基于现场工业总线的煤炭装车称重信号同步采样系统
煤炭装车系统是煤炭生产到运输过程中的重要环节,随着煤炭工业的发展和市场经济的要求,煤矿企业对煤炭外运装车速度和煤炭重量精度都提出了更高的要求。 目前装车精度要求通常为0.5%,但由于种种因素,装车精度达不到预期的要求,特别是目前的汽车快速定量装车站,每个汽车装车重量容量在40吨左右,由称重精误差表现的经济损失尤为严重。
影响称重精度的因素有很多,其中最重要的有三类:(1)称重传感器一致性不理想,加之现场环境及安装手段限制,给多个传感器并联组秤带来了不平衡问题。 (2)称重传感器离称重仪表距离过远,信号传输中参杂了干扰信号。 (3)机械结构存在一定缺陷,称重仓同其他机械结构存在机械耦合。
本文研究了基于现场工业总线的称重信号同步采样系统,对每个传感器都设计了一个精密的采样与滤波模块,就近安装在传感器最近的地方,每个模块均具有独立完成称重数据采集的功能和现场工业总线接口,将所有的传感器信息通过总线的方式发送给远程仪表。
本文研究的称重数据采集模块具有先进的滤波机理和20位的采样精度,将模拟量信号转换为数字信号传输,有效避免了信号传输过程中的干扰,大大提高了称重精度。
称重传感器为应变片构成的电阻桥,传感器获得的信号为差模小信号,并含有较大共模部分,其数值有时远大于差模信号。 应变电阻表现为电阻特性,为了保证放大器对不同幅值信号具有稳定的放大倍数,要求放大器构成的电路具有高输入阻抗,其阻抗应远大于电桥的等效电阻,才能保证采样的精度。
仪表用放大器电路通常为双运放桥式差分放大电路,其电路图如图1所示。 根据运算电路的基本分析方法可得出:
当VIN·VIN·时, VO ·0 ;可见电路可放大差模信号,抑制共模信号。
1 模拟信号硬件采样电路
本文中设计的模拟信号采样芯片为ADS1210,该芯片具有高精度、 宽动态特性的Δ－Σ型模拟／数字转换器。 它的差动输入端可以直接与传感器或微小的电压信号相连。 其内部的Δ－Σ结构可确保它的宽动态特性和24位的分辨率。
由于采用了低噪声的输入放大器,可以在转换速度为10 Hz时获得23位的有效分辨率;借助于其内部独特的调制器加速操作模式,在转换速度为1 kHz时仍可达到20位的有效分辨率。 本文中将模拟量转换速度设定在1 kHz,此时信号具有20位的有效分辨率。 本文MCU为STM32F103RBT6,通过SPI总线对ADS1210进行实时数据采集。 采集数据进行在MCU中做软件滤波后,将最终数据通过CAN总线发送给模块网关。
2 基于CAN总线同步采样策略
STM32F103系列CPU支持CAN协议2.0A和2.0B主动模式,波特率最高可达到1兆位/秒,大大简化系统的硬件设计难度。 本文采样 模 块 中 AD芯 片 模 拟 量 的 转 换 速 度 为1kHz,考虑到每个采样模块要对采集数据进行低通滤波,网关CAN总线模块每隔3 ms以广播的形式向所有的采样模块发送数据请求帧,采样模块对CAN总线接收中断具
有最高的优先级,进入中断后,立即发送当前的采集数据,以保证所有数据的采集时间同步。 网关模块将所有的采集模块发送的数据相加得到装车站称重仓里煤炭的总重量。
3 实验结果
为了验证系统的效果,本文对系统进行了模拟实验,实验方法为用4个模拟器分布接入采样模块,上位机空载标定后面对话框内输入0,将所有的模拟器刻度旋转至0,点击空载标定按钮。 上位机定点标定对话框内输入8000,将所有的模拟器刻度旋转至刻度6,点击定点标定按钮。
图2实验结果为模拟器1、 2、 4均在刻度3位置,模拟器3在刻度4位置时的采样结果。
通过实验可在,这种方法可反应每一个传感器的采样结果,通过采样结果可以观察应变电桥的应力大小变化,可根据结果调节现场的安装工艺。
4 结论
本文研究了基于现场工业总线的称重信号同步采样系统,实验结果表明,这种系统有助于反应每一个传感器的应力变化,克服了目前称重仪表只显示求和称结果的弊端。 通过每个传感器的采样结果,可以便于我们分析现场传感器的安装工艺是否达到要求,有利于我们提高称重精度。
参考文献
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