摘要:為了方便礦用電子皮帶秤現(xiàn)場堆護(hù),開發(fā)了將電氣設(shè)計和防爆技術(shù)相結(jié)合的本質(zhì)安全型計量儀表。介紹了計量儀表以sn75lbc184構(gòu)建的rs485通訊電路和以cs5532為基礎(chǔ)設(shè)計的重量信號采集電路,以及基于ascii編碼方式的低誤碼率數(shù)據(jù)幀設(shè)計方法、rs485通訊程序的設(shè)計思路以及cs5532的參數(shù)配置和初始化,簡要介紹了計量儀表中齊納式安全柵的設(shè)計、工作原理和灌封。國家檢驗機(jī)構(gòu)檢驗結(jié)果表明,計量儀表性能穩(wěn)定、抗干擾性能好,能夠有效實現(xiàn)防爆。符合本安系統(tǒng)的設(shè)計要求。
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)場安全性問題的強(qiáng)制性法律法規(guī)亦相繼出臺,礦用計量監(jiān)測產(chǎn)品相繼成為礦用產(chǎn)品領(lǐng)域的焦點。礦用電子皮帶秤是煤礦生產(chǎn)計量和監(jiān)測的主要工具,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,計量儀表安裝在井上的調(diào)度室。這種組成結(jié)構(gòu)在皮帶秤調(diào)零、標(biāo)定時需要通過與調(diào)度室,同時現(xiàn)場需維護(hù)的環(huán)節(jié)較多。而本質(zhì)安全型配置是指將數(shù)據(jù)采集和計量儀表設(shè)計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、計量儀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)計計量數(shù)據(jù),還會在煤礦調(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,可以工作在有爆炸性氣體或粉塵的危險環(huán)境內(nèi)。計量儀表采集稱重傳感器和速度傳感器信號,運(yùn)算處理后經(jīng)過通訊模塊發(fā)送給上位機(jī)。計量儀表支持以太網(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
計量儀表以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、實時時鐘、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,對一些環(huán)境此較惡劣的現(xiàn)場,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*力,選用tlp521將處理器和sn75lbc184進(jìn)行隔離,選用dc/dc模塊ib0505將sn75lbc184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,以保證將信號幅值限定在-7~12v之間,提高抗過壓的能力。r21是一個線路匹配電阻,可以減少線路上傳輸信號的反射,電路設(shè)計如圖2所示。
計量儀表重量信號采集電路選用高精度24位串行a/d轉(zhuǎn)換器cs5532,搭配2.5v高精度基準(zhǔn)電壓芯片ad780,時鐘頻率為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,減輕在進(jìn)行諧波分析時出現(xiàn)的頻譜混疊現(xiàn)場。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)計如圖3所示。
3、軟件設(shè)計
軟件基于c語言設(shè)計,采用iarembeddedworkbench編譯環(huán)境,包括主程序設(shè)計、通訊程序設(shè)計、重量信號采集程序設(shè)計、紅外解碼設(shè)計、液晶顯示程序設(shè)計、開關(guān)量輸入程序設(shè)計、鍵盤程序設(shè)計等。計量儀表通過以太網(wǎng)和rs485通訊方式與上位機(jī)交換數(shù)據(jù),通過上位機(jī)軟件可以查詢計量儀表的產(chǎn)量記錄和計量參數(shù)。由于bs485對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在啟動時有20ms延遲,20ms之后再對其進(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sync1(0×ff)命令字節(jié)和1個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:
計量儀表的稱重傳感器接口采用并聯(lián)接入設(shè)計,這種設(shè)計可以增強(qiáng)重量信號采集電路的抗*力。另外,與串聯(lián)設(shè)計相比,并聯(lián)接入設(shè)計可以避免因個別稱重傳感器損壞而導(dǎo)致計量儀表采集不到數(shù)據(jù)的問題。稱重傳感器采用5v供電,精度為2mv/v,滿量程輸出為10mv。cs5532可測量的滿量程輸入信號的范圍由增益設(shè)定和vref+、vpef-決定,計算公式為:((vref+)-(vref-))/(gx4),其中g(shù)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,a=2,當(dāng)vrs設(shè)為1時,a=1。重量信號采集電路參考電壓設(shè)計為2.5v,即vref+為2.5v,vref-為0v,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可測量滿量程輸入范圍為2.5/256≈9.7mv,因礦用電子皮帶秤根據(jù)zui大流量選配稱重傳感器時都會有一定裕量,即礦用電子皮帶秤zui大流量時稱重傳感器輸出不會超過9mv,所以cs5532的參數(shù)配置可以滿足礦用電子皮帶秤測量精度的要求。
4、安全設(shè)計
計量儀表采取了多種防爆措施,防爆型式是本質(zhì)安全型。計量儀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zui高工作電壓umax(更低于齊納二極管的擊穿電壓),此時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,使齊納二極管反向擊穿,呈“導(dǎo)通”狀態(tài),此時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,熔斷器瞬時熔斷,切斷了流向現(xiàn)場的高電壓,防止了高電壓引爆現(xiàn)場爆炸性物質(zhì)的危險,保護(hù)了現(xiàn)場設(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*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,灌封后在室溫擱置4h,再放入恒溫箱(80℃)固化4h,灌封料表面須無凸起、裂紋和泡孔現(xiàn)象。
5、結(jié)束語
計量儀表將信號采集、數(shù)據(jù)處理、遠(yuǎn)程傳輸和防爆技術(shù)應(yīng)用到設(shè)計中,在生產(chǎn)過程中,計量儀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,包括外觀及結(jié)構(gòu)檢查、主要技術(shù)指標(biāo)測試、工作穩(wěn)定性試驗、電源波動能力試驗、絕緣電阻測試和工頻耐壓試驗。經(jīng)測試,計量儀表重量信號零點溫度性能為:<0.5μv/℃,重量信號滿量程溫度性能:<15ppm/℃,重量信號線性度誤差:<0.02%f.s,經(jīng)國家防爆檢驗機(jī)構(gòu)特定的電路分析測試認(rèn)證,設(shè)計本安參數(shù)為:ui=5.8v,ii=1.4a,li=0,ci=40μf。