一、引　　 言

料仓称重在许多工业场合是很重要的工艺和管理环节。工业现场料仓称重一般是在强振动 、 强电磁场干扰 、 高粉尘 、 宽温度范围的环境下进行的 ,一般的模拟静态称重系统是难以达到要求的。面对这些问题 , SM40型智能称重系统运用了称重传感器并联、现场电流变送远传 、 有源低通椭圆函数滤波器抑制工频干扰 , 前向后向通道隔离, V/F 采样,开关电源供电等一系列先进的硬件技术以及有针对性的数据滤波处理软件, 在线实时线性校正等软件, 确保了称重数据的正确性和系统的可靠性, 几年来的实际应用证明了这一点 ,下面介绍这个系统 。

二、系统组成及原理

系统由传感器、 SM40 变送器 、 SM40 智能型称重显示仪三部分组成。

　 1.传感器

采用引进美国某 公司专有加工技术制 造的高精度 SM40 型 称重传感器和SM6型拉压力传感器作为压式和拉式两种受力方式的一次转换元件, 进行并联方式组秤。较串联组秤 ,具有如下特点: 输出信号接线简单 ,对于后级运放而言, 输入阻抗低, 信号抗干扰能力强 ; 经过补偿的传感器,具有良好的互换性。为避免并联方式由于传感器内阻不等 ,灵敏度不一致的各传感器在受载不均时产生附加误差 , 做以下两方面工作: 其一,组秤时 ,通过灵敏度及输出阻抗的调整尽量减少各组秤传感器间的差异 ; 面向实际,在调整过程中不追求传感器输出阻抗及灵敏度的标准化 ,而追求一致性 ; 给用户建立微机管理档案 ,从而可以为用户及时提供合适的备件; 其二 , 在变送器内加装高稳定精密电阻器,对安装好的系统进行四角误差的综合调整,这样进一步改善了由于引线等连接因素对系统偏载时的附加误差的影响。

称重传感器的容量由以下公式计算
 

式中  P 0 — — —称重传感器的计算容量 ,kg 或 t

G 1 — — —料仓( 包括与料仓刚性连接的给料机、 闸门等设备) 的重量 ,kg 或 t

G 2 — — —料仓内可装入的最大物料重量, kg 或 t

K 1 — — —安全系数 ,一般取 0. 6～ 0. 8,系数 K 1 主要考虑物料下落冲击振动和防止传感器超载等影响因素

N — — —称重传感器的个数 。

另外,还应考虑由于料仓的非对称性和仓内物料堆积偏移等因素造成料仓重心偏移

而使传感器受力不均的情况 , 对于室外使用还应考虑风力影响而引入风载系数 。

根据上述计算所得的 P 0 值, 按照称重传感器的测量上限值向上调整 ,即确定了选用传感器的量程上限值 P 0 。

2.变送器

组秤传感器在现场直接引入变送器, 转换为 4～ 20mA 电流远传 。国内一般称重系统在现场并联或串联组秤后, 将 mV 信号直接远传。在工业现场的环境中,mV 信号直接远传,对于控制室的仪表来说,信噪比将大大降低。采用精密恒流源进行远距离传送对于抑制现场共模信号干扰效果极佳 。

图 1 所示变送器由二次稳压电路 、 传感器电源、 低漂移前置放大 、低通滤波器, V/ I转换电路四部分构成。前置放大器采用某公司的斩波自稳零低噪声低漂移运算放大器 ICL7652 作为核心, 它具有在工作温度范围内输入偏置电压 ≤10μ V 、时漂 ≤150nV/每月 、温漂 ≤100nV/ ℃等特点 ,使其成为小信号放大器的优选器件 。为抑制共模信号运放采用差动放大形式。

我们采用有源椭圆函数 VCVS 低通滤波器 ,设计其幅频特性是 : 在 25Hz 处开始衰减, 40Hz 以上 至少衰 减 70dB, 并保 证在20Hz 以下 ,最大纹波 ≤ 0. 01dB 。各种料仓一般都配有电磁传动的上下料装置 , 这些装置耦合到传感器上的工频干扰在这样的通带中可以有效滤除。

滤波后的信号经 V/ I 转换电路线性输出 4～ 20mA 远传 。

3. SM40 型称重显示仪

SM40 型称重显示 仪结构 由CPU 系统板、I/O 板、显示板 、 开关电源四部分组成。

供电对于整个系统的精度 、 可靠性是至关重要的 。面向工业现场我们自行研制了配套的开关电源, 输入电压允许 AC 160 ～264V ,并且具有好的隔离性能 , 避免了由于工业现场电源“不干净” 、 电网电压波动大而带来的影响。开关电源外屏蔽层与机壳地相连,以避免开关电源对各系统板产生电磁干扰。开关电源每路输出进行二次稳压, 降低输出波纹对后级的影响。

CPU 板是系统的核心 , 负责处理各种运算、 动作。其上具有锂电池后备的掉电自保护功能的 RAM ,以便掉电时及时保护各种现场数据。

I/O 板完成 A/D、D/A 、开关量输出、通信四方面功能。为了保护系统的安全性及切

断共模干扰回路 ,都采用光隔形式与CPU 系统板联系 。

A/D 及 D/A 以美国某公司 V/ F 、F/V 转换芯片 AD651 为主器件 ,结合辅助定时/计数电路进行。AD651 输 出 频 率100kHz,非线性误差仅为 0. 002%,这种宽范围的线性度与外接单稳电容的稳定性无关,自身保证了高分辨力、高稳定性与最佳转换时间 , 并且它还具有同步 V/ F 功能。以上特点使该器件在短时间内采集大量高可靠性的码成为可能, 这一点对称重仪表的稳定性、精确性是至关重要的 。

我们取 f olook =2MHz, 以 20ms 作为闸门时间, 对 f FS = 500kHz 计数值为 10000, 即对0～ 5DCV 采样为一万码 ,分辨力为 0. 5mV 。

D/V 过程中 ,程序将实际重量归一化为对应计数器的初值, 计数器将发出相关的溢出脉冲 ,此信号通过 F/ V 及 V/ I 电路转换为 4～ 20mA 重量电流输出 。

三、软件构成

SM40 智能称重显示仪除了一般智能仪表所具备的基本处理软件外, 具有以下特点 。

1.实时性、 安全性

在系统运行的整个过程中 ,由最高级时钟中断管理一切, 每隔 0. 1s 中断一次, 查看系统各外设是否正常工作, 如果不能正常工作,仪表报警的同时做相关保护处理,如果仪表 CPU 系统因受干扰而死机 ,该中断管理功能将强制其复位,保证系统的安全性,这实际为一级软件“dog” 。该中断还设置许多软开关,以管理主程序有时序地进行 D/A , A/D ,通信 ,显示等动作。

2.数据滤波的可靠性

由于使用了高性能 V/ F 芯片 , 在采样周期 T 内, 可以获得较多的码值, 我们将这些数按照 FIFO 规则排成队列 ,选择前N 个 ,去掉两个最大的, 两个最小的, 将其余 N ～ 4个值进行平均, 作为有效的重量码显示、输出。 T 以 0. 1s 为基本单位,可以根据干扰情况由用户进行设置。0. 1s 采样周期为 50Hz整数倍,对工频干扰的滤除也是有意义的。

3.在线实时线性校正

在使用系统前进行标定 ,将称重满量程按 20%划分 , 录入五点折线校正曲线, 供实际称量时及时校正重量值 。

4.上位机通信、 远动

在线实时向上位机传递与称重仓状态及仪表状态相关数据, 并可接受上位机期望的各设定值 。

四、实用应用

SM40 型高精度智能称重系统易做成拉式或压式多种结构形式, 安装调试方便 ,适应性强, 已成功地应用于建材、水泥 、 化工等行业的工业流程中,主要用作存贮物料、 称重计量、 定值控制、校正仓、 标准秤 、 配料秤和料位测量控制等环节。

　 恒重控制系统是其应用较广泛 、 具有代表性的一个模式 。

　 SM40 系统输出重量电流信号给数字调节仪 ,作为其测量值 ,与根据工艺需要确定的给定值形成偏差,让偏差趋向于零 ,是整个控制系统的调节目标 ,以达到恒重控制的目的 。在整个闭环回路里, SM40 系统不但是一个重量反馈环节 ,而且当仓重过载、 欠载时输出开关量控制相关执行机构动作 , 以确保工艺的连续性及系统安全性。

几年来 ,在多家大中型水泥厂生料仓及煤粉仓的称重控制的使用表明, SM40 称重系统综合当量精度优于 0. 4%。

 

 

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