礦用電子皮帶秤井下計(jì)量?jī)x表的設(shè)計(jì)

摘要：為了方便礦用電子皮帶秤現(xiàn)場(chǎng)堆護(hù)，開發(fā)了將電氣設(shè)計(jì)和防爆技術(shù)相結(jié)合的本質(zhì)安全型計(jì)量儀表。介紹了計(jì)量?jī)x表以SN75LBC184構(gòu)建的RS485通訊電路和以CS5532為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的重量信號(hào)采集電路，以及基于ASCII編碼方式的低誤碼率數(shù)據(jù)幀設(shè)計(jì)方法、RS485通訊程序的設(shè)計(jì)思路以及CS5532的參數(shù)配置和初始化，簡(jiǎn)要介紹了計(jì)量?jī)x表中齊納式安全柵的設(shè)計(jì)、工作原理和灌封。國(guó)家檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)檢驗(yàn)結(jié)果表明，計(jì)量?jī)x表性能穩(wěn)定、抗干擾性能好，能夠有效實(shí)現(xiàn)防爆。符合本安系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。
關(guān)鍵詞：礦用電子皮帶秤；齊納式安全柵；CS5532；計(jì)量?jī)x表

    信息化建設(shè)是未來煤礦工作的主題。目前，各種關(guān)于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)安全性問題的強(qiáng)制性法律法規(guī)亦相繼出臺(tái)，礦用計(jì)量監(jiān)測(cè)產(chǎn)品相繼成為礦用產(chǎn)品領(lǐng)域的焦點(diǎn)。礦用電子皮帶秤是煤礦生產(chǎn)計(jì)量和監(jiān)測(cè)的主要工具，組成結(jié)構(gòu)分為復(fù)合式配置和本質(zhì)安全型配置。復(fù)合式配量是指將數(shù)據(jù)采集和傳輸部分安裝在井下皮帶秤現(xiàn)場(chǎng)，計(jì)量?jī)x表安裝在井上的調(diào)度室。這種組成結(jié)構(gòu)在皮帶秤調(diào)零、標(biāo)定時(shí)需要通過電話與調(diào)度室聯(lián)系，同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)需維護(hù)的環(huán)節(jié)較多。而本質(zhì)安全型配置是指將數(shù)據(jù)采集和計(jì)量?jī)x表設(shè)計(jì)在一起安裝在皮帶秤旁邊，操作和維護(hù)方便。

1 礦用電子皮帶秤組成
    礦用電子皮帶秤由秤架(固定架和懸浮架)、稱重傳感器、速度傳感器、計(jì)量?jī)x表和隔爆兼本安直流穩(wěn)壓電源5部分組成。一般為了方便統(tǒng)計(jì)計(jì)量數(shù)據(jù)，還會(huì)在煤礦調(diào)度室增加一套上位機(jī)軟件和打印機(jī)。礦用電子皮帶秤組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    礦用電子皮帶秤各組成部分均為本安型或隔爆兼本安型設(shè)計(jì)，可以工作在有爆炸性氣體或粉塵的危險(xiǎn)環(huán)境內(nèi)。計(jì)量?jī)x表采集稱重傳感器和速度傳感器信號(hào)，運(yùn)算處理后經(jīng)過通訊模塊發(fā)送給上位機(jī)。計(jì)量?jī)x表支持以太網(wǎng)和RS485通訊方式，通過液晶顯示器和鍵盤完成人機(jī)交互。

2 電氣設(shè)計(jì)
    計(jì)量?jī)x表以STM32F103VB處理器為硬件核心，擴(kuò)展了以太網(wǎng)接口、RS485通訊接口、頻率采集、AD、開關(guān)量采集、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶顯示器、紅外遙控囂接口和鍵盤。RS485通訊接口選用SN75LBC184，它具有較強(qiáng)的抗雷擊能力，對(duì)一些環(huán)境此較惡劣的現(xiàn)場(chǎng)，可直接與傳輸線相接而不需要任何外加保護(hù)元件，為了增強(qiáng)儀表的抗干擾能力，選用TLP521將處理器和SN75LBC184進(jìn)行隔離，選用DC／DC模塊IB0505將SN75LBC1 84的供電電源與儀表主電路電源隔離。D1～D4為穩(wěn)壓二極管，D1和D3的穩(wěn)壓值為12V，D2和D4的穩(wěn)壓值為7V，以保證將信號(hào)幅值限定在-7～12 V之間，提高抗過壓的能力。R21是一個(gè)線路匹配電阻，可以減少線路上傳輸信號(hào)的反射，電路設(shè)計(jì)如圖2所示。

    計(jì)量?jī)x表重量信號(hào)采集電路選用高精度24位串行A／D轉(zhuǎn)換器CS5532，搭配2．5 V高精度基準(zhǔn)電壓芯片AD780，時(shí)鐘頻率為4．9152MHz，配置參數(shù)為輸出更新速率為12．5Hz，系統(tǒng)增益為256，有效分辨率為16位。重量信號(hào)采集電路中的數(shù)字電源VCC和模擬電源AVCC由磁珠隔離。  R27、R28、C62和C63構(gòu)成了正反向兩路低通濾波，能夠消除高次諧波和大部分高頻噪聲信號(hào)，減輕在進(jìn)行諧波分析時(shí)出現(xiàn)的頻譜混疊現(xiàn)場(chǎng)。  D8、D9、D11和D12構(gòu)成限壓電路．防止外部輸入線路串入較高電源損壞芯片，電路設(shè)計(jì)如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)
    軟件基于C語言設(shè)計(jì)，采用IAR Embedded Workbench編譯環(huán)境，包括主程序設(shè)計(jì)、通訊程序設(shè)計(jì)、重量信號(hào)采集程序設(shè)計(jì)、紅外解碼設(shè)計(jì)、液晶顯示程序設(shè)計(jì)、開關(guān)量輸入程序設(shè)計(jì)、鍵盤程序設(shè)計(jì)等。計(jì)量?jī)x表通過以太網(wǎng)和RS485通訊方式與上位機(jī)交換數(shù)據(jù)，通過上位機(jī)軟件可以查詢計(jì)量?jī)x表的產(chǎn)量記錄和計(jì)量參數(shù)。由于BS485對(duì)井下安裝線路要求比較低，而且不需要增加礦用交換機(jī)，所以大部分煤礦選用RS485通訊方式。RS485數(shù)據(jù)幀格式采用ASCII編碼方式，即將一位十六進(jìn)制數(shù)(如：0×3E)分成2個(gè)字節(jié)的ASCII碼(0×33和0×45)傳輸。這種編碼方式可以避免數(shù)據(jù)幀有效段內(nèi)容出現(xiàn)與數(shù)據(jù)幀起始位或結(jié)束位一樣的字節(jié)。RS485通訊程序流程圖如圖4所示。

    CS5532在啟動(dòng)時(shí)有20ms延遲，20ms之后再對(duì)其進(jìn)行初始化。由于CS5532不能上電復(fù)位，所以需要處理器通過ADC串口發(fā)送初始化序列，即至少15個(gè)SYNC1(0×FF)命令字節(jié)和1個(gè)SYNC0(0×FE)命令字節(jié)，使ADC串口進(jìn)入命令模式，然后設(shè)置配置寄存器的RS位，完成芯片復(fù)位。
    CS5532初始化代碼如下：
   


    計(jì)量?jī)x表的稱重傳感器接口采用并聯(lián)接入設(shè)計(jì)，這種設(shè)計(jì)可以增強(qiáng)重量信號(hào)采集電路的抗干擾能力。另外，與串聯(lián)設(shè)計(jì)相比，并聯(lián)接入設(shè)計(jì)可以避免因個(gè)別稱重傳感器損壞而導(dǎo)致計(jì)量?jī)x表采集不到數(shù)據(jù)的問題。稱重傳感器采用5 V供電，精度為2 mV／V，滿量程輸出為10mV。  CS5532可測(cè)量的滿量程輸入信號(hào)的范圍由增益設(shè)定和VREF+、VPEF-決定，計(jì)算公式為：((VREF+)-(VREF-))／(Gx4)，其中G為增益放大器的系數(shù)，VREF+和VREF-分別為參考電壓的正和負(fù)，A的值由參考電壓選擇位VRS決定，當(dāng)VBS設(shè)為0時(shí)，A=2，當(dāng)VRS設(shè)為1時(shí)，A=1。重量信號(hào)采集電路參考電壓設(shè)計(jì)為2．5 V，即VREF+為2．5 V，VREF-為0 V，CS5532初始化程序設(shè)定VBS為1，A=1，增益G設(shè)置為256，所以CS5532可測(cè)量滿量程輸入范圍為2．5／256≈9．7 mV，因礦用電子皮帶秤根據(jù)最大流量選配稱重傳感器時(shí)都會(huì)有一定裕量，即礦用電子皮帶秤最大流量時(shí)稱重傳感器輸出不會(huì)超過9 mV，所以CS5532的參數(shù)配置可以滿足礦用電子皮帶秤測(cè)量精度的要求。

4 安全設(shè)計(jì)
    計(jì)量?jī)x表采取了多種防爆措施，防爆型式是本質(zhì)安全型。計(jì)量?jī)x表通訊回路采用齊納式安全柵電路將本安端和非本安端進(jìn)行隔離，如圖5所示。R1選用10Ω、0．5W的金屬厚膜電阻，用于限制可能流過本安電路的電漉，4只齊納二極管Z1～Z2組成雙重過壓保護(hù)電路進(jìn)行限壓。在正常操作條件下，非本安端之間所加的電壓低于最高工作電壓Umax(更低于齊納二極管的擊穿電壓)，此時(shí)齊納二極管處于不導(dǎo)通狀態(tài)，除有極微小的漏電流以外，其為“開路”狀態(tài)，當(dāng)非本安端發(fā)生故障，例如混入高電壓時(shí)，使齊納二極管反向擊穿，呈“導(dǎo)通”狀態(tài)，此時(shí)齊納二極管把混入的高電壓限制在齊納電壓上。因齊納二極管導(dǎo)通，其電流急劇上升，熔斷器瞬時(shí)熔斷，切斷了流向現(xiàn)場(chǎng)的高電壓，防止了高電壓引爆現(xiàn)場(chǎng)爆炸性物質(zhì)的危險(xiǎn)，保護(hù)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及人員的安全。為防止齊納二極管和走線短路，齊納二極管下面禁止布線，一方面保證系統(tǒng)的安全防爆特性，另一方面增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

    為防止檢修或替換影響本質(zhì)安全性能的任何單元，用WCC-87阻燃性環(huán)氧樹脂將安全柵全部灌封。WCC-87阻燃性環(huán)氧樹脂的組分樹脂(包括阻燃劑)和固化劑配比為100：2，粘度為950±100厘波，灌封部位應(yīng)除灰塵和雜質(zhì)，保持干燥，灌封料液面需超過安全柵3mm，灌封后在室溫?cái)R置4h，再放入恒溫箱(80℃)固化4 h，灌封料表面須無凸起、裂紋和泡孔現(xiàn)象。

5 結(jié)束語
    計(jì)量?jī)x表將信號(hào)采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程傳輸和防爆技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，在生產(chǎn)過程中，計(jì)量?jī)x表電路板要涂覆至少兩次三防漆，以有效地防潮防塵防靜電。出廠前要進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗(yàn)，包括外觀及結(jié)構(gòu)檢查、主要技術(shù)指標(biāo)測(cè)試、工作穩(wěn)定性試驗(yàn)、電源波動(dòng)能力試驗(yàn)、絕緣電阻測(cè)試和工頻耐壓試驗(yàn)。經(jīng)測(cè)試，計(jì)量儀表重量信號(hào)零點(diǎn)溫度性能為：<0．5μV／℃，重量信號(hào)滿量程溫度性能：<15 ppm／℃，重量信號(hào)線性度誤差：<0．02％F．S，經(jīng)國(guó)家防爆檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)特定的電路分析測(cè)試認(rèn)證，設(shè)計(jì)本安參數(shù)為：Ui=5．8V，Ii=1．4A，Li=0，Ci=40μF。