通信接口擴(kuò)展、聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控等功能，有較大的工程應(yīng)用價(jià)值。后續(xù)將圍繞電子膠帶秤的故障在線診斷識(shí)別和溫濕度、角度等參數(shù)對(duì)精度的影響展開(kāi)研究，進(jìn)一步提高其計(jì)量精度及穩(wěn)定性。