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北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 1 第一章概論 1.1 論文選題的背景及意義 電子皮帶秤是在皮帶輸送機輸送物料過程中同時進(jìn)行物料連續(xù)自動稱重的 一種計量設(shè)備，其特點是稱重過程是連續(xù)和自動進(jìn)行的，通常不需要操作人員的 干預(yù)就可以完成稱重操作。電子皮帶秤廣泛用于煤炭、冶金、礦山、化工、建材 等領(lǐng)域。國家對電子皮帶秤的精度要求分為 0.25、0.5、1.0、2.0 共 4 個等級，隨 著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,對電子皮帶秤穩(wěn)定性和計量精度的要求也越來越高。 目前， 電子皮帶秤的信號采集和傳輸是用一個接線器將電子皮帶秤的多路傳 感器的電壓信號在接線器內(nèi)進(jìn)行并聯(lián)， 后再通過 6 芯信號電纜線將信號傳送至電 子皮帶秤重量計算儀，由儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及提供外部需要的數(shù)據(jù)接 口。接線器本身不具備對傳感器稱重信號的數(shù)據(jù)處理能力，也不適應(yīng)需要遠(yuǎn)距離 信號傳輸?shù)膱龊?，其?yīng)用受到很大限制。 智能多通道電子皮帶秤數(shù)據(jù)變送器是對各種結(jié)構(gòu)的電子皮帶稱的一路或多 路稱重信號及皮帶機速度數(shù)據(jù)，各自進(jìn)行獨立的數(shù)據(jù)采集、分析處理，然后通過 遠(yuǎn)程通信接口將所有數(shù)據(jù)傳至中央處理系統(tǒng)，通信距離要求達(dá)到 30km 以上，即 使在通信線路斷線的情況下自動累加并保存數(shù)據(jù)。 1.2 皮帶秤的發(fā)展 皮帶秤的發(fā)展大致經(jīng)過了以下四個階段： 第一代產(chǎn)品是純機械式皮帶秤，一般是采用增量式編碼器，機械式或光電式 掃描碼盤等，使皮帶秤的機械杠桿具有平衡條件，識別技術(shù)和啟動功能。 第二代是傳感器電子儀器皮帶秤， 檢測部分一般用光電脈沖或磁脈沖變送器 測速， 二次儀表用模擬積分放大電路或數(shù)字系統(tǒng)積分電路來實現(xiàn)動態(tài)稱重過程的 平衡、識別和積累計算功能。 這兩代皮帶秤只能測量、累積計算，對運行中計量性能的變化不能控制，因 此動態(tài)計量準(zhǔn)確度較低，穩(wěn)定性差，在用戶中信譽不佳，逐漸被第三代、第四代 皮帶秤取代。 第三代、第四代是傳感器微機式皮帶秤和微機智能化的皮帶秤。微處理機引 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 2 入皮帶秤使電子元器件結(jié)構(gòu)、內(nèi)容和集成化程度大大提高。生產(chǎn)廠家可以根據(jù)現(xiàn) 場使用條件去滿足用戶的愿望。 第三代，根據(jù)現(xiàn)代控制原理，可以對一些動態(tài)變化參數(shù)進(jìn)行控制，入零點跟 蹤、量程校準(zhǔn)等，但一般處于開環(huán)控制狀態(tài)。要想使皮帶秤在運行中獲得預(yù)定的 準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性任需操作人員的監(jiān)視、維護(hù)和頻繁校準(zhǔn)。 第四代，因在稱重系統(tǒng)中設(shè)置了針對使用特點的軟件,而且成為閉環(huán)自動控 制系統(tǒng)，智能儀電子皮帶秤的含義由此而來。這種稱重系統(tǒng)具有測量、計算、控 制、校準(zhǔn)、聯(lián)網(wǎng)通信、上下量程限監(jiān)視、故障報警等多項自控功能。由于計算機 技術(shù)滲入皮帶秤，使其計量準(zhǔn)確度提高，穩(wěn)定性改善，檢定周期延長，使用過程 中的維護(hù)工作量大大減輕，其應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大。目前，皮帶秤產(chǎn)品已遍布于世 界各地，廣泛應(yīng)用在煤炭、冶金、礦山、建材、電力、化工、港口等各行業(yè)。 1.3 國外動態(tài) 散料動態(tài)稱重技術(shù)早已引起一些技術(shù)先進(jìn)國家的有關(guān)機構(gòu)和科技工作者的 重視。這些國家多數(shù)建立了皮帶秤的專門研究試驗基地，從事這方面的開發(fā)研究 的學(xué)者和科技人員也越來越多。據(jù)不完全統(tǒng)計，從1980年至今，國外公布有關(guān)皮 帶秤的專利就有100多項，這些專利大多數(shù)是提高動態(tài)稱量準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性和改 善檢測方法的技術(shù)。由于廣大科技工作者的共同努力，目前皮帶秤的計量準(zhǔn)確度 和現(xiàn)場使用的穩(wěn)定性有了很大的提高。 第一章 中間內(nèi)容省略，認(rèn)真按照該書寫規(guī)范和排版格式！ 1.9 本章小結(jié) 本章闡明了選題的背景和意義，分析了國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，說明了研究方法和 技術(shù)路線，最后表明了創(chuàng)新點和成果，并列出了研究步驟。 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 3 第二章稱重原理 2.1 電子皮帶秤的結(jié)構(gòu) 皮帶秤一般由六大部件組成： 秤架、 稱重傳感器、 測速傳感器、 現(xiàn)場放大器、 主控計算機、顯示器組成，如圖 2-1 所示： 1稱重傳感器和測速傳感器把皮帶上通過的物料重量與皮帶速度轉(zhuǎn)換成電 信號； 2現(xiàn)場放大器對兩組信號進(jìn)行適當(dāng)處理； 3主控制計算機用于對采樣到的信號進(jìn)行積算、調(diào)節(jié)、控制等； 4顯示器給出稱重累計結(jié)果。 2.2 稱重原理 皮帶秤是對散狀物料自動地連續(xù)、累計稱量的計量器具。連續(xù)、自動稱重是 皮帶秤的主要特點，為了測量運動皮帶上單位長度的瞬時流量，某一段距離的物 料重量，或一段時間和一段距離的累積重量。這些量在理論上的計算，可用積分 法和累加法兩種數(shù)學(xué)模式來演算。 積分法 輸送機輸送物料時，主控機連續(xù)測量皮帶上每單位長度的載荷值 q(kg/m)并 與皮帶在同一時刻的速度 u(m/s)相乘，測得結(jié)果為物料的瞬時流量 q*u (kg/s)。 因物料輸送的不均勻性和皮帶速度隨時間變化， 所以在 T 時間間隔的累計流 量可以用以下積分式表示。 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 4 W= T dttutq 0 )()( 式中：WT 時間間隔的物料累計量 kg 或 t； T物料通過秤的時間 S 或 h； q(t)載荷,皮帶單位長度上的物料重量 kg/m； u(t)物料在皮帶上的運行速度 m/s。 (注：按習(xí)慣將重量稱為“Kg” ，而未用“Kgf”) 2.3 稱重技術(shù)的發(fā)展及分類 2.3.1 稱重技術(shù)的發(fā)展 皮帶秤起源于 19 世紀(jì)末、西方工業(yè)發(fā)展時期。它的稱重原理最早來源于斗 式輸送機對散料連續(xù)自動稱重的裝置。這種裝置于 1880 年獲得了計量許可。 1908 年在英國公布了第一個皮帶秤的專利。1970 年由英國制訂了一個自動秤的 檢定規(guī)程。 第二章 中間內(nèi)容省略，認(rèn)真按照該書寫規(guī)范和排版格式！ 2.6 本章小結(jié) 本章主要論述了電子皮帶秤的結(jié)構(gòu)、稱重原理和稱重技術(shù)的發(fā)展及分類，并 對幾種常見的稱重裝置進(jìn)行了分析，最后對執(zhí)行傳感器性能進(jìn)行了比較。 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 5 第三章數(shù)據(jù)變送器的 30Km 雙絞線傳輸系統(tǒng)設(shè)計 3.1 應(yīng)用環(huán)境 30Km雙絞線傳輸系統(tǒng)是智能多通道數(shù)據(jù)變送器的重要組成部分，它負(fù)責(zé)把 智能多通道數(shù)據(jù)變送器主板采集、處理、運算的各種數(shù)據(jù)迅速可靠的傳送到地面 通信控制站，供地面計算機系統(tǒng)統(tǒng)計、分析相關(guān)數(shù)據(jù)并下傳控制信號。同時還可 以用于煤礦井下安全監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，安檢系統(tǒng)主要監(jiān)測井下 CH4、CO、 CO2等有害氣體的濃度，風(fēng)速、風(fēng)量、氣壓、溫度、等環(huán)境參數(shù)和生產(chǎn)設(shè)備的運 行情況以保障煤礦安全高效生產(chǎn)。 影響30Km雙絞線傳輸系統(tǒng)通信質(zhì)量的主要因素有以下幾個方面： 1、通信距離長，最長可達(dá) 30Km； 2、環(huán)境惡劣，相對濕度一般在 98%左右； 3、電磁干擾嚴(yán)重； 4、通信電纜接頭極易氧化，線路電阻增大。 第三章 中間內(nèi)容省略，認(rèn)真按照該書寫規(guī)范和排版格式！ 其它電路介紹 3.4.2 均勻傳輸線的等效電路及電纜模擬器 傳輸線的電感、電容、電阻和電導(dǎo)是沿線分布的，為說明這些參數(shù)的大小， 引入了一次參數(shù)的概念。所謂傳輸線的一次參數(shù)，就是指單位長度的傳輸所具有 的電阻 R、電感 L、電容 C 和電導(dǎo) G。如果傳輸線每單位長度所具有的一次參數(shù) 都是相同的，就稱這種傳輸線為均勻傳輸線。傳輸線的一次參數(shù)具有實際的物理 意義，下面逐一介紹。 通過上面的分析可知均勻傳輸線是由電阻、電感、電容、電導(dǎo)組成的分布 參數(shù)網(wǎng)絡(luò)，其等效電路如下圖。圖中 R、L、C、G 分別是長度為 X（X0）的傳 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 6 輸線的分布電阻、分布電感、分布電容、分布電導(dǎo)。 圖 3-12分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò) 為了便于對調(diào)制解調(diào)器進(jìn)行測試，依據(jù)上圖自制一個 30Km 的電纜模擬器， 分 1、2、2、5、10Km 五檔。其可組合成 030Km 任意值。其分布參數(shù)為： 分布電阻：25/Km 分布電容：0.06F/Km 分布電感：0.8mH/Km 3.4.3 電路原理圖及說明 圖 3-13電路原理圖 3.5 本章總結(jié) 1、30Km 雙絞線傳輸系統(tǒng)設(shè)計思想； 2、30Km 雙絞線傳輸系統(tǒng)設(shè)計方案； 3、30Km 雙絞線傳輸系統(tǒng)設(shè)計實現(xiàn)。 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 7 第四章智能多通道數(shù)據(jù)變送器主板電路設(shè)計 4.1 目前現(xiàn)狀 目前，電子皮帶秤的信號采集和傳輸是用一個接線器將電子皮帶秤的多路傳 感器的電壓信號在接線器內(nèi)進(jìn)行并聯(lián)， 后再通過 6 芯信號電纜線將信號傳送至電 子皮帶秤重量計算儀，由儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示及提供外部需要的數(shù)據(jù)接 口。接線器本身不具備對傳感器稱重信號的數(shù)據(jù)處理能力，也不適應(yīng)需要遠(yuǎn)距離 信號傳輸?shù)膱龊?，其?yīng)用受到很大限制。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 4-1。突出缺點為： 圖 4-1舊的傳輸系統(tǒng)示意圖 1、信號抗干擾能力弱，稱重準(zhǔn)確性降低，不適應(yīng)需要遠(yuǎn)距離傳輸。 2、必須單設(shè)專用信號傳輸電纜，投資增加。假如信號傳輸電纜意外中斷， 從中斷到電子稱停止期間，稱重累計量丟失。 3、監(jiān)控中心無法檢測偏載，長時間偏載，損傷稱架，影響準(zhǔn)確性。 第四章 中間內(nèi)容省略，認(rèn)真按照該書寫規(guī)范和排版格式！ 4.3.4 通信協(xié)議 智能多通道數(shù)據(jù)變送器與地面中心監(jiān)控計算機之間的通訊由調(diào)制解調(diào)器完 成，其通訊數(shù)據(jù)幀格式如下： 數(shù)據(jù)報頭變送器地址指令代碼有效數(shù)據(jù)校驗結(jié)束符 數(shù)據(jù)報頭：表示一幀數(shù)據(jù)包的開始，為了減少出錯率，數(shù)據(jù)報頭由兩個字節(jié) 構(gòu)成，0x02、0x3A； 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 8 變送器地址：煤礦井下安裝的每一臺智能多通道數(shù)據(jù)變送器，都設(shè)定了一個 唯一的通訊地址。只要接收到與本機地址相同的數(shù)據(jù)包，變送器才會做出響應(yīng)。 變送器地址由主板上的 4 位 DIP 撥碼開關(guān)設(shè)定，可以在 015 之間調(diào)整。因此中 心監(jiān)控計算機最多可以帶 16 臺變送器； 指令代碼 序號指令代碼說 明 10x01讀取實時數(shù)據(jù) 20x02讀取參數(shù)值 30x03寫參數(shù) 40x04寫日期時間 50x05零點校準(zhǔn)開始 60x06零點校準(zhǔn)結(jié)束 70x07稱量系數(shù)校準(zhǔn)開始 80x08稱量系數(shù)校準(zhǔn)結(jié)束 有效數(shù)據(jù)：有效數(shù)據(jù)部分隨指令代碼的不同，其字節(jié)長度和含義也不相同； 校驗：校驗和用來驗證接收到的數(shù)據(jù)是否正確，只有接收到的校驗和與本機 計算得到的校驗和相等的數(shù)據(jù)包才會被正確接收。校驗和的計算不包括結(jié)束符； 結(jié)束符：表示一幀數(shù)據(jù)包的結(jié)束，一個字節(jié)（0x0D） 。 指令格式 讀實時數(shù)據(jù)指令（讀實時數(shù)據(jù)指令（0x010x01） 1、主計算機發(fā)送指令：共發(fā)送 6 個字節(jié)，校驗和從從機地址開始計算，不 包括數(shù)據(jù)報頭、校驗和本身及回車。以下所有指令都是所此。 數(shù)據(jù)報頭0x021 0x3A1 變送器地址0x000x0F1 指令代碼0x011 校驗和？1 結(jié)束符0x0D1 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 9 結(jié)論 智能多通道電子皮帶秤數(shù)據(jù)變送器是對各種結(jié)構(gòu)的電子皮帶稱的一路或多 路稱重信號及皮帶機速度數(shù)據(jù)，各自進(jìn)行獨立的數(shù)據(jù)采集、分析處理，然后通過 遠(yuǎn)程通信接口將所有數(shù)據(jù)傳至中央處理系統(tǒng)，通信距離達(dá)到了 30km 以上，即使 在通信線路斷線的情況下自動累加并保存數(shù)據(jù)。 本研究中的30Km雙絞線傳輸系統(tǒng)的調(diào)制解調(diào)器采用摩托羅拉公司 MC145442 芯片，該芯片含有完整的FSK調(diào)制器、解調(diào)器和濾波器，可以在一對電話線上以 300bit/s的傳輸速率作全雙工通訊，同時考慮到煤礦井下電磁干擾嚴(yán)重，相對濕 度大，通訊電纜接頭極易氧化，含易燃、易爆氣體等因素，增加了功放和本安保 護(hù)等裝置，通過現(xiàn)場使用完全達(dá)到30Km雙絞線傳輸要求，并且信號傳輸穩(wěn)定。 智能多通道數(shù)據(jù)變送器以單片機為核心器件，主要完成數(shù)據(jù)采樣、數(shù)字濾波、 皮帶機載荷、流量、累計量的計算、通信端口控制功能。因此單片機應(yīng)選擇運算速 度快，在此我選擇了飛利浦生產(chǎn)的 P89V51RD2，P89V51RD2 是一款 PHILIPS 公司 的 80C51 微控制器，包含 64kB Flash 和 1024 字節(jié)的數(shù)據(jù) RAM。經(jīng)過精心電路設(shè) 計后，完全達(dá)到了多通道數(shù)據(jù)變送的要求。 模數(shù)轉(zhuǎn)換器電路采用美國模擬器件公司（ADI）出品 AD7715 模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片， 其轉(zhuǎn)換精度可以達(dá)到 16 bits。與單片機的接口采用了 SPI 總線方式，連線簡單， 操作方便。 智能多通道電子皮帶秤數(shù)據(jù)變送器的研發(fā)， 可降明顯減少電子皮帶秤的維修 量，提高產(chǎn)品穩(wěn)定性和市場競爭力。 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計論文 10 參考文獻(xiàn) 01 連續(xù)累計自動衡器（皮帶稱）中華人民共和國國家計量檢定規(guī)程 JJG195-2002. 02 方原伯.電子皮帶秤的原理及應(yīng)用M. 北京:冶金工業(yè)出版社,1999. 03 張兄華.全懸浮式電子皮帶秤J. 電工技術(shù)雜志,1998 年第 4 期. 04 徐信榮.新型電子皮帶秤的研究D.西北工業(yè)大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2002. 05 張劍平.電子皮帶秤傳感器的秤體設(shè)計探討J.傳感器世界, 2001 年，第 7 期. 06 張慧熙，沈繼忠.高速無線調(diào)制解調(diào)器的設(shè)計J. 科技通報, 2005 年,第 05 期. 07 劉德華，顧亞平.多載波正交幅度調(diào)制解調(diào)的仿真研究及系統(tǒng)實現(xiàn)J. 中國聲學(xué)學(xué)會2005 09 高明.24位模/數(shù)轉(zhuǎn)換器CS5532及其應(yīng)用 J.儀表技術(shù)與傳感器2002年07期 10 鄧宏彬，田納新等編著. 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