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0 引言

隨著高爐強(qiáng)化冶煉和噴煤粉量的提高， 煉鐵對(duì)物料的要求越來(lái)越高。在球團(tuán)生產(chǎn)工藝進(jìn)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系的可靠性將直接影響燒結(jié)礦、 球團(tuán)礦質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)效益。在鋼廠球團(tuán)多套自動(dòng)配料體系中， 以單個(gè) W77E58CPU 為核心的動(dòng)態(tài)稱重儀表所組成的一個(gè)個(gè)體系為子控制體系， 將現(xiàn)場(chǎng)的質(zhì)量信號(hào)收集和處理， 交由上位機(jī)處理， 并由單個(gè)W77E58CPU 為核心的動(dòng)態(tài)稱重儀表完成信號(hào)處理和發(fā)出控制指令， 形成穩(wěn)固可靠、 輕便實(shí)用的燒結(jié)自動(dòng)配料系統(tǒng)。本文介紹的就是鋼廠球團(tuán)配料計(jì)量系統(tǒng)中采取最新技術(shù)研制、 生產(chǎn)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(guī)格皮帶秤秤架組合利用， 對(duì)各種散狀物料進(jìn)行連續(xù)計(jì)量和定量配料。儀表用 W77E58CPU 和 24 位 A/D 轉(zhuǎn)換器AD7710， 其智能化的 PID 電流輸出可以控制調(diào)速器或變頻器， 以適應(yīng)圓盤給料機(jī)、 電振器、 螺旋給料機(jī)等給料裝置、 直接拖料等定量給料裝置的控制需要。

1 皮帶秤機(jī)械工作原理

稱重給料機(jī)系統(tǒng)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(jié)構(gòu)件(卸料端帶有襯板的卸料漏斗、 拖料端帶拖料漏斗及手動(dòng)調(diào)節(jié)門等)、 變頻調(diào)速電機(jī)、 接線盒及連接電纜(稱重傳感器之間)、 通信連接設(shè)施(稱重給料機(jī)系統(tǒng))、 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(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和精度主要由皮帶秤的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)決定。

由稱重傳感器將檢測(cè)到物料的質(zhì)量轉(zhuǎn)變成毫伏級(jí)電壓信號(hào)， 經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器處理放大后， A/D 轉(zhuǎn)換單元進(jìn)行轉(zhuǎn)換， 轉(zhuǎn)換結(jié)果由 LEI －03FI 中的 CPU 按一定的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算和補(bǔ)償， 得到物料瞬時(shí)流量和累計(jì)質(zhì)量。計(jì)算結(jié)果通過(guò) LCD 液晶顯示， 并通過(guò)外圍電路以標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)方式輸出。LEI －03FI 儀表還可以通過(guò) RS －485 接口與計(jì)算機(jī)之間進(jìn)行通信， 從而實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)管理和網(wǎng)絡(luò)控制。

2 儀表主要技術(shù)指標(biāo)

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(dòng)態(tài)計(jì)量準(zhǔn)確度: ±0．25%。

3 硬件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)是整個(gè)儀表的骨架， 是軟件系統(tǒng)的載體。

皮帶秤積算儀采用具有信號(hào)調(diào)理功能的模數(shù)變換器 AD7710。AD7710 是一種雙通道、 低電平差動(dòng)輸入、 ∑ － Δ 信號(hào)調(diào)理型的模數(shù)變換器， 它內(nèi)部含有可編程增益放大器、 多路轉(zhuǎn)換器、 電荷平衡模/數(shù)變換器、 時(shí)鐘發(fā)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) 、微控制器串行接口等特點(diǎn)。

AD7710 以一定的速率對(duì)模擬輸入信號(hào)進(jìn)行連續(xù)采樣，采樣速率由主時(shí)鐘 f CLKIN 決定。采樣信號(hào)經(jīng)PGA 放大后， 使其輸出電平滿足電荷平衡(Σ －Δ)ADC 的要求，然后轉(zhuǎn)換成數(shù)字脈沖序列。該序列經(jīng)數(shù)字濾波器處理后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(shù)據(jù)可從雙向串行口采用同步內(nèi)時(shí)鐘或同步外時(shí)鐘方式隨機(jī)讀取，或者以輸出寄存器更新速率周期地讀取。AD7710 內(nèi)部具有自校準(zhǔn)、 系統(tǒng)校準(zhǔn)和背景校準(zhǔn)等功能。自校準(zhǔn)功能能消除芯片本身的零點(diǎn)誤差和增益誤差，系統(tǒng)校準(zhǔn)能消除輸入通道的失調(diào)和增益誤差，背景校準(zhǔn)能消除溫度漂移、 電源波動(dòng)和時(shí)間漂移的誤差。這些校準(zhǔn)均由微控制器的軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

Σ － ΔA/D 轉(zhuǎn)換器的基本思想是基于過(guò)采樣技術(shù)把更多的量化噪聲壓縮到基本頻帶外邊的高頻區(qū)， 并由數(shù)字濾波器濾掉帶外噪聲。過(guò)采樣 Σ － ΔA/D 轉(zhuǎn)換技術(shù)有以下三個(gè)主要優(yōu)點(diǎn):

① 采用一位編碼技術(shù)， 故模擬電路少;

② ADC 前面抗混(模擬低通) 濾波器設(shè)計(jì)容易;

③ 提高信噪比。

稱重傳感器質(zhì)量信號(hào)被直接送到 A/D 轉(zhuǎn)換芯片AD7710， 這樣減少了比例放大單元， 降低信號(hào)損耗， 從而為儀表計(jì)量精度提供了有效保障。A/D 轉(zhuǎn)換單元將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)送至中央處理單元， 皮帶速度信號(hào)經(jīng)光電隔離后送至測(cè)速單元， 中央處理單元讀取 A/D 轉(zhuǎn)換器的數(shù)字信號(hào)、 皮帶速度信號(hào)， 根據(jù)儀表運(yùn)行參數(shù)， 計(jì)算并顯示質(zhì)量;計(jì)算報(bào)警狀態(tài)和變送輸出電流， 并送至輸出單元;輸出單元完成狀態(tài)切換和標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出功能。

中央處理單元選用 WINBON 的 W77E58 CPU，W77E58 是與標(biāo)準(zhǔn) 8051 相兼容的全新核心的微處理器。由于去掉了多余的存儲(chǔ)器周期和運(yùn)算周期，它在相同周期里執(zhí)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(jìn)采用 CMOS 設(shè)計(jì)， 它同時(shí)可以工作在較低的時(shí)鐘頻率下;32 K 的 EEPROM 程序段和1K 的外部 SRAM 可以省去外部擴(kuò)展存儲(chǔ)器;W77E58內(nèi)置 8 位中央處理單元、 32 K 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器(EPROM)、 32 個(gè)雙向輸入/輸出(I/O)口、 3 個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和 12 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)、 一個(gè)全雙工串行通信口、 片內(nèi)時(shí)鐘振蕩電路、 可編程看門狗、 外部數(shù)據(jù)訪問(wèn)周期可編程。

各構(gòu)件功能結(jié)構(gòu)及原理簡(jiǎn)述如下:

3．1 輸入/輸出接口構(gòu)件

輸入/輸出接口構(gòu)件是一個(gè)獨(dú)立單元， 主要完成輸入信號(hào)采集、 計(jì)算;數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和實(shí)時(shí)電流的輸出。

0 ～30 mV 的輸入信號(hào)經(jīng)放大電路放大后， 送至高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器， 轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量送至 CPU， 同時(shí)速度信號(hào)經(jīng)光電隔離和整形后送至 CPU。CPU 根據(jù)采集的質(zhì)量信號(hào)、 速度信號(hào)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行積分、 微分計(jì)算處理， 處理后的數(shù)據(jù)分三路送出:一路送 RAM 存貯;一路送給經(jīng)光電隔離電路通過(guò) 12 位數(shù)/模(D/A)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成模擬電壓， 再經(jīng)電壓/電流(V/I) 轉(zhuǎn)換成4 ～20 mA 標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出;第三路通過(guò)串行口上傳給系統(tǒng)協(xié)調(diào)板。

3．2 人機(jī)交互構(gòu)件

人機(jī)交互構(gòu)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(diǎn)陣 LCD， 可以顯示瞬時(shí)流量、 皮帶速度、 輸送物料總量等， 編程時(shí)可用于漢字菜單提示和參數(shù)輸入。20 個(gè)按鍵一鍵一意， 操作簡(jiǎn)單直觀， 人機(jī)界面友好。

3．3 系統(tǒng)協(xié)調(diào)構(gòu)件

系統(tǒng)協(xié)調(diào)構(gòu)件是整個(gè)儀表中心樞紐， 起著統(tǒng)馭系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制， 協(xié)調(diào)各構(gòu)件工作狀態(tài)的作用。

就結(jié)構(gòu)而言， 系統(tǒng)協(xié)調(diào)構(gòu)件較為簡(jiǎn)單， 其工作原理:通過(guò)顯示構(gòu)件完成人機(jī)交互功能， 通過(guò)串行總線與輸入/輸出(I/O)構(gòu)件交換數(shù)據(jù)信息， 對(duì) I/O 構(gòu)件的工作參數(shù)進(jìn)行備份， 構(gòu)成儀表運(yùn)行參數(shù)的雙重保護(hù)模式。

當(dāng)系統(tǒng)因不明原因發(fā)生死機(jī)時(shí)， WATCHDOG(系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控時(shí)鐘)將對(duì)系統(tǒng)協(xié)調(diào)構(gòu)件的主 CPU 復(fù)位，主 CPU 復(fù)位后， 通過(guò) SYSREST 系統(tǒng)復(fù)位控制線， 從而對(duì)整臺(tái)儀表進(jìn)行初始化復(fù)位、 運(yùn)行參數(shù)重裝， 保證了系統(tǒng)可靠運(yùn)行。

3．4 網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)件

儀表具有遠(yuǎn)程通信功能， 上位機(jī)可以通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)儀表的所有功能與本地操作無(wú)異， 儀表的通信符合3C － MODBUS 協(xié)議， 網(wǎng)絡(luò)通信構(gòu)件要完成數(shù)據(jù)上網(wǎng)的加載和從網(wǎng)上下載數(shù)據(jù)的任務(wù)。由于實(shí)時(shí)性要求， 必須有一個(gè) CPU 單獨(dú)處理，CPU 通過(guò)數(shù)據(jù)總線(DBUS)和控制總線(CBUS)與系統(tǒng)協(xié)調(diào)構(gòu)件進(jìn)行交流。經(jīng)光耦通過(guò)通信接口電路(MAX485)掛接在通信網(wǎng)上， 與網(wǎng)絡(luò)上位機(jī)交互完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和下載。儀表內(nèi)部經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)解析判斷遠(yuǎn)程操作的功能并進(jìn)行相應(yīng)的功能操作。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用匯編語(yǔ)言編譯而成。軟件設(shè)計(jì)采用自上而下模塊化設(shè)計(jì)思路， 將整個(gè)軟件系統(tǒng)分為上電初始化模塊、 速度計(jì)算模塊、 累加積分模塊、 人機(jī)顯示模塊、通信模塊、 保護(hù)監(jiān)控模塊等子模塊程序。 

5 結(jié)束語(yǔ)

介紹 LE1 － 03AFI 稱重儀表的功能和設(shè)計(jì)原理。實(shí)踐表明， 該儀表在鋼廠物料計(jì)量使用中取得了很好的應(yīng)用效果， 具有使用方便、 性能穩(wěn)定可靠等特點(diǎn)， 值得在鋼廠、 礦山， 碼頭等需要進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重的領(lǐng)域推廣使用。

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