0 引言
随着高炉强化冶炼和喷煤粉量的提高，炼铁对物料的要求越来越高。在球团生产工艺进程中，需将铁料、燃料、熔剂、返矿等几种物料按一定比例配成混和料，配比的精确性以及配料体系的可靠性将直接影响烧结矿、球团矿质量和经济效益。在钢厂球团多套自动配料体系中，以单个W77E58CPU 为核心的动态称重仪表所组成的一个个体系为子控制体系，将现场的质量信号收集和处理，交由上位机处理，并由单个W77E58CPU 为核心的动态称重仪表完成信号处理和发出控制指令，形成稳固可靠、轻便实用的烧结自动配料系统。本文介绍的就是钢厂球团配料计量系统中采取最新技术研制、生产的高精度、高可靠性的新一代皮带秤仪表LEI - 03FI，该仪表可与各种不同规格皮带秤秤架组合利用，对各种散状物料进行连续计量和定量配料。仪表采用W77E58CPU 和24 位A/D 转换器AD7710，其智能化的PID 电流输出可以控制调速器或变频器，以适应圆盘给料机、电振器、螺旋给料机等给料装置、直接拖料等定量给料装置的控制需要。
1 皮带秤机械工作原理
称重给料机系统主要包括: 秤架( 包括安装支架) 、称重传感器、速度传感器、防跑偏措施、头部刮板、拉紧装置、配料秤的密封罩、支撑架、胶带、托辊、辊筒、结构件( 卸料端带有衬板的卸料漏斗、拖料端带拖料漏斗及手动调节门等) 、变频调速电机、接线盒及连接电缆( 称重传感器之间) 、通信连接设施( 称重给料机系统) 、皮带秤仪表等。它的核心部分是皮带秤( 如图1) 。皮带秤的主要由秤架、积算仪和速度传感器组成; 而称重给料机系统的结构特点和精度主要由皮带秤的设计结构决定。
由称重传感器将检测到物料的质量转变成毫伏级电压信号，经过运算放大器处理放大后，A/D 转换单元进行转换，转换结果由LEI -03FI 中的CPU 按一定的数学模型进行实时运算和补偿，得到物料瞬时流量和累计质量。计算结果通过LCD 液晶显示，并通过外围电路以标准电流信号方式输出。LEI -03FI 仪表还可以通过RS -485 接口与计算机之间进行通信，从而实现计算机管理和网络控制。
2 仪表主要技术指标
仪表称重线性度: 0.02%FS;
称重输入灵敏度: 0.15 μV/d;
仪表与称重传感器距离: ≤1500 m;
皮带秤动态计量准确度: ±0.25%。
3 硬件系统的结构设计
硬件系统是整个仪表的骨架，是软件系统的载体。皮带秤积算仪采用具有信号调理功能的模数变换器AD7710。AD7710 是一种双通道、低电平差动输入、∑ - Δ 信号调理型的模数变换器，它内部含有可编程增益放大器、多路转换器、电荷平衡模/数变换器、时钟发生器、参考电压源、串行接口。该芯片具有集成度高、非线性误差小( 0.0015%) 、分辨率高( 21.5 位) 、微控制器串行接口等特点。
AD7710 以一定的速率对模拟输入信号进行连续采样，采样速率由主时钟fCLKIN决定。采样信号经PGA 放大后，使其输出电平满足电荷平衡 ( Σ -Δ)ADC 的要求，然后转换成数字脉冲序列。该序列经数字滤波器处理后以滤波器一阶陷波频率确定的速率，更新 21 位的输出寄存器，寄存器中的数据可从双向串行口采用同步内时钟或同步外时钟方式随机读取，或者以输出寄存器更新速率周期地读取。AD7710 内部具有自校准、系统校准和背景校准等功能。自校准功能能消除芯片本身的零点误差和增益误差，系统校准能消除输入通道的失调和增益误差，背景校准能消除温度漂移、电源波动和时间漂移的误差。这些校准均由微控制器的软件来实现。Σ -ΔA/D 转换器的基本思想是基于过采样技术把更多的量化噪声压缩到基本频带外边的高频区，并由数字滤波器滤掉带外噪声。过采样 Σ -ΔA/D 转换技术有以下三个主要优点:
① 采用一位编码技术，故模拟电路少;
② ADC 前面抗混( 模拟低通) 滤波器设计容易;
③ 提高信噪比。
称重传感器质量信号被直接送到A/D 转换芯片AD7710，这样减少了比例放大单元，降低信号损耗，从而为仪表计量精度提供了有效保障。A/D 转换单元将模拟量转换成数字信号送至中央处理单元，皮带速度信号经光电隔离后送至测速单元，中央处理单元读取A/D 转换器的数字信号、皮带速度信号，根据仪表运行参数，计算并显示质量; 计算报警状态和变送输出电流，并送至输出单元; 输出单元完成状态切换和标准电流信号输出功能。硬件系统结构如图2 所示。
中央处理单元选用WINBON 的W77E58CPU，W77E58 是与标准 8051 相兼容的全新核心的微处理器。由于去掉了多余的存储器周期和运算周期，它在相同周期里执行 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; 电源消耗也改进采用CMOS 设计，它同时可以工作在较低的时钟频率下; 32 K 的 EEPROM 程序段和1K 的外部SRAM 可以省去外部扩展存储器; W77E58内置 8 位中央处理单元、32 K 片内程序存储器( EPROM) 、32 个双向输入/输出( I/O) 口、3 个 16 位定时/计数器和12 级中断结构、一个全双工串行通信口、片内时钟振荡电路、可编程看门狗、外部数据访问周期可编程。
各构件功能结构及原理简述如下:
3.1 输入 / 输出接口构件
输入/输出接口构件是一个独立单元，主要完成输入信号采集、计算; 数据存储和实时电流的输出。其结构原理如图3 所示。
速度信号经光电隔离和整形后送至CPU。CPU 根据采集的质量信号、速度信号对数据进行积分、微分计算处理，处理后的数据分三路送出: 一路送 RAM 存贮;一路送给经光电隔离电路通过 12 位数/模( D/A) 转换电路转换成模拟电压，再经电压/电流( V/I) 转换成4 ～ 20 mA 标准电流信号输出; 第三路通过串行口上传给系统协调板。
3.2 人机交互构件
人机交互构件是完成人与仪表之间信息交流的窗口。显示窗口为126 ×64 点阵LCD，可以显示瞬时流量、皮带速度、输送物料总量等，编程时可用于汉字菜单提示和参数输入。20 个按键一键一意，操作简单直观，人机界面友好。
3.3 系统协调构件
系统协调构件是整个仪表中心枢纽，起着统驭系统运行机制，协调各构件工作状态的作用。就结构而言，系统协调构件较为简单，其工作原理: 通过显示构件完成人机交互功能，通过串行总线与输入/输出( I/O) 构件交换数据信息，对I/O 构件的工作参数进行备份，构成仪表运行参数的双重保护模式。当系统因不明原因发生死机时，WATCHDOG( 系统运行监控时钟) 将对系统协调构件的主CPU 复位，主CPU 复位后，通过SYSREST 系统复位控制线，从而对整台仪表进行初始化复位、运行参数重装，保证了系统可靠运行。
3.4 网络通信构件
仪表具有远程通信功能，上位机可以通过远程数据仪表的所有功能与本地操作无异，仪表的通信符合3C -MODBUS 协议，网络通信构件要完成数据上网的加载和从网上下载数据的任务。由于实时性要求，必须有一个CPU 单独处理，CPU 通过数据总线( DBUS)和控制总线( CBUS) 与系统协调构件进行交流。经光耦通过通信接口电路( MAX485) 挂接在通信网上，与网络上位机交互完成远程数据传输和下载。仪表内部经过数据解析判断远程操作的功能并进行相应的功能操作。
4 软件设计
软件采用汇编语言编译而成。软件设计采用自上而下模块化设计思路，将整个软件系统分为上电初始化模块、速度计算模块、累加积分模块、人机显示模块、通信模块、保护监控模块等子模块程序。软件工作流程如图4 所示。
5 结束语
介绍LE1 - 03AFI 称重仪表的功能和设计原理。实践表明，该仪表在钢厂物料计量使用中取得了很好的应用效果，具有使用方便、性能稳定可靠等特点，值得在钢厂、矿山，码头等需要进行动态称重的领域推广使用。
参考文献:
[1]李建忠. 单片机原理及应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社，2008.
[2]周立功. 增强型 80C51 单片机速成与实践[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社，2003.
[3]纪宗南. 具有信号调理功能的模数变换器 AD7710[J]. 国外电子元器件，1997( 7) : 10.
作者简介: 刘文武( 1974—) ，男，工程师，研究方向为工业自动化控制系统的开发与控制。
