电子皮带秤控制仪表的优化设计

电子皮带秤控制仪表的优化设计电子皮带秤是安装在皮带输送机的适当位置上，对散装物料自动地进行动态连续、累计称量的计量器具。它广泛用于散料贸易结算、生产工艺流程中的配料计量及检测控制。皮带秤控制仪表的性能直接影响到皮带秤的计量精度，原因是数据处理部分在其中进行，包括信号的采样、滤波、放大、A/D转换，瞬时流量计算、流量累计及显示、参数设定和校秤程序。对于配料秤还包括PID动态调节部分和变频器控制接口。因此，对其进行优化设计是非常重要的。控制仪表是由单片机组成的嵌入式系统。随着电子技术的飞速发展和新型电子器件的出现，运用EDA技术，对老产品进行更新换代、提高性能和降低成本，是摆在设计者面前的主要课题。2速度测量在电子皮带秤的测量仪表中，转速的检测与控制一般占有很大的比重，对系统的稳态误差及动态响应性能都有着至关重要的影响。特别是对于配料皮带秤来讲，一个在较大调速范围内具有高分辨率的快捷而准确的测速系统是必不可少的。目前在以光电编码器构成的测速系统中，常用的数字式转速测量方法主要有三种，分别是M法（频率法）、T法（周期法）和M/T法（频率/周期法）。M法是通过在既定的检测时间内，测量所产生的转速脉冲信号的个数来确定转速；T法是通过测量相邻两个转速脉冲信号的时间来确定转速；M/T法是通过同时测量检测时间和在此时间内的转速脉冲信号的个数来确定转速，能够实现在很宽的速度范围内进行等精度的速度测量。专门介绍和分析M/T法原理的文章很多，这里只作简单介绍。下面着重介绍具体电路的实现。转速测量电路的实现，可以采用单片机，但是实现M/T法测速，要占用3路计数器，而单片机片内资源有限；再者为了减少测速时间，应提高标准时钟脉冲频率，这又受到了单片机最高计数频率的限制。所以采用CPLD器件和单片机共同组成测速模块。测速模块主要由以下三部分组成，即①信号整形电路：用于对待测速度信号进行放大和整形，以便作为CPLD器件的输入信号。②测频电路：是测速的核心电路模块，由CPLD器件担任。③单片机电路：用于控制CPLD的测频操作和速度的计算。单片机的P0口直接读取测试数据，P2口向CPLD发控制命令。等精度测速的实现方法可以简单地用图1和仿真波形图2来说明。图1中预置门控信号TSET由单片机发出，TSET的时间宽度对测量精度的影响较小，这里设其宽度为Tpr。FS是标准频率信号输入端，FX是测速码盘脉冲信号的输入端。这2路信号分别输入到2个可控的16位高速计数器中。计数器的计数允许端ENA高电平有效，设标准信号频率为fs，测速信号的频率为fx。测速开始前，先发出一个清零信号CLR，将2个计数器和D触发器置0，然后由单片机发出允许测频的命令，即令预置门信号TSET为高电平。（将图1和图2联系起来看）这时D触发器要一直等到被测速度信号的上升沿通过时，Q端才被置1（即START端变为高电平）。与此同时，将启动2个计数器开始计数。在此期间，2个计数器分别对被测速度信号（频率为fs）和标准频率信号（频率为fx）同时计数。当时间到Tpr后，预置门信号TSET被单片机置为低电平，但此时2个计数器仍没有停止计数，一直等到随后而至的被测速度信号的脉冲上升沿到来时，才通过D触发器将这2个计数器同时关闭。由图2可见，TSET信号的宽度和发生的时间都不会影响计数使能信号START，允许计数的周期总是恰好等于被测速度信号fx的完整周期数。这是确保fx在任何频率条件下都能保持恒定精度的关键。而且，TSET宽度的改变以及随机的出现时间造成的误差最多只有fs信号的一个周期，如果fs由精确稳定的晶体振荡器（10MHz）发出，则任何时刻的绝对测量误差只有1/107s。设在一次预置门时间Tpr中，对被测速度信号计数值为Nx，对标准信号的计数值为Ns，则下式成立，即fx/Nx=fs/Ns（1）不难得到测得的转速频率为fx=（fs/Ns）×Nx（2）测速轮转速（单位：r/s）为n=fx/P（3）式中P———测速光电编码器一周的脉冲数。再将转速n折算成胶带的线速度为v=2·π·r·n=2·π·r·fs·NxNs·P（4）式中r———测速轮半径（单位：m）。最后通过控制SEL选择信号和32～8位的多路转换器MUX32_8（见图1），将两个计数器中的两个16位的计数值分4次读入单片机，再按式（4）计算出带速。用1片ALTRA的CPLD电路EPS7064，在片内设置两个相同的独立的16位计数器（COUNTO、COUNT1）。每个计数器都有自己的时钟输入CLK、计数器输出OUT和门控信号GATE，通过编程设置工作方式。当GATE端为高电平时，允许计数；当GATE端为低电平时，禁止计数。采用MAXPLUSIEDA开发平台，可直接利用其功能元件库中的计数器IP模块，编程非常方便。这种方案的优点是可以减轻CPU的负担，减少对CPU内部资源的占用。3荷重检测影响皮带秤计量精度的另一个主要因素是荷重的动态检测。由于皮带秤一般处于长期连续工作状态，所以在信号的放大、A/D转换通道的设计中，稳定性和抗干扰性是首先要考虑的问题。放大电路应该由高精度、低漂移的运算放大器组成，在此选用了自稳零的斩波放大器ICL7650。这里着重讨论皮带秤仪表中的A/D转换的实现，基于稳定性的考虑，选用V/F（电压/频率）转换器来实现A/D转换，并对其常规用法作了改进。V/F转换是指把电压信号转换成与之成正比的频率信号。V/F转换器具有良好的精度、线性和积分输入特性。采用V/F转换器来完成A/D转换，能提供其他类型A/D转换器无法达到的性能。首先是抗干扰能力强，V/F转换过程是对输入信号的不断积分，因而有较强的抗干扰能力，能对噪声或变化的输入信号进行平滑；再有是和单片机接口单，频率信号输入灵活，只占用单片机1根口线，便于与单片机接口采用光电隔离，进一步提高了抗干扰能力。由于这些优点，一些进口品牌的电子皮带秤仪表广泛采用V/F变换方式的A/D转换器。笔者选用了V/F转换器中高性能指标的一种型号AD652。该芯片的特点是采用外部时钟控制，从而消除了内部时钟方式中阻容器件的稳定性对精度的影响。该芯片的最高输出频率可达2MHz，非线性误差仅为0.002%。由上述可知，用V/F转换器件组成A/D转换器，对于皮带秤控制仪表是非常适合的。皮带秤的规格是根据皮带输送机的运量来定的，目前国内运量最大的皮带输送机带宽为2.5m，带速接近5m/s。作为皮带秤仪表的设计者，应考虑仪表要有很宽的适应性，尽量提高由V/F器件组成的A/D转换器的速度是非常有意义的。上面分析了提高A/D转换速度从硬件上的考虑，除此之外还有别的办法吗？笔者从上述M/T法测速中得到启发，直接采用与测速环节相同的硬件逻辑，只是将测速信号换成V/F转换器AD652的输出脉冲信号，在数据处理上也是和测速中的频率测量方法相同，按式（2）计算出被测频率。这样在保证转换精度的前提下，使由V/F变换器组成的A/D转换器的转换速度得以提高。如采用10MHz的高精度晶振作为标准频率源，测量周期Tpr设定为10ms，也就是A/D转换的时间，则完成16位的A/D转换，绝对测量频率误差只有1/107s，而转换速度比传统的算法提高了5倍。4输出通道设计电子皮带秤在工业现场应用时，往往作为测控系统或配料系统的一部分。这就要求控制仪表不但要有显示输出，还要有与其他系统相连接的数字量和模拟量的输出接口。电子皮带秤控制仪表的模拟量输出通道，通常为0～10mA或4～20mA的电流输出形式。对于配料秤，要输出PID调节器的输出控制信号，并将其送到胶带驱动电机的变频器，以控制胶带的瞬时流量跟随设定值；对于计量秤，要输出和流量成线性关系的电流模拟信号，作为其他控制设备的输入控制信号。对模拟量输出接口的要求，一个是精度的要求，另一个是可靠性的要求。在智能化仪表中，由于采用了以CPU为核心的数字化处理技术，仪表的输出通道要完成数字量到模拟量的转换。为了满足可靠性的要求，输出通道要采用隔离技术，以防止现场的干扰信号污染到仪表。尽管DAC和电压、电流变送技术早已广泛地应用在仪表中，但随着IC技术的发展，各种新的、更有特色的专用IC芯片的出现，使输出通道的性能得到了进一步的提高，而成本得到了降低，同时给设计提供了更多的方便性和灵活性。如近年来串行ADC和DAC越来越多地应用于计算机测控系统的控制和数据采集中，这种芯片将传统的CPU数据总线连接减少到2～3根CPU口线。这就大大降低了信号隔离的成本，可以淘汰昂贵的模拟信号隔离放大器或线性光隔，代之以便宜的数字光隔。用SPI接口的DAC芯片MAX538和V/I变送芯片AD694组成的模拟输出通道如图3所示。和CPU的连接只需3根口线，其中的数据线和时钟线还可和其他同类型接口芯片共用，只用3个数字光隔即可完成隔离，成本很低。MAX538是单电源、低功耗、电压输出的12位串行DAC。它具有8引脚DIP/SO封装，最大串行时钟频率为14MHz，数字更新频率为877kHz。AD694是单片大信号输入电压/电流变换器。电流输出可以设置成标准的4～20mA环路电流，其输入可通过对引脚的不同连接来实现0～2V、0～10V等范围的变换。该芯片具有很高的线性度，仅有0.002%的典型非线性度。MAX538的满度输出电压为2V，而AD694可以接成2V输入，同时AD694片内又可提供MAX538需要的2V参考电压，所以2枚芯片共同使用可以配合得非常好，电路简洁，无须调试就可达到很高的精度。5仪表结构的优化电子皮带秤往往作为计量或配比控制系统中的一个组成部分，安装在工业现场；而皮带秤控制仪表一般要安装在集中控制室中。二者的距离近则数十米，远则数百米。因此，传感和控制信号的传输就是必须要考虑的一个问题。传统的方法是采用电流环的方式传送荷重传感器信号、测速传感器信号和变频器速度给定信号，每台皮带秤需要远距离传送的信号线路为3对。而笔者设计的仪表采用分体式结构，将仪表的测量控制部分和人机界面分开，将仪表的控制部分放在现场的秤体旁边，做成一个密闭的机箱。这部分除了没有人机操作界面外，是一个完整的可以独立工作的皮带秤控制系统。它的计量数值通过RS-485数字通信接口远传到集中控制室内的仪表或计算机，该部分只完成数据的显示和皮带秤工作参数的设定。这种方案即使有十几台电子皮带秤，远传信号线也只有一对，传送距离比电流环方式更远，也简化了设计，降低了成本，便于维护。