（计算机应用技术专业论文）基于单片机的传输带动态称重系统设计与实现.pdf

河北科技大学学位论文原创性声明 i i i l l l ! l l t l l l l l ll l l l ll l l t l l l l l l l l l l l l l l l y1714 4 6 1 3 1 1 l i 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发 表或撰写过的作品或成果。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 绋由乞 2 。f 年r 月j l r 指导教师签名：毛：7 刃 钐p 年月三7 只 河北科技大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权河北科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 口保密，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 口不保密。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位敝储虢砌山乞 训蛑蚰了日 舯撕虢南蜮 沙7 d 年歹月? 7 开 摘要 摘要 随着传感器技术、电子技术和微机技术的崛起，动态称重技术得到了迅速发展。 动态称重系统在数字化，智能化等方面有长足的进步，称重系统的研究与开发也进 入了一个崭新的阶段。传输带动态称重系统是对传输带上的散状固体物料或粉料进 行连续称量的系统，在电力、化工、煤炭、粮食等行业都有较广泛的应用，市场需 求巨大。但是，我国自行研制的相关产品普遍功能单一，精度不高。所以改善现有 称重装置、开发研究功能齐全的动态称重系统是势在必行的。 本文论述了一套基于单片机的传输带动态称重系统，很好的解决了上述问题。 首先对传输带动态称重系统的整体结构、系统模型及其工作原理进行详细分析，接 着针对应用广泛的单托辊式秤架的动态计量误差进行了分析，对传统误差分析方法 做了改进，从数学角度确认了皮带张力的影响，并且采用数学建模分析的方法对误 差进行校正，较好的解决了动态计量精度低的问题。具体提出了系统硬件和软件的 设计方法，给出了数据处理算法和其编程的设计。系统使用2 4 位精度模数转换芯片 a d 7 7 3 0 转换称重传感器信号，保证了数据转换的高精度。经过实验证明，该系统能 够有效提高动态称重系统的计量精度，误差在o 2 以内。并且系统功能完善，实现 了计量数据的实时监控显示和保存打印，系统扩展了现场总线接口，很好的满足了 工业自动化和管理现代化的需求。 关键词动态称重；传输带；a d 7 7 3 0 ；现场总线； a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yo fs e n s o r , e l e c t r o n i ca n dc o m p u t e r , t h ed y n a m i c w e i g h i n gt e c h n o l o g yi sd e v e l o p i n gr a p i d l y w e i 曲i n gs y s t e mm a d es i g n i f i c a n tp r o g r e s si n t h ed i g i t a la n di n t e l l i g e n t ，t h er e s e a r c ho fw e i g h i n gs y s t e mh a se n t e r e dan e wp h a s e b e l t e dd y n a m i cw e i g h te q u i p m e n ti sd e s i g n e df o rc o n t i n u o u sw e i g h i n gt h eb u l ks o l i d so r p o w d e r so nc o n v e y o rb e l t a n di ti sw i d e l yu s e di nt h e f i e l d so fe l e c t r i c i t y , c h e m i c a l ，c o a l a n df o o d h o w e v e r , o u rr e l a t e dp r o d u c t sg e n e r a l l yw i t hs i n g l ef u n c t i o na n dl o wp r e c i s i o n t h e r e f o r e ，t h ei m p r o v e m e n to fe x i s t i n gw e i g h i n gd e v i c e s ，r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n t f u n c t i o n a ld y n a m i cw e ig h i n gs y s t e mi si m p e r a t i v e t h i sp a p e rp r e s e n t sab e l t e dd y a m i cw e i g h i n gs y s t e mb a s e do ns c m ，w h i c hi sag o o d s o l u t i o nt ot h i sp r o b l e m i nt h i sp a p e r , t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo ft h ew e i g h i n gs y s t e mi s p r e s e n tf i r s t ，a n dd e t a i l e da n a l y s i so ft h es y s t e mm o d e la n dw o r k i n gp r i n c i p l e i ta n a l y z e s t h ec a u s eo fd y n a m i cm e a s u r e m e n te r r o r s ，a n db u i l d sam a t h m e m a t i c a lm o d e lf o rd y n a m i c m e a s u r e m e n te r r o r so fs i n g l e i d l e re l e c t r o n i cb e l tc o n v e y o rs c a l e a c c o r d i n gt ot h em o d e l ， t h ep r o p o s e d a p p r o a c hu s ea l g o r i t h mt oc o r r e c te r r o r s s o l v e dt h ep r o b l e mo fl o wd y n a m i c m e a s u r e m e n ta c c u r a c yt h e nt h ed e s i g no fs y s t e mh a r d w a r ea n ds o f t w a r ei sp r e s e n t a n d d a t ap r o c e s s i n ga l g o r i t h m sa n dt h e i rp r o g r a m m i n gd e s i g n s y s t e mu s e s2 4 - b i tp r e c i s i o n a dc o n v e r t e ra d 7 7 3 0c o n v e r tt h ew e i g h i n gs i g n a lt oe n s u r eh i g h p r e c i s i o nm e a s u r e m e n t r e s u i t s t h er e s u l th a ss h o w nt h em e a s u r e m e n te r r o r sa r ee f f e c t i v e l yr e d u c e d ，a n dt h e m e a s u r e m e n ta c c u r a c yc a nu pt o0 2 t h es y s t e mp r e s e n t e di nt h i sp a p e r i sc h a r a c t e r i z e d b yh i g hp r e c i s i o n ，g o o ds t a b i l i t ya n da c h i e v e dt h ef u n c t i o n so fr e a lt i m em o n i t o r i n ga n d d a t ap r e s e r v a t i o n a n dw i t ht h ep r o f i b u si n t e r f a c e ，t h i ss y s t e mw a s w e l lp o s i t i o n e dt om e e t t h er e q u i r e m e n t so fi n d u s t r i a la u t o m a t i o na n dm a n a g e m e n tm o d e r n i z a t i o n k e yw o r d sd y n a m i cw e i g h i n g ；t r a n s m i s s i o nb e l t ；a d 7 7 3 0 ；p r o f i b u s ； 目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景及研究意义1 1 1 1 课题背景1 1 1 2 课题研究意义1 1 2 国内外研究发展现状2 1 2 1国内外称重技术发展现状一”2 1 2 2国内外称重技术发展趋势3 1 3 课题研究的主要工作及论文结构”5 第2 章系统整体设计7 2 1 系统结构概述7 2 2 动态称重计量原理“7 2 3 本章小结”9 第3 章秤架和传感器的选择10 3 1 几种常见秤架介绍与分析j 10 3 1 1 单托辊秤架一10 3 1 2多托辊双杠杆秤架一14 3 1 3 悬臂式秤架1 5 3 1 4 悬浮式秤架1 6 3 1 5 秤架结构优越性对比”1 6 3 2 系统传感器介绍与分析1 7 3 2 1 称重传感器介绍与分析”17 3 2 2 测速传感器介绍与分析“2 0 3 3 本章小结2 2 第4 章系统硬件设计“2 3 4 1 系统硬件概述2 3 4 2 系统微处理器2 3 4 3 系统模数转换器2 3 4 3 1a d 7 7 3 0 的工作原理2 4 4 3 2a d 7 7 3 0 内部结构2 4 4 3 3a d 7 7 3 0 与单片机的接口设计2 6 4 4 数据采集电路通信接口设计2 6 4 4 1串口通信2 6 1 1 1 河北科技人学硕+ 学位论文 4 4 2r s 2 3 2 c 标准2 7 4 4 3m a x 2 3 2 芯片简介2 7 4 4 4串口通信接口电路设计”2 7 4 5 程序下载线连接”2 8 4 6 传感器接口设计2 9 4 7p r o f i b u s d p 接口扩展”2 9 4 7 1p r o f i b u s 现场总线概述”2 9 4 7 2p r o f i b u s 现场总线传输方式3 1 4 7 3p r o f i b u s 。d p 扩展接口选择31 4 8 本章小结“3 2 第5 章单片机软件设计3 3 5 1k e i lc 5 1 开发工具介绍3 3 5 2 单片机系统软件设计3 3 5 3 主程序模块设计3 3 5 4a d 7 7 3 0 转换模块设计3 4 5 4 1a d 7 7 3 0 初始化3 5 5 5 脉冲计数模块设计3 6 5 5 1测速信号的处理方法“3 6 5 5 2 脉冲计数的程序实现“3 7 5 6串口通信模块设计3 8 5 7 本章小结3 8 第6 章上位机软件设计4 0 6 1v i s u a lc + + 6 0 简介4 0 6 2 上位机软件整体设计一4 0 6 3串口通信模块设计4 2 6 4 数据处理模块设计4 3 6 5 数据显示模块设计4 5 6 6 数据库功能模块设计4 7 6 7 参数设置模块设计4 7 6 8 本章小结”4 9 第7 章试验结果5 0 7 1 模拟测试结果5 0 7 2 现场测试结果51 7 3 本章小结一5 1 结论”5 2 附录5 3 参考文献5 5 l v 目录 攻读硕士学位期间所发表的论文5 7 致谢5 8 v 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景及研究意义 1 1 1 课题背景 对物料重量的动态称重在工业生产和流通贸易中占据重要地位，其中动态称重 计量工具是不可缺少的计量工具。在各种大宗散装物料的传输带上，都广泛应用动 态称重计量工具，起到了提高计量精度、缩短作业时间、提高管理效率、节约资源 和改善经营等多方面作用。目前动态称重计量工具已经遍及各个领域，带来了显著 的经济效益。随着国民经济迅速发展，贸易商品流通量不断扩大，传统的动态称重 计量工具已经不能适应时代的发展，需要新产品在自动化生产和现代化管理两方面 不断提高。随着近几十年计算机技术、微电子技术和传感器技术的崛起，动态称重 技术在智能化、数字化和计量迅速化方面都有了长足进步【i 】。新型的动态称重计量工 具不仅仅是提供重量信息的独立仪表，而是现代工业一体化和管理自动化的重要组 成部分。所以新型动态称重系统不但要能快速、准确提供计量数据，还需要消除人 为和环境造成的误差，提高计量精度，并且应具备计量数据实时监控、数据保存和 数据管理等功能1 2 3 j 。 1 1 2 课题研究意义 传输带动态称重设备是对传输带传送的散状固体物料或粉料进行连续称量的设 备，有着应用行业面广、使用目的广泛等特点，实现了物料储存、运输和称量的一 体化。广泛应用于大宗散状固体物料或粉料的运输、加工、储存行业，如港口、仓 库、冶金、煤炭、电力、建筑和烟草等行业【4 】。从使用目的方面而言，可以精确监管 生产环节，提高结算精度，还可用于组成各种自动化配料系统和工业控制系统。随 着目前企业工业生产自动化和管理自动化程度的不断提高，迫切需要提高自身的生 产效率，这就需要性能更好更完善的传输带动态称重设备。 但是，目前国内的相关产品品种少，且功能单一，不能满足企业的迫切需要， 所以改进传统设备，研究开发性能好功能完善的传输带动态称重系统是势在必行的。 本课题正是针对这一问题，开发的动态称重系统具有计量精度高，稳定性好，并且 系统还实现了上位机实时计量数据可视化和数保存打印功能，其界面直观，便于使 用，从而杜绝不真实计量现象，维护了企业和客户的利益，方便了计量工作。另外 系统扩展了现场总线接口很好的满足了工业自动化和管理现代化的要求。 河北科技人学硕十学位论文 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1国内外称重技术发展现状 动态称重技术的发展可分为以下四个阶段： ( 1 ) 动态称重技术起源世界上最早的动态称重装置出现在1 9 世纪末期的西 方国家，用于输送机对散状固体物料动态自动称重。1 8 8 0 年第一台动态称重装置获 得计量许可。1 9 0 8 年第一个动态称重专利在英国公布。自此，形成了较完整的动念 称重技术定义和动态称重装置，拉开了动态称重技术发展的序幕。 ( 2 ) 纯机械式动态称重装置第一代成熟的动态称重装置以纯机械式皮带秤为 主导，只有带配重物的秤架结构和增量式码盘结构的编码装置，实现了简单的速度 和重量数据的采集，但由于受到机械装置制造水平的限制，精度很差，而且计量过 程复杂繁琐。1 9 7 0 年英国制定了第一个系统的动态称重检验模式，标志着动念称重 行业走上规范化道路。 ( 3 ) 传感器和仪表结合式动态称重装置二战后，随着传感器技术和电子技术 的飞速发展，出现了传感器和电子仪表结合的第二代动态称重装置。使用光电脉冲 式或磁电脉冲式传感器测量速度，电子仪表通过模拟积分放大电路或数字积分放大 电路实现配重平衡、启动识别和流量累加功能。第二代动念称重装置在计量精度和 计量过程简化上都有了很大程度的提高，但是仍然存在计量精度较低和缺乏误差纠 j 下等缺陷。 ( 4 ) 传感器和微机结合式动态称重装置随着近十年来传感器制造工艺和微机 智能技术的崛起，为动态称重装置的性能大幅度提高创造了有力条件。第四代动态 称重装置不但在计量精度上有了长足进步，而且在机构集成化和功能完善化方面取 得了进步，可以根据企业现场环境的需求研制不同类型的传感器微机智能化动念称 重系统。 目前正在使用的传输带动态称重装置种类繁多，结构形式不同，分类依据多种 多样。从秤架结构类型分有：单托辊秤架、多托辊双杠杆秤架、悬臂式秤架、悬浮 式秤架等结构，其中单托辊秤架由于结构简单、安装便捷等特点，市场占有率较高。 从使用的称重传感器类型分有：电阻应变片式传感器、磁压式传感器、差动变压式 传感器和核子式传感器等，其中电阻应变片式传感器应用最为广泛。目前使用的动 态称重装置较为成熟的有：电子传输带称重装置、核子传输带称重装置和激光核子 传输带称重装置【6 】。 ( 1 )电子传输带称重装置电子传输带称重装置依靠称重传感器测量传输带上 的物料重量数据，一般使用接触式测速传感器测量传输带运行速度，这导致计量精 度受制于机械结构，计量结果误差来自传输带张力、自重、抖动等多种因素。所以 2 第1 章绪论 这种动态称重装置计量精度不稳定，维护工作繁琐，需要每隔一段时i 旬对装置各项 参数进行调节，以达到所需精度。而且这种动态称重装置适用于大量散状物料较长 时间累积流量的连续计量，测量瞬时重量的精度不高，难以满足某些对物料瞬时重 量要求较高的使用场合。 ( 2 ) 核子传输带称重装置核子传输带称重装置是利用伽马射线对传输带上的 物料进行计量。当伽马射线强度一定时，射线穿过物料的衰减强度与物料的成分、 密度、厚度等参数呈指数关系。计量时将载物时的射线强度的连续测量数据与传输 带空载时的测量数据进行比较，再与测量的传输带速度进行计算，可以直接得到物 料的瞬时载荷重量、累积物料流量等计量数据。由于核子传输带称重装置的工作原 理是基于伽马射线穿透物料时的衰减规律，是非接触式测量，有安装独立简便、后 期维护容易、计量精度不受机械装置影响等显著优点。但是，伽马射线的衰减强度 与射线方向上的物料厚度有直接关系，这使得核子传输带称重装置的计量结果受物 料形状影响很大。实验证明，相同载荷的同种物料不同的摆放形式下，计量的结果 相差很大，甚至高达1 7 ，存在物料形状影响导致核子传输带称重装置计量精度较 差的问题。 ( 3 ) 激光一核子传输带称重装置激光核子传输带称重装置工作原理是利用 伽马射线辐射测量传输带上物料的密度，利用激光图像分析来测量物料的堆积体积， 进而计算出传输带上物料的重量。由于这两种测量技术都是非接触式测量，所以激 光一核子传输带称重装置具有：装置结构简单、安装便捷、不受机械性能影响、后期 维护简便、能准确测量瞬时重量等显著优点。而且激光图像分析技术弥补了核子测 量技术的缺陷，测量结果不受传输带上物料摆放形状的影响，使得这种装置计量精 度较好。但是，这种装置的成本较高，而且伽马射线的辐射对物料内部结构的稳定 性和工作人员的身体健康都是不利的，所以激光核子传输带称重装置应用并不普遍。 传输带称重技术最早传入我国是在本世纪6 0 年代，经过几十年来不断的发展与 完善，品种不断增多，在我国工业生产自动化中发挥了巨大作用。传输带称重方式 由静态发展到动态，计量方式由模拟量转变为数字量，测量参数由单个参数转变为 多个参数测量。随着传感器工艺的提高和微电子技术的崛起，我国传输带动态称重 技术的研究得到了进一步发展。但是，由于核心技术与工艺落后、机械设备与电子 仪表老化、新产品研发能力欠缺等因素困扰，我国相关产品的质量和品种都与发达 国家相差甚远，而且功能单一，可靠性差。 所以目前相关产品的性能和品种，不能满足中国现在和未来的巨大市场需求， 这就为传输带动态称重设备的研究开辟的广阔前景【9 】。 1 2 2国内外称重技术发展趋势 随着传感器制作工艺和微机技术的不断发展，加之引入模糊控制理论、神经网 气 河北科技人学硕十学位论文 络、建立数学模型、人工智能、阻尼振动理论等技术，称重计量系统向着功能自适 应、智能化信息处理方向发展【m 】。国际上已经耿得了动态称重技术的突破，称重技 术已经跨入了高科技领域。 目前，称重技术的主要发展趋势为以下几个方面： ( 1 ) 小型化体积小、重量轻、便于安装调试。近几年称重装置的研究特点上， 充分体现了秤架结构向小、轻、薄方向发展。为了适应低容量的计量场合，可将传 感器制成薄或超薄型称重传感器直接嵌入秤架受力的铝板或钢板底上与传感器外径 一致的盲孔内，从而组成低外形的秤架结构，通过秤架的力学要求和额定载荷可以 计算出称重传感器的安装位置和使用数量。秤架的铝板或钢板就是称重平台，称重 传感器既作为计量装置，又作为秤架支点存在，这种设计极大地精简了装置结构， 减少了机械连接环节，不但缩减了制作成本，而且提高了装置的可靠性和稳定性。 对于较大容量的平台称重装置和电子地上称重装置，采用长方形或正方形闭合截面 的薄壁钢排列成一个竹排式秤体结构，在最外边两根薄壁钢两端的切口内分别安装4 个称重传感器，称重传感器的固定支撑结构就是秤架的受力支点，这种设计既能简 化称体结构，又能缩减称体高度，是一种很有发展前景的设计方式。 ( 2 ) 集成化对于一些特定结构的称重装置，如专用称重装置、小型电子秤、 静念电子轨道秤以及便携式静动态轮轴秤等产品，可以实现称重传感器与钢轨，称 重传感器与秤架，称重传感器与轨道秤台的集成化。例如称重传感器与秤架集成化 的静动态便携式电子轮轴秤，其集成化结构由厚质硬铝合金板制成，主要原理是通 过固溶热处理来强化硬铝合金板，在合金板4 个角通过铣槽或钻孔的方式安装4 个 悬梁式称重传感器，或者在合金板的地面通过铣槽或钻孔的方式安装多个剪切梁式 称重传感器。从而使秤架与称重传感器高度集成化。 ( 3 ) 智能化称重装置的计量显示与控制部分与微型计算机相连，通过微型计 算机的智能化处理增加称重装置的显示和控制功能。使得称重装置在保留原有功能 基础上增加了自适应、自诊断、自组织、推理和判断等智能功能。这方面提高就是 智能化称重装置的显示与控制器与目前普遍使用的微机控制显示与控制器的主要区 别所在。 ( 4 、l 综合化称重技术未来的发展方向是在加强基础研究的基础上扩大应用范 围，扩展应用领域，向相关行业和学科渗透，应用各个学科的技术综合化的解决计 量称重、信息处理、自动控制等问题。对于某些应用场合，只具备计量、显示、量 化等功能的称重装置远远不能满足用户需求。随着生产自动化和管理一体化的进程 的不断推进，称重装置应具备：称重、计价、提供各项相关信息、出入库管理、网 络服务等各项功能。需要电子称重设备与计算机和互联网相连，共同组成个综合 化生产控制系统。 4 第1 章绪论 ( 5 ) 组合化在某些重量计量场合或过程中，为满足实际需求，还需要电子称 重装置具备一定的组合能力。如机械部分根据实际场合的调整，与外围设备的组合， 系统硬件与外围设备的连接，调节计量范围和精度，通过软件设置调整输入输出方 式、通信方式等功能。 1 3 课题研究的主要工作及论文结构 ( 1 ) 进行系统整体设计规划将软、硬件按实现的功能划分成不同的模块。分 析系统所用各传感器的性能，全面了解被采集信号的各项指标。 ( 2 ) 设计系统硬件及制作p c b 板实现对系统称重传感器和测速传感器的数据 采集、上位机通信、在线编程等功能，通过a l t i u md e s i g n e rs u m m e r 0 8 设计硬件电路原 理图及p c b 板图，联系工厂制作电路板，成板后将元器件j 下确焊接。 ( 3 ) 硬件电路的调试系统硬件部分制作完成后，使用在线编程功能对系统编 写测试程序，借助s s c o m 3 2 端口监控软件调试系统，使该硬件系统能够正确、稳定 的完成重量数据的采集、在线编程以及上位机的通信等功能。 ( 4 ) 单片机软件程序设计及调试硬件调试成功后，根据系统功能需求和传感 器信号指标，使用k e i lc 5 1 集成开发工具丌发单片机软件程序，要求完成对称重传 感器信号的a d 转换，对测速传感器信号的脉冲计数和将采样数据按照规定协议由 串口发送至上位机等功能。借助s s c o m 3 2 调试程序，确保程序稳定工作，输出数据 准确。 ( 5 ) 上位机软件设计及调试上位机软件系统主要分为上下位机通信模块、计 量数据处理模块、数据显示模块、数据库模块和参数标定模块，按模块进行程序编 写及调试。使得该软件能够完成下位机数据的接收、数据的动态显示、数据的量化 处理与计算、系统各参数的标定以及基于数据库的数据访问、查询、统计、报表打 印等功能。软件编写工具为v i s u a lc + + 6 0 ，数据库设计使用s q ls e r v e r2 0 0 0 。 ( 6 ) 联机调试将硬件电路与上位机通过串口连接，接入模拟传感器信号，使 上、下位机可以f 确的进行通信，验证系统整体运行结果。最终在实际环境中连接 传输带装置，对系统进行参数标定和调整，使得该传输带动称重系统能够按要求正 确、稳定的运行。 本论文结构如下： 第1 章为绪论部分。阐述了本课题的研究背景及意义，介绍了动态称重技术国 内外研究发展现状，最后总结了自己所做的工作，并且给出了论文整体结构。 第2 章为系统整体设计。提出了传输带动态称重系统的总体设计方案，阐述了 系统的基本结构和计量原理。详细说明了系统实现的功能。 第3 章为秤架和传感器选择。介绍了几种传输带动态称重系统目前使用的秤架 和传感器，对结构和原理做了详细分析，对比优缺点进行选择。 5 。 片机和数模转 。着重阐述了 绍了主程序模 重点阐述了称 明了a d 7 7 3 0 块的设计。在 置模块中阐述 测试系统的结 第2 章系统整体殴计 第2 章系统整体设计 2 1 系统结构概述 传输带动态称重系统由五部分构成：秤架、称重传感器、测速传感器、数据采 集电路和工控计算机。采用单托辊秤架、梁式称重传感器和接触式测速传感器的传 输带动态称重系统结构示意图如图2 1 所示。 架 图2 一l 传输带动态称重系统结构示意图 f i g 2 1 s t r u c t u r eo fb e l t e dd y n a m i cw d g h i n gs y s t e m 物料在传输状态下，称重传感器和测速传感器将传输带上物料的瞬时重量和瞬 时速度转换成电信号，数据采集电路采集该电信号并进行适当处理，然后送入工控 计算机进行量化和计算，最后显示流量累计结果。扩展功能通常是靠开发软件完成 的，如监控功能、报警功能以及数据库相关功能。 2 2 动态称重计量原理 通常情况下，计算传输带上物料的流量需要采集物料的瞬时重量数据和传输带 的瞬时速度数据。物料的瞬时重量需要连续采样或者周期采样计量区段传输带托辊 所受到的压力。传输带的瞬时速度可以通过接触式和非接触式两种方式获得，再经 过一定的算法来减小误差。物料的瞬时重量和传输带的瞬时速度进行运算，可得传 输带上物料的瞬时重量和累计流量【l l 12 1 。瞬时重量为某一瞬间传输带上的物料重量， 累计流量为某一段时间内传输带上所通过的物料总重量。目f j 主要通过积分法和累 加发计算物料的瞬时重量和累计流量。 目前计算物料流量和累计重量主要采用的方法有积分法和累加法。 7 河j 匕科技人学硕十学位论文 ( 1 积分法积分法计量流量时，首先测量传输带上输送的物料的瞬时重量 q ( k g m ) 和相同时刻传输带的瞬时速度u ( n v s ) ，相乘可以得到传输带上物料的瞬时流 量w o ) ( k g m ) ： 形( f ) = q u ( 2 一1 ) 式( 2 1 ) 算出的是传输带某一时刻的瞬时流量，但传输带上的物料瞬时重量和 传输带的瞬时速度都是随时间不断变化的，所以瞬时流量对时间的积分可以得 出r 段时间内传输带的累积物料流量胍 w 。上w ( t ) d t2 上q ( t ) u ( t ) d t ( 2 2 ) 式中g ( f 卜嘏时荷重值 “( r 卜瞬时皮带速度 传输带的速度可由采样间隔距离万和走过万段程度所消耗的时间丁来计算： “：丝( 2 3 ) 7 式中t _ 走过占8 l 长度所需的时间 万三采样间隔行程 ( 2 )累加法用累加法计量传输带上物料流量时，传输带每移动距离s 时，就 对传输带的瞬时重量采集一次，这是传输带整体的加权重量，会与实际重量有一定 的差距。然后通过近几次的瞬时总量采样计算出s 段的瞬时重量值g f 。把力段测量 的瞬时重量累加就读出传输带走过心段长度的累积流量胍 w = ( g i + 9 2 + 9 3 + + g 甩) ( 2 - 4 ) i = 1 累加法计量原理如图2 2 所示。 图2 2累加法计算物料流量 f i g 2 - 2u s i n gs u m m a t i o nm e t h o dc a l c u l a t em a t e r i a lf l o w t 时刻传输带上物料的瞬时重量可以由w 对时间微分求的： ( f ) = 面d w ( 2 5 ) 使用累加法计算物料流量可以很好的减少皮带跳变和传感器转换误差对计量结 果的影响，并且经过大量实验证明使用累加法要比采用积分法的准确度高，所以对 第2 章系统整体设计 计量精度要求严格的系统均采用累加法方式计量。本系统设计f 是基于累加法计量 物料流量和累计重量。 2 3 本章小结 本章提出了系统的设计方案，阐述了传输带动态称重系统的基奉结构和计量原 理。详细浼明了本系统的组成结构和实现的功能，介绍两种基本计量算法，对优缺 点进行了对比，选择累加法作为系统的基本计量算法。 9 河北科技人学硕十学位论文 第3 章秤架和传感器的选择 传输带动态称重系统的载重部分称为秤架。秤架安装在传输带输送机上，在完 成输送功能的同时实现传输带上物料的动态称重【l3 1 。物料流过传输带时，秤架上的 称重传感器和测速传感器将秤架瞬时重量和传输带瞬时速度值转换成电信号，并由 数据采集装置采集。 秤架和传感器的选择直接影响系统整体的计量精度和系统其它部分设计，故此 要综合各方面因素做考虑。 3 1 几种常见秤架介绍与分析 在系统计量过程中，由于运行中的传输带的张力，抖动和跑偏等因素对流量计 量结果的影响甚大，这种影响又称“皮带效应”【1 4 】。为减轻这种影响，以及安装难 度和设备成本等考虑，秤架的种类繁多。如下介绍几种常见的秤架结构。 3 1 1 单托辊秤架 称重传感器只安装在一组托辊上的秤架结构称为单托辊秤架【j5 1 。如图3 1 所示， 单托辊秤架由安装了称重传感器的称重托辊，称重托辊相邻的两组过度托辊和秤架 支撑结构共同组成。其中秤架支撑结构分为平衡杠杆支撑和直接支撑，平衡杠杆支 撑结构还可以选择是否配置平衡重物。 o 戮翳。p阳。 沪h 爿 输带 图3 - 1配置平衡重物的单托辊称架结构示意图 f i g 3 - 1 s t r u c t u r eo fs i n g l e - i d l e rr e c e p t o rw i t hb a l a n c ew e i g h t 配置平衡重物重量可以实现调节传输带空载时对承重传感器的压力，有利于系 统零点标定，确保计量精度。 3 1 1 1 单托辊秤架计量区的构建 计量区是保证整个传输带动态称重系统计量准确的关键所在，计量区上的物料 1 0 第3 章秤架利传感器的选择 重量通过称重托辊以某种函数关系形式直接反映到传感器的计量信号中。计量区的 设计直接影响到计量的精度。所以为了提高运行的稳定性，减小传输带张力影响， 防止跑偏和偏载，提高计量精度，我们将计量区建立在一台只有2 5 米长的短皮带机 上。用短皮带机和单托辊组合成的计量区如图3 2 所示。 图3 - 2 短皮带机和单托混秤架组合成的计量区 f i g 3 2 t h em e a s u r e m e n ta l c ac o m p o s e db ys h o r t b e l tm a c h i n ea n ds i n g l e - i d l e rr e c e p t o r 3 1 1 2 计量区受力分析 当现场单托辊秤架的计量区倾角不大于2 0 。，计量区托辊为等间距，传输带挠度 不大于3 时，设物料离心力、称重托辊的滚动摩擦系数和皮带速度变化率为零，且 物料载荷按传输带长度均匀分布。则计量区内的传输带受力可以等效成一条悬索。 计量区传输皮带等效悬索如图3 3 所示： 图3 - 3 短皮带机和单托混秤架组合成的计量区 f i g 3 3 t h em e a s u r e m e n ta 啪c o m p o s e d b ys h o r t b e l tm a c h i n ea n ds i n g l e - i d l e rr e c e p t o r 图3 3 中，d l l 、d 2 2 分别为等效悬索前后两段的最低点，设计量区a c 为水平， 计量区前后两段斜面a b 和b c 与水平面的倾角分别为1 和胆，且均小于o 5 0 ，a b 和b c 长均为。 截取0 1 i d 段悬索，以0 l l 点为坐标系原点，以水平线为x 轴，以铅垂线为y 轴， 建立直角坐标系。 河北科技人学硕十学位论文 悬索曲线形状及其受力分析如图3 4 所示。 j、y 一 p 堑 一一 l b 砸 一一d i x ，y ) 、 ， 0 1 1 i 第3 章秤架和传感器的选择 同理，设b o z 2 在直线a c 上的投影长为a 2 2 ，且设0 2 2 处的张力为t 2 2 ，则有： 寺鲁 p 6 ， 口2 z 。互+ 葛 3 击 截取0 l l b 0 2 2 段悬索，受力如图3 - 5 所示。 飞 图3 - 5d l l b d 2 2 段悬索受力分析图 f i g 3 5 s t r e s sa n a l y s i so fo li b 0 2 2 图3 5 中，b 为称重托辊等效支点，为支点b 所受压力的反力，在x 轴方 向和y 轴的方向的分力分别为n x 和，因为摩擦力为零，故乃i 和乃2 相等，且记 作丁，叫做计量区张力。由于等托辊间距，且载荷按传输皮带长度均匀分布，故死i 和死2 在同一条水平线上，则有： 石= 0吆= 正：一石。= oj1 1 y = o= ( 6 i 。+ 口：) p 得到： 虬= 以，= ( 包i + a 2 2 ) p ( 3 - 7 ) 将( 3 5 ) 和( 3 6 ) 代入( 3 - 7 ) ，可得： m ：m ，：印- i - 半( 3 - 8 ) 设称重辊的所受压力为p ，则p 与大小相等，方向相反。可得： 尸：印+ 半( 3 - 9 ) x - - ( 3 - 9 ) 中2 h _ _ z 即为张力产生的向上的力。 在整个动态称重计量系统中，除去传感器和二次仪表的精度，皮带跑偏，抖动， 环境温度变化所引起的误差，都可以归一化的归结为皮带张力的影响，没有张力校 正的计量的传统系统中只依据尸= 印进行计量量化，没有考虑张力的影响。 3 1 2 多托辊秤架 包含多于两组称重托辊的秤架称为多托辊秤架，目前多托辊秤架有双杠杆式和 多杠杆两种支撑结构。而且每一种都可以选择是否配置平衡重物，这与单托辊秤架 相同。 图3 - 6 所示为一种两组称重托辊的双杠杆结构秤架的受力情况图。 这种秤架由几根纵向吊梁和两组对称杠杆组成，杠杆上承载相同数量的称重托 辊，杠杆两端用弹簧片支点支撑在纵向吊梁上，中间两端连接在安装称重传感器的 纵向吊梁上，与连接纵向吊梁的框架共同组成了一个吊挂称重系统。通过配置平衡 重物，可以将称重托辊产生的重力通过平衡杠杆传递给纵向吊梁上的称重传感器【1 6 l 。 由于称重传感器安装在吊梁上而不是改装的托辊中，所以安装和维护简便。 【l ：【l； i ； _ _ 一 ； _ _ 一 1r 上v p 7 量氐一f 、乙) 一a t 厂1 弋 一 一 心 一r 7：i一。一 ，_ 、 l 7 i ，一i 一+ i r j v 2 ，r 一 fq l 1 r r1r ： i jd 2 图3 - 6 舣杠杆多托辊秤架结构和受力分析图 f i g 3 6 s t r u c t u r ea n ds t r e s so fm u l t i i d l e rr e c e p t o rw i t hd o u b l e - l e v e r 这种双杠杆多托辊的秤架结构也会产生传输带的张力、抖动和跑偏等因素造成 的计量误差，但是由于采用了两组对称的平衡杠杆，使得构成影响计量结果主要因 素的水平分力日大大减小，从而提高了计量精度。如图3 - 6 所示，n 为加在称重托 辊上的压力，日为称重托辊压力的水平分力，为称重托辊问的距离，p 称重传感器 所受的向下的力，e 为弹簧片支点到称重托辊重心的水平距离。 l n h e 暑2 可厂( 3 - 1 0 ) 1 4 第3 章秤架和传感器的选择 日+ 最= 焉 ( 3 - 只：i n + h e ( 3 - 1 2 ) 1 5 ， 式中 l 一琳重托辊的j 下压力 胆“重托辊上的水平分力 争毒片支点中心到h 力作用线的距离 j o 重托辊间距 p _ 础感器所受的拉力 这种对称杠杆结构能有效的平衡误差。即使每个杠杆上的