淺析快速定量裝車系統(tǒng)數(shù)字稱重技術(shù)的應(yīng)用

李東

【摘要】為了使快速定量裝車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高效、精準(zhǔn)的裝載，本文淺略的探討了數(shù)字式稱重傳感器在快速定量裝車系統(tǒng)中應(yīng)用的可行性和高效性，并以此為基礎(chǔ)分析了適合裝車系統(tǒng)的數(shù)字采集技術(shù)。

【關(guān)鍵詞】快速定量裝車系統(tǒng);數(shù)字稱重;數(shù)字式;數(shù)字化

一、引言

隨著國內(nèi)現(xiàn)代化生產(chǎn)水平的不斷提高，快速定量裝車站作為一種對大宗散裝物料進(jìn)行高精度自動計(jì)量的設(shè)備，越來越受到煤礦、港口等企業(yè)的青睞。裝車系統(tǒng)屬于非連續(xù)累計(jì)衡器（又稱累計(jì)料斗秤），計(jì)量準(zhǔn)確度高、性能穩(wěn)定、工作可靠，是一種對散裝物料進(jìn)行自動稱量的衡器。它將待稱量的一批散料自動分成若干份分立的被稱載荷，按預(yù)定程序依次稱量每份載荷的重量，累加所有稱量結(jié)果，并將被稱量的載荷卸入火車（或汽車）車廂中，稱量與裝車同步進(jìn)行，達(dá)到快速定量裝車的目的。在裝車過程中，所裝物料的稱量精準(zhǔn)性是依靠稱重傳感器實(shí)現(xiàn)。目前應(yīng)用的模擬式稱重傳感器，是采用電阻應(yīng)變轉(zhuǎn)換原理，普遍存在著輸出的模擬信號?。ㄒ话銥?0～40mV），傳輸距離短抗干擾能力差，稱重顯示控制儀表復(fù)雜，安裝、調(diào)試不方便等先天缺陷。開發(fā)新型的數(shù)字稱重傳感器，實(shí)現(xiàn)數(shù)字式稱重技術(shù)，是快速定量裝車系統(tǒng)的發(fā)展需要。

二、數(shù)字稱重技術(shù)簡介

1.數(shù)字稱重系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

第一，每只傳感器具有各自的地址，可通過RS485等通信接口查詢單個(gè)傳感器的工作狀態(tài)。

第二，可以直接獲得每只傳感器的原始輸出信號，而不是得到一個(gè)由多只傳感器并聯(lián)組合在一起的無物理量相對應(yīng)的未知模擬信號。正是有了這兩大特點(diǎn)，才使數(shù)字系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)了探測、辨認(rèn)、診斷等“智能化”功能。

第三，能對傳感器實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的軟件補(bǔ)償（如溫度、線性、蠕變等）。從原理上講，只要傳感器的穩(wěn)定性好，就可以經(jīng)過軟件實(shí)現(xiàn)理想的補(bǔ)償。這種方法在對傳感器的補(bǔ)償方面早已得到證明，因此可將傳感器的制造精力主要放在穩(wěn)定性上。

2.數(shù)字稱重傳感器分類

（1）數(shù)字化稱重傳感器：一種是將模擬式稱重傳感器的輸出信號，通過安裝在其內(nèi)部的數(shù)字變送器，變?yōu)閿?shù)字信號輸出，通常稱為數(shù)字化稱重傳感器。數(shù)字化稱重傳感器的力學(xué)和溫度性能指標(biāo)，都是以模擬式稱重傳感器的制造工藝和電路補(bǔ)償、調(diào)整技術(shù)為基礎(chǔ)的。數(shù)字變送器只是將模擬輸出信號數(shù)字化，并不能提高各項(xiàng)性能指標(biāo)。由于其受數(shù)字變送器的影響，因而其測量數(shù)據(jù)還會損失一些固有性能。

（2）數(shù)字式稱重傳感器：是在徹底脫離傳統(tǒng)模擬式稱重傳感器的制造工藝和電路補(bǔ)償、調(diào)整技術(shù)的基礎(chǔ)上，所開發(fā)的新型數(shù)字式智能稱重傳感器。其通過由放大、濾波轉(zhuǎn)換、微處理器芯片、溫度敏感元件等元器件組成的數(shù)字式電路，以及標(biāo)度變換數(shù)字濾波、數(shù)字調(diào)零、數(shù)字補(bǔ)償?shù)溶浖夹g(shù)，使稱重傳感器輸出的數(shù)字信號成為一組組有格式、有規(guī)律的高低電平信號，經(jīng)過效率高、可靠性好的接口實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸。數(shù)字式稱重傳感器的制造工藝完全不同于模擬式稱重傳感器，其主要是在應(yīng)變元件組成惠斯登電路后，通過試驗(yàn)、測試、建立數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝要求的各補(bǔ)償項(xiàng)目的數(shù)學(xué)模型，形成便于程序化計(jì)算的公式，便于編制成補(bǔ)償計(jì)算軟件，如線性補(bǔ)償、蠕變補(bǔ)償、零點(diǎn)補(bǔ)償和靈敏度補(bǔ)償?shù)葦?shù)學(xué)模型。數(shù)字補(bǔ)償技術(shù)與工藝是建立在合理的物理模型和數(shù)學(xué)模型基礎(chǔ)上的，給出準(zhǔn)確可靠的數(shù)學(xué)模型是保證數(shù)字補(bǔ)償?shù)那疤?。而根?jù)數(shù)學(xué)模型編制出的簡單、實(shí)用、有效的補(bǔ)償計(jì)算軟件，存儲在微處理芯片中，對各項(xiàng)誤差進(jìn)行有效地修正和補(bǔ)償，為智能化數(shù)字稱重儀表提供可靠的數(shù)字信號。

圖1 稱重系統(tǒng)基本構(gòu)成

（3）整體型數(shù)字式智能稱重傳感器：在稱重傳感器內(nèi)部安裝有放大、濾波、A/D轉(zhuǎn)換，微處理器芯片和溫度敏感元件等組成的數(shù)字處理電路，利用微處理器芯片已存入的軟件，實(shí)施各項(xiàng)數(shù)字補(bǔ)償工藝，進(jìn)行綜合性能測試和檢定，最后采用電子束焊或激光焊進(jìn)行密封。

（4）分離型數(shù)字式智能稱重傳感器：分離型數(shù)字式智能稱重傳感器是將原先放置在稱重傳感器內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換數(shù)字處理電路，移至一個(gè)外部接線盒內(nèi)，將具有A/D轉(zhuǎn)換模塊的接線盒稱為數(shù)字接線盒。普通的模擬式稱重傳感器接入數(shù)字接線盒后，它的輸出便以數(shù)字信號傳輸給與其配套的稱重顯示控制儀表。

目前各生產(chǎn)廠家的數(shù)字傳感器只能在本廠的顯示器或所提供的軟件的支持下工作，相互間沒有互換性。這是因?yàn)橐恍┘夹g(shù)方面的原因，但在很大程度也取決于廠家的利益，在我國這方面的因素可能更突出一些。但此問題由另一方面來考慮，這種局限性也影響了數(shù)字傳感器的廣泛使用和推廣。另外目前數(shù)字式傳感器基本限于柱形，類型太少，也是限制廣泛使用原因。

表1

廠 家 HBM HBM FLINTEC

型 號 C16A C3 C16i C3 RC 3D

精度等級 C3（0.0170%） C3（0.018%）

3000 C3

C4

最大檢定分度（nl）（Vm） 3000 0.0100%Emax 3000

4000

靈敏度 2mv/v 1000000 200000

靈敏度誤差（Cn） ±0.5% ±0.03% ≤±0.020%

≤±0.018%

溫度對靈敏度影響（TKc） ±0.080%cn/10k ±0.0080%cn/10k ≤±0.0010%cn/℃

≤±0.0008%cn/℃

溫度對零點(diǎn)影響（TKO） ±0./140%cn/10k ±0.0140%cn/10k ≤±0.0009%cn/℃

滯后誤差（dny） ±0.0170%cn ±0.0170%cn ——

非線性誤差（din） ±0.0180%cn ±0.0180%cn ——

蠕變及蠕變恢復(fù)（dcr）30min ±0.0167%cn ±0.0167%cn ≤±0.016%cn

額定溫度范圍（BT） -10℃……+40℃ -10℃……+40℃ -10℃……+40℃

工作溫度（Btu） -30℃……+70℃ -30℃……+70℃ -40℃……+40℃

存儲溫度（Btl） -50℃……+85℃ -50℃……+85℃ ——

在表1中我們把HBM公司和FLINTEC公司的數(shù)字傳感器和技術(shù)指標(biāo)相近的模擬傳感器作比較。由表中有兩點(diǎn)是非常顯著的，首先由于C16ic3和RD3型為數(shù)字傳感器，它們的輸出為數(shù)字信號，即脈沖數(shù)列，而C16AC3型為模擬傳感器的輸出為模擬電壓信號，所以它們靈敏度的表示是顯然不同，前者為脈沖數(shù)，后者為2mv/v的電壓信號。而且數(shù)字傳感器是近期才出現(xiàn)的產(chǎn)品，在靈敏度的表示上各廠家并不統(tǒng)一，在HBM公司靈敏度、延用Sensitivity一詞，而FLINTEC公司是用Rated Output，即額定輸出。另外還用內(nèi)分辨率（Internal resolution），來表征輸出的特征。對RC3D型、額定輸出為200000，內(nèi)分辨率為550000。使用者要特別留意不要將其與傳感器的最大檢定分度相混淆。由表1讀者還可以看出在HBM公司對數(shù)字傳感器技術(shù)指標(biāo)的表示，也與OIMLR60國際建議的表示不一致。第二點(diǎn)，由表1中可明顯看出、數(shù)字傳感器和模擬傳感器其它計(jì)量性能指標(biāo)如：蠕變、溫度性能等。幾乎沒有差別，這表明就目前的技術(shù)水平，對傳感器的數(shù)字補(bǔ)償和模擬補(bǔ)償?shù)慕Y(jié)果無明顯的差異。

三、數(shù)字稱重技術(shù)在快速定量裝車系統(tǒng)中的應(yīng)用

在快速定量裝車系統(tǒng)的裝車過程控制中，由于生產(chǎn)的連續(xù)性，對于設(shè)備的可靠性就有著較高的要求，在設(shè)計(jì)上采用了很多冗余技術(shù)來保證測量和控制的可靠性，除了DCS系統(tǒng)的冗余外，對現(xiàn)場的稱重傳感器也提出了冗余的要求。DCS系統(tǒng)希望能實(shí)時(shí)了解各個(gè)稱重傳感器的工作狀態(tài)，并及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障。而傳統(tǒng)的稱重方式是多個(gè)模擬傳感器的信號經(jīng)過接線盒并接后成為一路信號，那么每個(gè)傳感器的信號就不再是可獨(dú)立辨別的，儀表無法針對某一支點(diǎn)在線發(fā)現(xiàn)問題，進(jìn)行故障定位。這樣很難滿足在連續(xù)生產(chǎn)中高可靠性的要求。

如在快速定量裝車系統(tǒng)中使用數(shù)字稱重傳感器，相比而言，數(shù)字稱重傳感器在其內(nèi)部有微處理器，有其獨(dú)立的地址。不僅能夠?qū)ψ陨磉M(jìn)行診斷，而且方便儀表在線監(jiān)測各個(gè)傳感器的輸出并進(jìn)行智能處理。這樣，不但大大提高了稱重系統(tǒng)的可靠性，而且可以輕松解決一些傳統(tǒng)模擬傳感器很難實(shí)現(xiàn)的技術(shù)，如大皮重小秤量、偏載檢測等。

圖2 有無砝碼校準(zhǔn)和砝碼校準(zhǔn)的流程圖

在實(shí)際應(yīng)用中，裝車現(xiàn)場進(jìn)行標(biāo)定是一件及其繁瑣的事情。目前諸多快速定量裝車系統(tǒng)均采用提升砝碼進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定時(shí)還需另加砝碼（如20Kg砝碼）進(jìn)行校準(zhǔn)。使用數(shù)字稱重傳感器就可以實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定（如圖2所示）。這是因?yàn)閿?shù)字稱重傳感器在生產(chǎn)中，已用標(biāo)準(zhǔn)測力機(jī)對傳感器輸出進(jìn)行了標(biāo)定，其輸出的數(shù)字量與標(biāo)準(zhǔn)力值是一一對應(yīng)的，儀表讀取到的就是數(shù)字傳感器實(shí)際測量到的重量值，中間沒有任何損耗，因此可以實(shí)現(xiàn)免標(biāo)定。而模擬稱重傳感器和稱重儀表是分別生產(chǎn)分別標(biāo)定的，在組成模擬稱重系統(tǒng)時(shí)連線的各個(gè)環(huán)節(jié)都會有信號的損耗，儀表最后測量的信號并不完全等于傳感器的輸出信號，因此在應(yīng)用時(shí)或一定周期內(nèi)必須進(jìn)行系統(tǒng)的現(xiàn)場標(biāo)定。 （下轉(zhuǎn)第130頁）（上接第127頁）

另模擬式稱重傳感器的mV級信號太小，易受射頻干擾和電磁干擾，在傳輸中由于電纜電阻的影響會有所損失，所以信號傳輸距離較短。模擬式稱重作弊也極其容易，很難控制，難以避免的會出現(xiàn)實(shí)際裝車量與客戶需求量不一致的現(xiàn)象。而數(shù)字式稱重傳感器輸出數(shù)字信號，不但電平要高出模擬式百倍，不易受到干擾，而且是按照Bifbus現(xiàn)場總線通信協(xié)議傳輸，通信速度是普通RS485的十倍，高速且具通信糾錯能力，保證了數(shù)據(jù)快速可靠。由于協(xié)議的保密裝車現(xiàn)場無法進(jìn)行作弊，保障了供求雙方的信譽(yù)度。

實(shí)現(xiàn)快速的、定量的裝車，裝車速度和裝車精度是核心所在。在快速定量裝車系統(tǒng)中采用數(shù)字稱重傳感技術(shù)，不僅加快了速度，提高了裝車系統(tǒng)生產(chǎn)效率，且裝車精度也會大大提高，而這些正是目前快速定量裝車系統(tǒng)所追求的可持續(xù)發(fā)展的未來目標(biāo)！

四、結(jié)束語

在快速定量裝車系統(tǒng)中采用數(shù)字稱重傳感器，可以很好的解決裝車系統(tǒng)對計(jì)量準(zhǔn)確度要求高、穩(wěn)定性要求高、工作可靠性要求高及故障定位等需求。針對于數(shù)字稱重傳感器的特性，根據(jù)實(shí)際裝車需要對其載波和雙通道技術(shù)、回卷和數(shù)字濾波技術(shù)，做進(jìn)一步的詳細(xì)研究。在模擬式稱重傳感器的傳統(tǒng)稱重模塊的基礎(chǔ)上，研制采用數(shù)字式稱重傳感器的新式稱重模塊，其特點(diǎn)是組件化設(shè)計(jì)，具有“即插即用”功能，減少由于偏重、熱效應(yīng)影響，偶然超載等引起的稱重誤差，并可承受由于振動、沖擊、攪拌或其它外力引起的偏重，滿足快速定量裝車系統(tǒng)的發(fā)展需要。

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