0 引言

隨著高爐強化冶煉和噴煤粉量的提高， 煉鐵對物料的要求越來越高。在球團生產工藝進程中， 需將鐵料、 燃料、 熔劑、 返礦等幾種物料按一定比例配成混和料， 配比的精確性以及配料體係的可靠性將直接影響燒結礦、 球團礦質量和經濟效益。在鋼廠球團多套自動配料體係中， 以單個 W77E58CPU 為核心的動態稱重儀表所組成的一個個體係為子控製體係， 將現場的質量信號收集和處理， 交由上位機處理， 並由單個W77E58CPU 為核心的動態稱重儀表完成信號處理和發出控製指令， 形成穩固可靠、 輕便實用的燒結自動配料係統。本文介紹的就是鋼廠球團配料計量係統中采取最新技術研製、 生產的高精度、 高可靠性的新一代皮帶秤儀表 LEI － 03FI， 該儀表可與各種不同規格皮帶秤秤架組合利用， 對各種散狀物料進行連續計量和定量配料。儀表用 W77E58CPU 和 24 位 A/D 轉換器AD7710， 其智能化的 PID 電流輸出可以控製調速器或變頻器， 以適應圓盤給料機、 電振器、 螺旋給料機等給料裝置、 直接拖料等定量給料裝置的控製需要。

1 皮帶秤機械工作原理

稱重給料機係統主要包括:秤架(包括安裝支架)、稱重傳感器、 速度傳感器、 防跑偏措施、 頭部刮板、 拉緊裝置、 配料秤的密封罩、 支撐架、 膠帶、托輥、 輥筒、 結構件(卸料端帶有襯板的卸料漏鬥、 拖料端帶拖料漏鬥及手動調節門等)、 變頻調速電機、 接線盒及連接電纜(稱重傳感器之間)、 通信連接設施(稱重給料機係統)、 皮帶秤儀表等。它的核心部分是皮帶秤(如圖 1)。皮帶秤的主要由秤架、 積算儀和速度傳感器組成;而稱重給料機係統的結構特點和精度主要由皮帶秤的設計結構決定。

由稱重傳感器將檢測到物料的質量轉變成毫伏級電壓信號， 經過運算放大器處理放大後， A/D 轉換單元進行轉換， 轉換結果由 LEI －03FI 中的 CPU 按一定的數學模型進行實時運算和補償， 得到物料瞬時K8凯发登录入口和累計質量。計算結果通過 LCD 液晶顯示， 並通過外圍電路以標準電流信號方式輸出。LEI －03FI 儀表還可以通過 RS －485 接口與計算機之間進行通信， 從而實現計算機管理和網絡控製。

2 儀表主要技術指標

儀表稱重線性度:0．02%FS;

稱重輸入靈敏度:0．15 μV/d;

儀表與稱重傳感器距離:≤1500 m;

皮帶秤動態計量準確度: ±0．25%。

3 硬件係統的結構設計

硬件係統是整個儀表的骨架， 是軟件係統的載體。

皮帶秤積算儀采用具有信號調理功能的模數變換器 AD7710。AD7710 是一種雙通道、 低電平差動輸入、 ∑ － Δ 信號調理型的模數變換器， 它內部含有可編程增益放大器、 多路轉換器、 電荷平衡模/數變換器、 時鍾發生器、 參考電壓源、 串行接口。該芯片具有集成度高、 非線性誤差小(0．0015%) 、 分辨率高(21．5 位) 、微控製器串行接口等特點。

AD7710 以一定的速率對模擬輸入信號進行連續采樣，采樣速率由主時鍾 f CLKIN 決定。采樣信號經PGA 放大後， 使其輸出電平滿足電荷平衡(Σ －Δ)ADC 的要求，然後轉換成數字脈衝序列。該序列經數字濾波器處理後以濾波器一階陷波頻率確定的速率，更新 21 位的輸出寄存器，寄存器中的數據可從雙向串行口采用同步內時鍾或同步外時鍾方式隨機讀取，或者以輸出寄存器更新速率周期地讀取。AD7710 內部具有自校準、 係統校準和背景校準等功能。自校準功能能消除芯片本身的零點誤差和增益誤差，係統校準能消除輸入通道的失調和增益誤差，背景校準能消除溫度漂移、 電源波動和時間漂移的誤差。這些校準均由微控製器的軟件來實現。

Σ － ΔA/D 轉換器的基本思想是基於過采樣技術把更多的量化噪聲壓縮到基本頻帶外邊的高頻區， 並由數字濾波器濾掉帶外噪聲。過采樣 Σ － ΔA/D 轉換技術有以下三個主要優點:

① 采用一位編碼技術， 故模擬電路少;

② ADC 前麵抗混(模擬低通) 濾波器設計容易;

③ 提高信噪比。

稱重傳感器質量信號被直接送到 A/D 轉換芯片AD7710， 這樣減少了比例放大單元， 降低信號損耗， 從而為儀表計量精度提供了有效保障。A/D 轉換單元將模擬量轉換成數字信號送至中央處理單元， 皮帶速度信號經光電隔離後送至測速單元， 中央處理單元讀取 A/D 轉換器的數字信號、 皮帶速度信號， 根據儀表運行參數， 計算並顯示質量;計算報警狀態和變送輸出電流， 並送至輸出單元;輸出單元完成狀態切換和標準電流信號輸出功能。

中央處理單元選用 WINBON 的 W77E58 CPU，W77E58 是與標準 8051 相兼容的全新核心的微處理器。由於去掉了多餘的存儲器周期和運算周期，它在相同周期裏執行 8051 的指令比最初的 8051 快很多;典型的指令周期 W77E58 比 8051 快1．5 到 3倍;電源消耗也改進采用 CMOS 設計， 它同時可以工作在較低的時鍾頻率下;32 K 的 EEPROM 程序段和1K 的外部 SRAM 可以省去外部擴展存儲器;W77E58內置 8 位中央處理單元、 32 K 片內程序存儲器(EPROM)、 32 個雙向輸入/輸出(I/O)口、 3 個 16 位定時/計數器和 12 級中斷結構、 一個全雙工串行通信口、 片內時鍾振蕩電路、 可編程看門狗、 外部數據訪問周期可編程。

各構件功能結構及原理簡述如下:

3．1 輸入/輸出接口構件

輸入/輸出接口構件是一個獨立單元， 主要完成輸入信號采集、 計算;數據存儲和實時電流的輸出。

0 ～30 mV 的輸入信號經放大電路放大後， 送至高精度 A/D 轉換器， 轉換輸出的數字量送至 CPU， 同時速度信號經光電隔離和整形後送至 CPU。CPU 根據采集的質量信號、 速度信號對數據進行積分、 微分計算處理， 處理後的數據分三路送出:一路送 RAM 存貯;一路送給經光電隔離電路通過 12 位數/模(D/A)轉換電路轉換成模擬電壓， 再經電壓/電流(V/I) 轉換成4 ～20 mA 標準電流信號輸出;第三路通過串行口上傳給係統協調板。

3．2 人機交互構件

人機交互構件是完成人與儀表之間信息交流的窗口。

顯示窗口為 126 ×64 點陣 LCD， 可以顯示瞬時K8凯发登录入口、 皮帶速度、 輸送物料總量等， 編程時可用於漢字菜單提示和參數輸入。20 個按鍵一鍵一意， 操作簡單直觀， 人機界麵友好。

3．3 係統協調構件

係統協調構件是整個儀表中心樞紐， 起著統馭係統運行機製， 協調各構件工作狀態的作用。

就結構而言， 係統協調構件較為簡單， 其工作原理:通過顯示構件完成人機交互功能， 通過串行總線與輸入/輸出(I/O)構件交換數據信息， 對 I/O 構件的工作參數進行備份， 構成儀表運行參數的雙重保護模式。

當係統因不明原因發生死機時， WATCHDOG(係統運行監控時鍾)將對係統協調構件的主 CPU 複位，主 CPU 複位後， 通過 SYSREST 係統複位控製線， 從而對整台儀表進行初始化複位、 運行參數重裝， 保證了係統可靠運行。

3．4 網絡通信構件

儀表具有遠程通信功能， 上位機可以通過遠程數據儀表的所有功能與本地操作無異， 儀表的通信符合3C － MODBUS 協議， 網絡通信構件要完成數據上網的加載和從網上下載數據的任務。由於實時性要求， 必須有一個 CPU 單獨處理，CPU 通過數據總線(DBUS)和控製總線(CBUS)與係統協調構件進行交流。經光耦通過通信接口電路(MAX485)掛接在通信網上， 與網絡上位機交互完成遠程數據傳輸和下載。儀表內部經過數據解析判斷遠程操作的功能並進行相應的功能操作。

4 軟件設計

軟件采用匯編語言編譯而成。軟件設計采用自上而下模塊化設計思路， 將整個軟件係統分為上電初始化模塊、 速度計算模塊、 累加積分模塊、 人機顯示模塊、通信模塊、 保護監控模塊等子模塊程序。 

5 結束語

介紹 LE1 － 03AFI 稱重儀表的功能和設計原理。實踐表明， 該儀表在鋼廠物料計量使用中取得了很好的應用效果， 具有使用方便、 性能穩定可靠等特點， 值得在鋼廠、 礦山， 碼頭等需要進行動態稱重的領域推廣使用。

參考文獻:

［ 1］李建忠． 單片機原理及應用［ M］ ． 西安:西安電子科技大學出版社， 2008．

［ 2］周立功． 增強型 80C51 單片機速成與實踐［ M］ ． 北京:北京航空航天大學出版社， 2003．

［ 3］紀宗南． 具有信號調理功能的模數變換器 AD7710［J］ ． 國外電子元器件， 1997(7):10．
 

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