（机械电子工程专业论文）动态称重控制器的开发与算法的研究.pdf

摘要 摘要 动态称重控制器的开发与算法的研究 研究生：吴旋指导老师：张赤斌副教授 ( 东南大学机械工程学院，南京) 动态称重控制器作为一种测量和控制带式输送机物料流量的实时控制器，能够对物料流量进行准 确测量，保证配料的精确比例，实现生产过程自动化，提高生产效率和产品质量，广泛用于化工、水泥、 钢铁等行业。 本文根据实际项目需要，在充分结合当前国内外各种技术的基础上，介绍了配料控制系统的自动 配料过程和动态计量原理。分析了动态称重的土要矛盾，以及影响称重精度的诸多因素。对配料控制器 的硬件设计和软件设计进行改进，同时对控制算法进行了研究。论文的主要研究内容如下： 1 ) 研究了动态称重控制器的硬件构成及设计，对s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机系统、重量信号输入模块、 速度信号输入模块、4 , - - 2 0 m a 输出模块、键盘与显示模块、开关量输入与输出模块、r s 4 8 5 串行通讯模 块等进行了详细的说明。 2 ) 完成了动态称重控制器的软件设计和开发，对重量数据处理模块、速度数据处理模块、流量计 算模块、d a 转换模块、串行通信模块、e e p r o m 读写模块、键盘与显示模块等进行了详细的介绍， 并给出了相应的程序流程图。 3 ) 在分析模糊p i d 控制器的原理及实现步骤基础上，设计实现了模糊p i d 控制器在配料控制系统 中的运用。最终将调节p i d 参数的控制查询表转化为计算机可以接受的数学模型，用单片机实现对控 制查询表的存储与查询，从而实现对p i d 控制参数的实时修改。 4 ) 在软件中采用抗干扰措施，提高系统的抗干扰能力。使配料控制器能在现场可能的环境温度、 湿度、灰尘的情况下长期稳定运行。 5 ) 根据国家标准，对配料控制器的性能进行测试，试验结果满足要求。 关键字：动态称重，模糊p i d 控制，配料控制 东南大学硕上学位论文 a b s t r a c t d e v e l o p m e n ta n dr e s e a r c ho f a l g o r i t h m o fd y n a m i c b a t c h i n g c o n t r o l l e r c a n d i d a t ef o rm a s t e r ：w ux u a n a d v i s e r ：a s s o c i a t ep r o f z h a n gc h i - b i n ( s o u t h e a s tu n i v e r s i t y , n a n j i n g ) d y n a m i cb a t c h i n g - c o n t r o l l e ri sak i n do fr e a l t i m ec o n t r o l l e r , w i t hw h i c ht h ef l o wo fm a t e r i a l sc a nb e a c c u r a t e l ym e a s u r e d ，t h ea c c u r a c yr a t i oo ft h ei n g r e d i e n t s ，p r o d u c t i o ne f f i c i e n c ya n dp r o d u c tq u a l i t yc a nb e i m p r o v e d o nt h eb a s eo ft e c h n o l o g i e sa v a i l a b l ea th o m ea n d a b r o a da n dt h ep r a c t i c a lp r o j e c t ，t h ea u t o m a t i c b a t c h i n gp r o c e s sa n dt h ep r i n c i p l eo fd y n a m i cm e a s u r e m e n ta r ei n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h ep r i n c i p a l c o n t r a d i c t i o no ft h ec o n t r o l l e ri sa n a l y s e d ，a sw e l la st h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c et h ew e i g h i n ga c c u r a c y t h e h a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ed e s i g na r ei m p r o v e d ，a n dc o n t r o la l g o r i t h mi ss t u d i e d t h em a i nc o n t e n t sa r e c o m p o s e do ft h ef o l l o w i n gp a r t s ： 1 ) t h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o ni nh a r d w a r ed e s i g no ft h i sc o n t r o l l e ra r es t u d i e d p a t i c u l a r l ye a c h h a r d w a r ei si l l u s t r a t e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gm o d u l e so fs t c 8 9 c 5 8 ，w e i g h ts i g n a li n p u t , s p e e ds i g n a li n p u t ， 4 - - 2 0 m ao u t p u t ，d i s p l a ya n dk e y b o a r d ，s w i t c hi n p u t o u t p u ta n dr s 4 8 5s e r i a lc o m m u n i c a t i o n 2 、t h es o f t w a r ep r o g r a md e s i g na n dd e v e l o p m e n to ft h i sc o n t r o l l e ra r ec o m p l e t e d e a c hs o f t w a r em o d u l e i sd e s c r i b e d i nd e t a i la n dt h e c o r r e s p o n d i n gp r o g r a m f l o wc h a r ti s g i v e n ，i n c l u d i n g m o d u l e so f d a t a - p r o c e s s i n g ，s p e e dd a t a - p r o c e s s i n g ，f l o wc a l c u l a t i o n ，d ac o n v e r s i o n ，s e r i a lc o m m u n i c a t i o n ，e e p r o m r e a d - w r i t e ，k e y b o a r da n dd i s p l a y 3 ) t h ef u z z yp i dc o n t r o lp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o ni nt h eb a t c h i n gs y s t e ma r ei n t r o d u c e d ，p a r t i c u l a r l y a n a l y s e da n dd e s i g n e dd e t a i l e d l yi nb a t c h i n gc o n t r o ls y s t e m ，e v e n t u a l l yt h ep i dp a r a m e t e r sa r et r a n s f o r m e d i n t oc o n t r o lq u e r yt a b l et h a tc a nb ea c c e p t e db yc o m p u t e r , a n do n l i n em o d i f i c a t i o no fp i dc o n t r o lp a r a m e t e ri s r e a l i z e dc o n s e q u e n t l y 4 ) a n t i - j a m m i n gm e a s u r e s a r eu s e di nt h es o f t w a r e d e s i g n , t h es y s t e ma n t i - j a m m i n ga b i l i t y i s e n h a n c e d ，s ot h a tt h ec o n t r o l l e rc a nm a k eal o n g - t e r ms t a b l eo p e r a t i o n 5 ) i na c c o r d a n c ew i t hn a t i o n a ls t a n d a r d s ，t h ec o n t r o l l e rp e r f o r m a n c ei st e s t e da n dt h er e s u l tm e e t st h e r e q u i r e m e n t s k e y w o r d s ：d y n a m i cw e i g h ，f u z z yp i dc o n t r o l ，b a t c h i n gc o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。 研究生签名：吴堡 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复 印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办 理。 研究生签名：昙逢导师签名： 第一章绪论 第一章绪论 带式输送机被广泛地用于矿山、冶金、码头和化工等行业，对于散装的同态原料进行自动输送，特 别适合于高温、高空和有害环境下作业。皮带配料秤作为一种测量和控制带式输送机的物料流量的实时 控制器，能够对物料流量进行准确测量，保证配料的精确比例，实现生产过程自动化，提高生产效率和 产品质量n 1 。因此改善现有称重装置、开发研究功能齐全的配料称重控制系统是势在必行的。 1 1 课题研究背景 电子动态称重控制技术是自动化称重控制和贸易计量的重要手段，对加强企业管理、严格生产、贸 易结算、交通运输、港口计量和科学研究都起到了重要作用。电子衡器具有反应速度快，测量范围广、 应用面广、结构简单、使用操作方便、信号远传、便丁计算机控制等特点。5 0 年代中期电子技术的渗 入推动了衡器制造业的发展。6 0 年代初期出现机电结合式电子衡器以来，经过4 0 多年的不断改进与完 善，我国电子衡器从最初的机电结合型发展到现在的全电子型和数字智能型。我国电子衡器的技术装备 和检测试验手段基本达到国际9 0 年代中期的水平埋1 。电子衡器制造技术及应用得到了新发展。电子称 重技术从静态称重向动态称重发展：计量方法从模拟测量向数字测鼍发展；测量特点从单参数测量向多 参数测量发展，特别是对快速称重和动态称重的研究与应用。但就总体而言，我国电子衡器产品的数量 和质量与丁业发达国家相比还有较大差距，其主要差距是技术与工艺不够先进、工艺装备与测试仪表老 化、开发能力不足、产品的品种规格较少、功能不全、稳定性和可靠性较差等。 目前，电子衡器已广泛应用于工农业生产和社会生活的各个领域。随着科学技术的不断发展，电子 衡器也随之不断改进。在很多生产工艺过程中，人们除了要求衡器能准确地进行称量，满足产晶质量的 需要外，还要求称重过程能大幅度提高生产效率。尤其是冶金、煤炭、化工、水泥等行业中，常需要对 散料进行皮带输送过程中的动态连续称量嫡1 ，而且还要对输送中的流鼍进行调节、控制、达到准确的配 比。配料质量控制的优劣直接关系着企业生产能否顺利进行。如果配制的质鼍达不到要求，轻则造成原 料、能源的浪费，重则影响产品的质量和生产率，并且有些重要生产岗位的配料失误甚至会给整个生产 酿成事故。因此，配料精度的高低和配料速度的快慢制约着整个生产的产品质量和产量1 4 1 ，因此应对配 料过程的质量和产量控制给予足够重视。 电子皮带秤自动配料系统可以按照设定配比和流量控制各输入物料的瞬时流量，从而达到控制各种 产品的质量和产量的目的，是实现生产过程自动化和智能化、企业的科学管理、安全稳定生产和节能降 耗的重要技术手段崎1 。微机配料控制系统在生产中的应用不仅可以提高配料质量和产量，也大大减轻了 岗位工人的劳动强度，提高了生产效率。有些企业开发了一些基于皮带秤仪表和p i d 控制器的皮带秤配 料系统，但控制精度不尽人意，易山故障，不能适应许多生产工艺过程中的恶劣环境，不能满足用户日 益增长的设备需求。因此，优化设计研制控制性好、精度高、稳定性好的配料系统至关重要。 1 2 电子皮带秤国内外研究现状 1 9 0 8 年，美国人赫尔伯特梅里克( h e r b e r t m e r r i c k ) 发明了一种皮带输送机使用的称重设备， 那是采用机械方式根据皮带速度和重量进行物料输送量计算的世界上第一台动态称重设备。这种根据重 力测量i 吉| 体物料流量的设备后来被称为梅克型机械式皮带秤。赫尔伯特梅里克用这项发明成立了梅里 克( m e r r i c k ) 公司，开始生产皮带秤”1 。 皮带秤的发展大致经过了四个阶段：上世纪五、六十年代的产品是纯机械式皮带秤，一般采用增量 式编码器、机械式或光电式扫描码盘等，使皮带秤的机械杠杆具有平衡条件、识别记数和启动功能。这 东南大学硕士学位论文 是第一代。第二代是六、七十年代的传感器电子仪表皮带秤，检测部分一般由光电脉冲或磁脉冲变送器 测速，二次仪表用模拟积分放大电路或数字系统积分电路米实现动态称重过程的平衡、识别和累积计算 功能。这两代皮带秤只能测量、累积计算，对运行中计量性能的变化不能控制，因此动态计量准确度较 低、稳定性差，在用户中信誉不佳，逐渐被第三代、第四代皮带秤取代。第三代、第四代是微机智能化 的皮带秤。直至, j 2 0 世纪7 0 年代末，微型计算机被引入皮带秤，使电子元器件结构、内容和集成化程度大 大提高。这时的皮带秤是采用运算准确度远比积分法高的累加法的数字仪表。而且，微机皮带秤扩展功 能通常是靠开发软件来实现的，可以对一些动态变化参数进行控制，如零点跟踪、量程校准等，同时仪 表的显示功能、报警功能、调整功能及自动控制功能也越来越健全。 中国的衡器业是从上世纪五十年代才开始起步的，生产一些最基础的衡器制造产品。1 9 5 4 年辽。j 。沈 阳衡器厂试制了国内第一台梅里克型g l 机械滚轮式皮带秤，随后，辽宁大连衡器厂、江苏徐州衡器厂、 山西长治衡器厂也陆续生产p g l 滚轮式皮带秤。 在1 9 8 2 年以前，国内仅有少数几家研究单位研制电子皮带秤，也仅有十家左右的生产厂制造电子皮 带秤，无论是电子皮带秤的生产，还是电子皮带秤的应用均处于发展的初级阶段：产品种类少、精确度 低、投运率低、应用技术不成熟。 从1 9 8 3 年起，中国改革开放深入发展，电子皮带秤行业也迎来了快速发展的机遇，从只能生产低档 产品发展成产品类别齐全、主流厂家产品性能稳定、基本能适应市场需求的状况。回顾2 5 年的发展历程， 一些标志性的进展值得我们关注”： 1 ) 以多种形式引进国外产品的先进技术 1 9 8 3 年辽宁营口仪器三厂率先从日本人和( y a m a t o ) 公司引进c s e c 型电子皮带秤生产技术，随后 上海华东电子仪器厂从美国梅里克公司、徐州衡器厂从美国拉姆齐( r a m s e y ) 公司，承德自动化计量仪 器厂、成都科学仪器厂、常熟衡器厂联合从德国申克( s c h e n c k ) 公司引进电子皮带秤制造技术，促进了 国内电子皮带秤制造厂的技术改造。 由于中国衡器市场的迅猛发展，国外一些著名的衡器厂商也先后组建合资企业和独资企业。例如美 国拉姆齐公司在徐州组建中美合资企业江苏赛摩拉姆齐技术公司及1 9 9 0 年8 月日本人和衡器有限公司与 上海天合实业总公司共同投资组建中日合资企业上海火和衡器有限公司。进入二十一世纪后，国外一些 著名的衡器厂商在华办事处也纷纷组建独资企业，开始在中国生产部分产品，如皮带秤的秤架、配料皮 带秤的秤体等产品，以降低生产成本，提高在中国市场的竞争力。德国申克公司在天津成立申克工业技 术有限公司，负责中国市场称重及配料设备的进口、组装、制造、市场、销售和技术服务；西门子公司 在大连成立两门子传感器与通讯有限公司，主要面向中国市场，生产和研发包括称重产品在内的各类传 感器及无线通讯设备；瑞+ 哈斯勒( h a s l e r ) 公司在上海嘉定成立哈斯勒工业设备( 上海) 有限公司，专 业生产皮带定量给料机、电子皮带秤等丁业称重计量配料设备；美国拉姆齐公司隶属的赛默飞世儿科技 集团( t h e r m o f i s h e r s c i e n t i f i c ) 公司也在中国建立了包括衡器产品在内的生产基地。 2 ) 发展了多种形式的秤架结构 早期国内生产的电子皮带秤的秤架结构形式为单托辊单杠杆式秤架和悬臂式秤架，制作粗糙、精确 度低、稳定性差，1 9 8 0 年前后虽然开始研制多托辊双杠杆式秤架，但应用数最很少。从二十世纪八十年 代中期开始，国产的多托辊双杠杆式秤架也在一步步改进和完善，如托辊组数在保证用户使用精确度的 前提下从6 组减少为4 组，从带上平衡重结构改进为直接称重结构等等。有多组称重托辊的悬浮式秤架也 得到了较多的应用，特别是在要求测量精确度高、物料块度大、物料流量不均匀等条件下采用较多。而 在对测量精确度要求不高的情况下，结构简单的直接承重式单托辊秤架也开始采用。 3 ) 微机化的二次仪表开发； 早期的国产皮带秤二次仪表功能少，性能不稳定、故障率高，声誉不佳。从二十世纪八十年代中期 开始，国产的微机化二次仪表经过不断完善，主流厂家产品的仪表功能增加、性能较稳定、故障率降低， 逐步得到国内用户的信任。在很多生产现场，国产电子皮带秤主流厂家的微机化二次仪表可以无故障地 工作3 5 年或更长时间，也证实了国产的微机化二次仪表的可靠性确实有提高。 4 ) 皮带秤标准的制定 1 9 8 4 年编制完成了机械工业部专业标准z b y 2 8 1 8 4 “电子皮带秤”，1 9 8 7 年编制完成了国家标准 2 第一苹绪论 g b 7 7 2 1 8 7 “电子皮带秤”，1 9 8 9 年编制完成了国家计量检定规程j j g 6 5 0 - 9 0 “电子皮带秤”，1 9 9 5 年编 制完成了国家标准g b t 7 7 2 1 - 1 9 9 5 “电子皮带秤”，2 0 0 2 年编制完成了新的国家计量检定规程 j j g l 9 5 2 0 0 2 “连续累计自动衡器( 皮带秤) ”，新的国家标准“电子皮带秤”也正在制定中。这些标 准和规程的制定等同采用了国际法自计量组织( o i m l ) r 5 0 “连续累计自动衡器( 皮带秤) ”国际建议， 但也根据中国实际做了一些修改和补充，因而存在少量差异。 这些标准和规程的制定使我国电子皮带秤的生产及检定有了统一的标准，有力地促进了国产电子皮 带秤制造和应用技术迅速提高。 5 ) 多套皮带秤系统试验装置建成 系统试验装置则是专门为进行皮带秤产品性能测试和理论研究工作所建立的装置，衡阳运输机械总 厂建成了我国第一套功能较为齐全的皮带秤系统试验装置，1 9 8 5 年年底，成都科学仪器厂的皮带秤动态 系统试验装置建成，该实验装置由三条不同倾角的试验皮带机、储存料仓、称重料仓、计算机数据处理 系统及人型显示器组成，由于试验皮带机的张力可调、皮带速度可调，因此可对皮带秤进行不同物料、 不同粒度、不同皮带张力、不同皮带速度、不同皮带机倾角等条件下的实物试。 6 ) 皮带秤应用技术的重视和发展 皮带秤要想用好，关键技术是安装环境的选择、安装位置的确定和安装质量的保证。对一台较高精 确度的电子皮带秤来说，安装环境的选择、安装位置的确定和安装质量的保证大致占用好电子皮带秤诸 多因素的8 0 ，而电子皮带秤自身的质量只占2 0 。就安装环境来说，指的是皮带输送机的皮带、托辊、 附属设备及物料状况是否满足皮带秤称重的外部条件；就安装位置来说，通常包括两个方面的内容：选 择安装电子皮带秤的皮带输送机和在选定的皮带输送机上确定安装位置；而安装质量主要指的是安装的 精细程度，其重点是秤架的准直性校准和托辊间距校准。以上几点可以称为皮带秤的现场安装技术，从 众多生产现场的实际运行的经验来看，这是皮带秤应用技术的关键。 皮带秤要想用好，检定和试验上作也非常重要，不进行必要的检定和试验工作，一台皮带秤要想达 到一定的使用精确度是非常凼难的。在1 9 8 9 年编制完成了国家计量检定规程j j g 6 5 0 9 0 “电子皮带秤” 和2 0 0 2 年编制完成了新的国家计量检定规程j j g l 9 5 2 0 0 2 “连续累计自动衡器( 皮带秤) ”中，对检定 和试验t 作有详细的阐述和规定。目前电子皮带秤的检定技术普遍受到重视，各种检定方法都有应用， 而物料试验的手段和方法有所突破，用装在生产流程线上的电子料斗秤进行在线物料试验装置的概念已 为人们接受。一些电厂、冶金工厂、化工厂已经采用了这种检定方法，上海华东电子仪器厂、徐州三原 称重技术公司、徐州华能测控机电设备公司、济南金钟电子衡器公司等均生产这种物料试验装置供用户 选用。 1 3 课题研究的主要内容 本课题将从以下几个方面开展工作： 1 ) 查阅国内外的相关资料，了解电子称重技术的概况及其发展方向，了解称重控制器的功能、原 理，分析动态称重过程的主要矛盾，以及影响称重精度的诸多因素。 2 ) 明确称重控制系统各个功能模块，写出各个功能模块的子程序。动态称重系统主要包括数据采 集、通讯、模拟信号输出、物料称重、显示与键盘等功能模块。对采集到的数据进行数字滤波，以消除 误差，提高采样精度。对串行通讯进行加密，以保证数据的传输安全。 3 ) 设计交互式人机界面。以往的人机界面没有中文提示，操作时一般要依靠说明书，影响操作的 效率。新设计的人机界面采用了液晶进行中文窗口设计，同时为了克服液晶亮度不够的问题，继续采用 数码管进行动态显示物料的重量、流量及其他一些参数。 4 ) 在对称重控制系统进行系统分析的基础上，对称重控制器的控制算法进行研究。提出一种新的 称重控制算法，以提高控制精度。 5 ) 通过改进系统的软件设计，提高系统的抗干扰能力。由于本控制器的r t 作环境比较恶劣，要在 现场可能的环境温度、湿度、灰尘的情况下长期稳定运行，因此抗干扰能力的高低是判断设计成功与否 3 东南大学硕上学位论文 的一个很重要的标志。 1 4 本章小结 本章阐述了动态称重控制器的研究背景和研究现状，找到相关行业可以借鉴的技术，为动态称重控 制器的设计提供指导。同时阐述了课题研究的主要内容。 4 第二章配料控制器的系统分析和计量原理 第二章配料控制器的系统分析和动态计量原理 2 1 配料控制器的系统分析 2 1 1 设计原则 1 ) 应根据国家标准g b t7 7 2 4 1 9 9 9 “称重显示控制器 的各项要求以及其它国家有关标准的要 求进行研发，仪表各项技术参数虑符合相应标准，为产品获取国家的制造许可证作好准备。 2 ) 应具有较高的可靠性，适应在工业现场k 期运行。特别是在现场可能的环境温度、湿度、灰尘 的情况下能长期稳定运行。对工业现场的干扰如变频器干扰、大型电器设备的启停、布线可能产生的干 扰等具有较强的抗干扰能力。 3 ) 具有较强的网络适应能力，根据技术的发展，仪表应具有较强的网络适应能力，使其和常见的 工控系统网络具有接驳能力，使仪表的适应面扩大，符合国际仪表的潮流，为国际化市场作好准备。 4 ) 富有新意的人机对话界面，使用户方便使用，且具有较好的感观和使用效果，尽可能抛弃复杂 的使用说明书，降低用户的使用难度。 5 ) 仪表的设计应尽量增加智能化程度，最人限度地减少人工干预。 2 1 2 主要技术指标 1 ) 仪表称重线性度：0 0 2 f s 2 ) 仪表称重输入灵敏度：0 1 5l av d 3 1 仪表测速正脉冲输入分辨率：0 0 0 1 ( 自动周期测脉宽) 4 ) 仪表测速正脉冲：0 10 0 0 h z ；幅度：5 v - 5 0 v 5 ) 称重传感器供桥电压：1 0 v d c 6 、仪表可带称重传感器数量：4 只 7 ) 仪表与称重传感器距离：1 5 0 0m 8 ) 皮带秤零点信号输入范同：0 3 0 m v 9 ) 皮带秤称重信号输入范围：3 3 0 m v 1 0 ) 皮带秤动态计量准确度：0 2 5 ，0 5 ，1 0 ，( 2 0 1 0 0 额定流量) 1 1 ) 皮带秤动态配料准确度：0 5 ，1 0 ，4 - 2 o ，( 2 0 1 0 0 额定流量) 1 2 ) 仪表供电：一2 2 0 v 2 0 ；电流：l a 1 3 ) 仪表工作温度：1 0 - - 4 - 4 0 1 4 ) 皮带秤工作温度：3 0 - - - t - 6 0 2 1 3 主要功能 1 ) 显示功能。采用七位超高亮l e d 显示，可显示：称重传感器零点值，称重传感器所受载荷，配 料设定值，瞬时流量值，皮带秤皮带速度，p i d 输出电流，皮带秤总累计值， 皮带秤标定累计值。 2 ) 自动校正皮带秤零点( 空秤) 。 3 ) 自动去皮重功能。 5 东南大学硕十学位论文 4 ) 具有手动、自动功能。 5 ) 提供完整的配料控制功能，对物料的流量进行精确的自动控制。 6 ) 密码锁定功能。用户可自行设计锁定密码。选择参数设置、参数标定等菜单的部分或全部加锁。 加锁部分的参数必须开锁后才能操作。 7 ) 具有瞬时流量输出；0 - - - 1 0 m a 或4 - - - 2 0 m a 可选。 8 ) 具有超、缺料；皮带机开、停；皮带跑偏等状态下的卢、光报警，并有相应的开关量输出。 9 ) 可接受外部提供的0 1 0 m a 或4 , - , 2 0 m a 电流信号进行配料设定。 1 0 ) 具有标准r s 4 8 5 通讯接口，2 4 0 0 - - , 1 9 2 0 0 比特；可将3 2 台s a 2 0 1h 仪表接在同一计算机系统 内。 1 1 ) 具有数据断电保护功能( 永久性) 。 2 2 自动配料的过程 企业内常见的皮带秤自动配料系统现场结构组成如图2 1 所示，该结构形式是一种最基本、使用最 广泛的皮带配料系统。 本系统以7 种原料混合的为例。系统共有7 个给料仓，每个料仓下有一给料机，由一台驱动电机带 动，电机的转速就决定了喂料机的流量，电机可采用多种调速方式；每个料仓一卜面有一皮带秤，通过皮 带秤配料控制仪表能称出下料的流量、累计量等数据；所有皮带秤的下面是一输送主皮带，把混合好的 原料送到下级容器中。 2 3 动态计量原理 上皮带 图2 1 配料系统现场结构图 带式物料流的动态计量是在物料输送过程中连续、自动地完成的。为了测量带式物料流在一段时间 ( 或位移) 内的累积重量，可以用累加法或积分法两种方、法【9 1 。 6 第二章配料控制器的系统分析和计量原理 lli l v ( t ) _ _ 互 ，一f 一 一 7 卜 蚓 、- 尺。入乒入入乒扒(纷 。贳文7 ：步二 ， 图2 2 皮带秤计量原理示意图 累加法的计量原理是：当物料通过图2 2 所示的计量段时，输送带每运行一段距离三= 肼时，( k 为称重托辊的个数，此处k = 3 ) ，就测一次称重传感器的力瓦并进行累加。在一段时间内，输送带运行 了n 个三距离，则这段时间的物料累积重量g 即为： g = ( 2 1 ) = l 这种累加方法实际上只用于纯机械式皮带秤的计量中，其准确度很难让人满意。目前广泛采用的是 积分法。 积分法的计量原理是，当物料通过图2 - 2 中的观察界面a 时，若测得f 时刻a 截面处物料的重量分 布g o ) ，并与输送带在同一时刻的速度v ( ，) 相乘，其结果即为物料的瞬时重量流量q o ) 。在一段时间丁 内，物料的累积重量g 为： g = r 嘶协= f q ( t ) v ( t ) c l t 2 4 本章小结 ( 2 2 ) 本章首先介绍了配料控制器的设计原则，主要性能指标及要实现的功能，然后对配料控制系统的总 体配料过程和动态计量原理进行了详细介绍。 7 东南大学硕士学位论文 第三章配料控制器的硬件设计 配料控制器的硬件电路主要有s t c 8 9 c 5 8 r d + 单片机系统、重量信号输入单元、速度信号输入单元、 4 , - , 2 0 m a 输出单元、键盘与显示单元、开关量输入与输出单元、r s 4 8 5 串行通讯单元组成。配料控制器 的硬件结构图如下图3 1 所示： 3 1 单片机系统 图3 - i 硬件结构图 单片机选用宏晶科技生产的s t c 8 9 c 5 8 r d + ，s t c 8 9 c 5 8 r d + 是宏品科技推出的新一代超强抗干扰 高速低功耗的8 能单片机，指令代码完全兼容8 0 5 1 单片机，内有3 2 k 的f l a s h 存储器，1 2 8 0 字节r a m 。 s t c 8 9 c 5 8 r d + 具有如下特点： 1 ) 增强型6 时钟机器周期，1 2 时钟机器周期，8 0 5 1 c p u ； 2 ) 工作频率范围：o _ 4 0 m h z ，相当于普通8 0 5 1 的0 - - - 8 0 m h z ，实际工作频率可达4 8 m h z ； 3 ) i s p ( 在系统可编程) i a p ( 在应用可编程) ，无需专用的编程器仿真器，可通过直接下载程序； 4 ) e e p r o m 功能； 5 ) 看门狗； 6 ) 片内集成m a x 8 1 0 专用复位电路，外部晶体2 0 m 一下时，可省外部复位电路； 7 ) 三个1 6 位定时器计数器； 8 第三章配料控制器的硬件设计 8 ) 超强抗干扰，抗静电； 9 ) 八个中断源，4 个中段优先级； 1 0 ) 通用i o 口，复位后为：p 1 p 2 p 3 p 4 是准双向1 2 1 弱上拉( 普通8 0 5 1 传统i o 口) ，p 0 口是开 漏输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，做i o 口用时，需加上拉电阻； 1 1 ) 工作温度范围：一4 0 一+ 8 5 ； 与其他的51 单片机相比，s t c 8 9 c 5 8 r d + 具有以下优点： 1 ) 速度更快，r a m r o m 空间更大； 2 ) 超强抗干扰； ( 1 ) i o 口：输入、输出口经过特殊处理，每个i o 口均有对v c c 、g n d 二极管箝位保护； ( 2 ) 电源：单片机内部的电源供电系统经过特殊处理，很多干扰是从电源进取的； ( 3 ) 时钟：单片机内部的时钟电路经过特殊处理，很多干扰是从时钟部分进去的； ( 4 ) 看门狗：看门狗打开后无法关闭，可放心省去外部看门狗； ( 5 ) 复位电路：单片机内部的复位电路经过特殊处理，很多干扰是从复位电路进去的； ( 6 ) 宽电压，不怕电源抖动； ( 7 ) 高抗静电( 高e s d 保护) ，轻松过2 0 0 0 v 快速脉冲干扰； ( 8 ) 宽温度范围，4 0 8 5 ； 3 ) 无法解密 单片机出厂时就已完全加密，无法解密。用户程序是用i s p i a p 机制写入，一边校验一边写，无 读出命令，彻底无法解密。 4 ) 三大降低单片机时钟对外部电磁辐射的措施 ( 1 ) 禁止a l e 输出： ( 2 ) 如选6 时钟机器周期，外部时钟频率可降一半； ( 3 ) 单片机时钟振荡器增益可设为1 2 g a i n ； 5 ) 超低功耗 ( 1 ) 掉电模式：典型功耗小于o 1 u a ，可由外部中断唤醒，中断返回后，继续执行原程序； ( 2 ) 空闲模式：典型功耗2 m a ； ( 3 ) 正常工作模式：典型功耗4 m a - - 7 m a ； 3 2 重量信号输入单元 重量信号输入单元包括称重传感器单元、滤波放大单元和a d 转换单元。称重传感器单元用来把 皮带上物料的重量信号转化为毫伏级的电压信号；滤波放火单元主要用来滤去输入信号中的高频干扰， 9 东南大学硕七学位论文 并把毫伏级的电压信号放大送给a d 转换单元；a d 转换单元则是把放大后的电压信号转换为数字信 号。 3 2 1 称重传感器单元 称重传感器的结构形式有电阻应变式、压磁式、差动变压器式、电容式、压电式、振弦式等等。电 阻应变式称重传感器因制作简单、工艺成熟、精确度高( 最高精确度目前可做剑非线性、重复性、滞后 指标优于0 0 1 ) ，一直占据9 0 以上的称重传感器市场份额，国内市场几乎由电阻应变式称重传感器一 统天下。 称重传感器主要由弹性体、应变计、检测电路三部分组成。弹性体是一个有特殊形状的结构件，它 的主要作用是将力转换为形变。应变计是一种传感元件，它的作用是将变形转变成电阻变化。检测电路 的主要部件是惠斯登电桥，它可以比较方便地解决称重传感器的补偿问题，其功能是把电阻应变片的电 阻变化转变为相应的电信号输出。它的基本电路如图3 2 所示【l 训。 + + 图3 2 称重传感器的基本电路图 可以推出： u o = 2 r 4 一r i r 3 ) ( 尺l + r 2 x 尺3 + r 4 虹 ( 3 1 ) 式中r l 、r 2 、r 3 、为应变片电阻；m 为传感器的输入信号；u o 为传感器的输出信号。当r l r 3 = r 2 r 4 时，我们称之为电桥平衡，这时称重传感器的输出电压u o = 0 m v 。 物料重量通过电子衡器的秤体或料斗作用丁称重传感器，称重传感器的弹性体在外力作用下产生弹 性变形，使粘贴在它表面的电阻应变片也随同产生变形，电阻应变片变形后，它的阻值将发生变化( 增 大或减小) 。再经相虑的检测电路，把这一电阻变化转换为电信号( 电压或电流) 输出，从而完成将外力变 换为电信号的过程。 设r 1 _ r 2 = r 3 = r 4 = r ，当受到重力作用后，传感器的应变片电阻发生变化，假设各桥臂阻值变化相同， 变量为r ，即：r 1 、r 3 分别减小r ，r 2 、r 4 分别增大r 时，可以推出传感器的输出电压为： u o = a r r u f ( 3 2 ) 称重传感器与配料控制器之间用屏蔽电缆连接，电缆氏度少则几米，多则愈百米，甚至更长。而传 感器输出电压与激励电压成止比，所以当使用图3 2 所示的四线方式的传感器时，配料控制器内激励电 压的稳定性、电缆电阻受温度变化影响等必然给称重带来测量误差，特别当电缆长度较长时，这时测量 误差更是难以忽视。 为解决这一问题，我们采用入线制传感器，其连接方式如图3 3 所示。 l o 第三章配料 牵制器的硬件设计 图3 - 3 六线制传感器及带比例型a d 测量系统原理图 所谓六线方式即是传感器使用的电缆为六芯电缆，其中两根导线把传感器那一侧的激励电压做为配 料控制器内a d 变换器的基准电感1 1 1 。这样便使a d 转换器这一侧基准电压就等于传感器那一侧激励电 压，与导线长度和导线环境温度改变几乎无关，因此，使系统测量精度得到很大提高。 3 2 2 滤波放大单元 图3 - 4 三运放仪表放火器的结构和抗共模措施 仪表放大器是一种放大输入差分信号电压而抑制两输入端的共模信号的放大器，如图3 - 4 所示。放 人器起到的作用如下i l2 j ： 1 ) 以往人多数a d c 的模拟输入电压范同在l v 到i o v 之间，而多数模转换系统的模拟输入信号比 较小，因此放大器是最基本的外闱模拟电路之一。 2 ) 共模抑制功能，对信号在进行模数转换前先进行调理，实现对噪声的抑制。 3 ) 阻抗变换功能。某些a d c 的模拟输入端输入电阻比较小，而模拟信号源的内阻常常比较大，这 时选用高输入，低输出阻抗的放大器是必要的。 3 2 3a d 转换单元 对于称重系统来说，最重要的参数指标为内码、a d c 动态输人范围、无噪声分辨率、转换速率、 系统增益以及增益的漂移。同时为了降低电源方面的影响，称重系统一般都采用比例测量的方法。 1 ) 内码 衡器的显示分辨从低端的1 - 3 0 0 0 到高端的l ：1 0 0 0 0 。例如，对于一个满量程5 k g ，输出显示1 0 0 0 0 码的衡器，它的分辨率为0 5 9 ，这个在l c d 上的显示称为外码。为了保证外码的精度，通常需要更高 东南大学硕上学位论文 数量级的内码作为保证。例如，一些标准的衡器就需要内码为2 0 倍的外码，因此就需要l ：2 0 0 0 0 0 的 内码分辨率。 2 ) a d c 动态范围 当传感器满量程输出6 m v ，增益设为2 5 6 时，a d c 的输入范围为1 5 3 6 m v ，如果参考电压为5 v ， 这就意味着只利用约l 3 a d c 的动态范围。如果对1 5 3 6 m v 需要达到1 ：2 0 0 0 0 0 内码的要求，那就需 要a d c 可以达到l ：6 0 0 0 0 0 的分辨率，也就需要1 9 _ - 2 0 位的精度。 3 ) 漂移 衡器一般最高工作范围为1 0 。c 5 0 。例如，一个有l p p m * c 的增益误差的2 0 位系统，在5 0 * ( 2 范 围内会产生5 0 l s b 的误差。因此，选择低增益漂移的a d c 也是设计衡器的关键。 4 ) 无噪声分辨率 对于很多工程师来说都会混淆有效值噪声和峰峰值噪声这两个参数。对衡器应用来说，最重要的 参数为峰一峰值噪卢，或者为无噪声分辨率。有效值噪声乘以6 6 倍为峰一峰值噪声。 5 ) 转换速率 转换速率也是一个关系到系统精度的重要参数。例如，转换速率为4 h z 的a d c ，峰一峰值分辨率 可以达到2 0 5 位，提高速率到5 0 0 h z 以后，峰一峰值分辨率就只能达到1 6 位。因此，在衡器应用中， 就需要平衡转换速率和精度这两个矛盾的参数。 由于s i g m a - - d e l t a 结构的a d c 在低转换速率的情况下具有低噪声、线性好的特点，并且内部可集 成噪声整形和数字滤波器电路，很人程度上减少了后端信号处理的工作，因此衡器系统中一般都采用这 种结构的a d c 。同时a d c 还可以集成内部的可编程增益的运算放大器p g a ，这种集成的p g a 具有比 较好的温度特性。a d i 公司的高性能多通道s i g m a - - d e l t a a d c ，a d 7 7 9 9 ，噪声只有2 7 n v r t h z ，内部 集成增益可到1 2 8 倍的p g a ，并且可直接和传感器相连，是一款很适合衡器应用的a d c t l 3 l 。 a d c 采用美国模拟器件公司生产的a d 7 7 9 9 ，a d 7 7 9 9 是一款新型、高精度、宽动态范同、一 型3 通道2 4 位a d c ，适用于低频、高精度工业级转换。图3 5 为a d 7 7 9 9 在称重系统中的典型应用图， 其特点为： ( 1 ) 极低的r m s 在噪声，在5 h z 转换率仅2 7 n v ，在2 0 h z 时仅6 5 n v ； ( 2 ) 低功耗，典型为3 0 0 u a ； ( 3 ) 内置l 一1 2 8 增益的低噪卢可编程仪表放大器； ( 4 ) 内设自校准电路； ( 5 ) 带有s p i 数据接口； ( 6 ) 5 0 h z 和6 0 h z 同步陷波，消除5 0 h z 和6 0 h z 电源干扰； ( 7 ) 可配置3 个差分输入通道； ( 8 ) 2 l 位有效分辨率( p g a = 1 ) ，1 9 位( p g a = 1 2 8 ) ； ( 9 ) 内置时钟振荡器，省去了外接晶振； ( 1 0 ) 低非线性度：0 0 0 1 5 ； ( 1 1 ) _ 4 0 至u + 1 0 5 的温度范同； ( 1 2 ) 可切断传感器的供电电源； 1 2 第三章配料控制器的硬件设计 图3 5a d 7 7 9 9 在电桥中的应用 3 3 速度信号输入单元设计 速度信号输入单元包括测速传感器单元、滤波整形单元。测速传感器是将小皮带的速度转化为脉冲 信号；滤波整形单元是用来滤去脉冲信号中的高频噪声，并对脉冲信号传输过程中引入的干扰进行整形， 最后得到标准的方波信号送到单片机进行处理。 3 3 1 测速传感器单元 测速传感器主要分数字式和模拟式两种。当前国内外普遍使用数字式测速传感器。数字式测速传感 器按采集速度信号的方式分：接触式和非接触式。从信号转化方式上可分为：光一电式和磁一电式【l 钔。 几种常见皮带秤测速传感器： 1 ) 接触式测速传感器 接触式测速传感器是目前最为流行的测速方式。基本方法是由一摩擦滚筒接触皮带，当皮带