前言

雙繩無(wú)功抓斗廣泛應(yīng)用于港口 、碼頭、車站、礦山及貨場(chǎng), 在煤炭 、礦石 、沙石等散物轉(zhuǎn)運(yùn)過(guò)程中, 是一種普遍采用的裝卸機(jī)械。目前較多采用皮帶秤或地中衡來(lái)間接解決抓斗的計(jì)量問(wèn)題, 有些地方甚至沿用測(cè)量船舶吃水線方法來(lái)估算 。這些方法都存在著明顯的不足, 倘若能在抓斗裝卸貨物的同時(shí)自動(dòng)完成稱重, 顯然是一種可取的方法, 但它工作環(huán)境差, 作業(yè)時(shí)抓斗擺動(dòng)大, 需要 2 只力傳感器, 還要抗強(qiáng)沖擊力等問(wèn)題給設(shè)計(jì)帶來(lái)困難, 本文采用多微處理器技術(shù)和動(dòng)態(tài)稱重算法研制了一種新型實(shí)用的無(wú)線動(dòng)態(tài)稱重儀, 取得了良好的效果。

2 硬件電路框圖和功能

根據(jù)雙繩無(wú)功抓斗裝卸機(jī)械的結(jié)構(gòu), 無(wú)線動(dòng)態(tài)抓斗秤設(shè)計(jì)成兩部分:前端的數(shù)據(jù)采集裝置和后臺(tái)的數(shù)據(jù)接收及智能儀表。數(shù)據(jù)采集裝置有 2 個(gè), 分別安裝在固定抓斗的每根繩索處, 用于采集各自繩索的受力情況;數(shù)據(jù)接收及智能儀表安裝在操作室內(nèi), 以便操作者監(jiān)視和人機(jī)對(duì)話。兩者間距離遠(yuǎn),且抓斗機(jī)械臂前后伸縮、左右移動(dòng)范圍大, 采用FSK 無(wú)線通訊方式。

( 1) 數(shù)據(jù)采集裝置

為防止抓斗裝載貨物時(shí)產(chǎn)生的沖擊力和塵埃, 數(shù)據(jù)采集裝置必須有抗震措施、密封性好、功耗低, 能自動(dòng)開(kāi)關(guān)電源。電路框圖如圖 1 所示, 主要包括力傳感器和模擬電路、AD 轉(zhuǎn)換器和CPU 以及 FSK 調(diào)制和發(fā)送三部分。

力傳感器和模擬電路, DS -3t 力傳感器在 +5V 電源下輸出 0 ～ 1mV 模擬信號(hào), 經(jīng) AD620 儀表放大器放大 100 倍后送至模數(shù)轉(zhuǎn)換器和喚醒電路。喚醒電路由比較器和單穩(wěn)態(tài)電路構(gòu)成, 用于產(chǎn)生 CPU 的復(fù)位信號(hào) RST 。另外, 電源由蓄電池供電, 采用具有低壓檢測(cè)功能的低壓差線性調(diào)壓器 MAX883 。AD 轉(zhuǎn)換器和 CPU, 根據(jù)計(jì)量精度的要求, AD7710 模數(shù)轉(zhuǎn)換器內(nèi)部編程設(shè)置為 :分辨率 16Bit, 內(nèi)部放大 2 倍, 低通濾波器的截止頻率 80Hz, 并選擇偏置標(biāo)定方式以消除力傳感器、AD620 及 AD7710 所造成的零點(diǎn)誤差, 轉(zhuǎn)換結(jié)果通過(guò) SPI 接口以中斷方式 、串行輸出給CPU, CPU 將數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理, 采用串行口方式 3, 以 1200bps 發(fā)送給調(diào)制解調(diào)器, 每個(gè)數(shù)據(jù)的傳送包括 3 幀內(nèi)容:1 幀控制字, 2 幀數(shù)據(jù), 控制字和數(shù)據(jù)通過(guò)方式 3 中的可編程位 TB8 來(lái) 區(qū)分, “1”表示控制字, “0”表示數(shù)據(jù) 。FSK 調(diào)制和發(fā)射, 調(diào)制解調(diào)器 M SM 7512 將CPU 送來(lái)的串行數(shù)據(jù)調(diào)制成 FSK 信號(hào), 由無(wú)線發(fā)送模塊以 94.5M Hz 的頻率發(fā)射出去, 考慮到功耗采用單工同步發(fā)射。

主要功能有:

①信號(hào)放大和采集。

②零點(diǎn)自動(dòng)校正 。

③數(shù)據(jù)預(yù)濾波和 FSK 調(diào)制發(fā)射 。

④工作模式識(shí)別以及欠壓, 超載等報(bào)警。

( 2) 數(shù)據(jù)接收和智能儀表

前端兩個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置異步地向后臺(tái)不斷發(fā)射數(shù)據(jù), 為了能有效地進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、FSK解調(diào)和處理, 采用獨(dú)立的兩套數(shù)據(jù)接收和處理模塊, 將處理結(jié)果經(jīng) 8155 接 口 芯 片 輸 出 給 主 CPU3, 它們之間的數(shù)據(jù) 通訊采用查詢方式, 。 其 中 另 一 片8155 芯片作鍵盤和打印 機(jī)接 口, 顯 示 接 口 由 CPU3 P1 口的 3 根 I/O 線分別作數(shù)據(jù) 、消隱和串 行時(shí)鐘, 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用 EEPROM 芯片, 并可保存三天的數(shù)據(jù), 留出 CPU3 的串行口用于 以后擴(kuò)展 。主要功能有:

①數(shù)據(jù)的接收和 FSK 解調(diào) 。

②數(shù)據(jù)校驗(yàn) 、濾波、非線性補(bǔ)償及動(dòng)態(tài)稱重計(jì)算。

③數(shù)據(jù)顯示 、打印、存儲(chǔ)和報(bào)警 。

④鍵處理, 包括日期設(shè)定 、去皮 、置零、清除、查詢和累計(jì)等。

3 動(dòng)態(tài)稱重算法

在動(dòng)態(tài)條件下, 由于抓斗提取時(shí)的振動(dòng), 運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的擺動(dòng), 鏈鉤上下的沖擊, 電氣設(shè)備的啟停等多種原因都將帶來(lái)干擾, 稱重信號(hào)實(shí)際上是在被稱貨物重量信號(hào)上迭加了一個(gè)交變諧波干擾信號(hào), 且振幅較大, 如何消除或減少振動(dòng)的干擾是解決問(wèn)題的關(guān)鍵, 動(dòng)態(tài)信號(hào)的 處理方法有多種[ 1 ～ 4] , 在動(dòng)態(tài)干擾不大或準(zhǔn)確度要求不高時(shí), 可以采用多次采樣取平均值, 但在動(dòng)態(tài)干擾大, 而且準(zhǔn)確度要求高時(shí), 必須采用更好的處理方法。 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果, DS 力傳感器的輸出信號(hào)如圖 3 所示, t0 ～ t1 空秤零點(diǎn)階段, t1 ～ t2 逐漸上秤階段, t 2 ～ t 3 上秤平移階段, t3 ～ t4 卸物后返回階段, t4 以后為第二 輪上秤開(kāi)始階段 。動(dòng)態(tài)稱重算法是在 u( t) 中自動(dòng)識(shí)別出抓斗 t2 ～ t 3 的稱重階段, 采用多次 采用取加權(quán)平均值, 并以適當(dāng)?shù)男Ｕ椒ǐ@取被稱貨物的重量。

首先對(duì) u( t) 信號(hào)作快速采樣, 中位值濾波得到有效測(cè)量數(shù)據(jù) u( k) , 即連續(xù)采樣 m 次( m ≥3) , 并從大到小順序排列, 從首尾各舍掉 1/3 個(gè)大數(shù)和小數(shù), 再將剩余的 1/3 個(gè)大小居中 的數(shù)據(jù)進(jìn)行平均 。然后對(duì) u( t) 的 n 次測(cè)量值 u( k -n +1) , u( k -n +2) , …, u( k) , 采用增加 一個(gè)新數(shù)據(jù)u( k) , 去掉一個(gè)老數(shù)據(jù)u( k -n) , 再進(jìn)行平均的移動(dòng)加權(quán)平均值濾波得到n 時(shí)刻 u( t) 信號(hào)的輸出 U— ( k) , 即 圖 3 傳感器的輸出信號(hào) U— ( k) =∑n -1 i=0Ai ×u( k -i) , k =0, 1, 2 … ( 1) 式中 Ai 為權(quán)系數(shù), 且 ∑n -1 i =0Ai =1 。 后將 U— ( k) 轉(zhuǎn)換為重量值 M ( k) , 即 M ( k) =K1K2U— ( k) ( 2) 式中 K1 —質(zhì)量/電壓轉(zhuǎn)換系數(shù);K2 —校 正系數(shù)。 兩只傳感器的M ( k) 之和就等于此時(shí)所稱的 貨物重量, 當(dāng)檢測(cè)到已卸下貨物, 再將上秤平移 階段所得到的貨物重量再作一次中位值濾波可獲得較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。 濾波點(diǎn)數(shù)主要取決于干擾程度和系統(tǒng)的靈敏度, 從調(diào)試看, 前端數(shù)據(jù)采集裝置采用 5 點(diǎn) 中位置濾波;稱重階段采用 16 點(diǎn)加權(quán)移動(dòng)取平均值平滑度較好, 但靈敏度不夠, 倘若在 獲得的數(shù)據(jù) u( k +1) 與上一時(shí)刻值 U— ( k) 比較相差大于 0.05( 由精度確定) 時(shí), 就用 u( k +1) 去刷新 u( k) 至 u( k -15) 的 16 個(gè)數(shù)據(jù)就能獲得滿意的動(dòng)態(tài)性能。

另外, 采樣率是一個(gè)重要的參數(shù), 它主要由干擾信號(hào)和動(dòng)態(tài)性能決定, 但受發(fā)射速率的限制,

據(jù)調(diào)試結(jié)果, 可根據(jù)主要干擾脈沖的周期和數(shù)字濾波器的點(diǎn)數(shù)來(lái)選取, 一般應(yīng)大于50Hz。

軟件設(shè)計(jì)

由于整個(gè)系統(tǒng)采用多 CPU 結(jié)構(gòu), 編制程序較多, 限于篇幅僅介紹其中的部分程序設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)采集裝置中的 CPU 有兩種低功耗模式:省電模式和閑置模式。省電模式下 CPU可以由內(nèi)、外中斷激活, 閑置模式僅由復(fù)位信號(hào) RST 激活, 其軟件的設(shè)計(jì)除完成數(shù)據(jù)的讀入、處理和發(fā)射外, 應(yīng)結(jié)合硬件使整個(gè)數(shù)據(jù)采集裝置的功耗降至更低 。因此 CPU 與外界的 聯(lián)系都采用中斷方式而使其在大部分時(shí)間處于省電模式, 一旦識(shí)別出抓斗停止工作就切斷 發(fā)射模塊電源, 置AD7710 和 MSM7512 為低功耗, CPU 進(jìn)入閑置模式使其處于待機(jī)狀態(tài)等,待下次喚醒, 智 能 儀 表 中 CPU1 和 CPU2 的程序除傳感器的校正參數(shù)不同外基本一樣, 主要做數(shù)據(jù)的接收和有關(guān)動(dòng)態(tài)算法上的多字節(jié)乘除運(yùn)算及與 CPU3的接口程 序, 其中接收端只有在收到控制字后, 方能接收后面緊隨的2 幀數(shù)據(jù), 否則認(rèn)為 是無(wú)效數(shù)據(jù).CPU3 的主程序做鍵處理以及數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和故障報(bào)警, 每隔 0.5 秒由 T0 定時(shí)中斷從數(shù)據(jù)接收模塊中讀取每只傳感器的處理結(jié)果, 并計(jì)算出此時(shí)抓斗所抓貨物的重量, T0 中 斷程序框圖所示 。

結(jié) 語(yǔ)

本文從硬件 、軟件和動(dòng)態(tài)算法三方面介紹了無(wú)線動(dòng)態(tài)抓斗秤的設(shè)計(jì), 經(jīng)實(shí)驗(yàn)調(diào)試, 具有準(zhǔn)確度高、穩(wěn)定性好, 便于安裝 、使用和維護(hù) 。既可在線動(dòng)態(tài)稱重, 也可用于靜態(tài)計(jì)量, 提高了工作效率, 減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度, 減少計(jì)量異議, 方便生產(chǎn)計(jì)量統(tǒng)計(jì) 。其主要性能指標(biāo)有:

( 1) 大稱量 5t, 包括抓斗自重 。

( 2) 分度值 2kg 。

( 3) 準(zhǔn)確度 :靜態(tài) <0.1/100, 動(dòng)態(tài)<2/100

( 4) 輸出方式:LED 顯示和打印制表 。

( 5) 其它:數(shù)據(jù)采集裝置需 +6V 蓄電池供電, 平均功耗 30mW ;采樣頻率 80Hz 。

在建立了高精度 、寬范圍熱力參數(shù)數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上, 結(jié)合單片機(jī)運(yùn)算速度快 、指令豐 

富和多功能等優(yōu)點(diǎn), 研制的智能化熱力參數(shù)測(cè)量?jī)x實(shí)現(xiàn)了熱力參數(shù)的智能化快速檢測(cè)。儀

器小巧輕便、反應(yīng)靈敏、安裝方便、通用性強(qiáng), 評(píng)為新產(chǎn)品和國(guó)家重點(diǎn)推廣產(chǎn)品, 可望成為熱力系統(tǒng)的更新?lián)Q代設(shè)備 。