矿用电子皮带秤井下计量仪表的设计

摘要：为了方便矿用电子皮带秤现场堆护，开发了将电气设计和防爆技术相结合的本质安全型计量仪表。介绍了计量仪表以SN75LBC184构建的RS485通讯电路和以CS5532为基础设计的重量信号采集电路，以及基于ASCII编码方式的低误码率数据帧设计方法、RS485通讯程序的设计思路以及CS5532的参数配置和初始化，简要介绍了计量仪表中齐纳式安全栅的设计、工作原理和灌封。国家检验机构检验结果表明，计量仪表性能稳定、抗干扰性能好，能够有效实现防爆。符合本安系统的设计要求。
关键词：矿用电子皮带秤；齐纳式安全栅；CS5532；计量仪表

    信息化建设是未来煤矿工作的主题。目前，各种关于工业现场安全性问题的强制性法律法规亦相继出台，矿用计量监测产品相继成为矿用产品领域的焦点。矿用电子皮带秤是煤矿生产计量和监测的主要工具，组成结构分为复合式配置和本质安全型配置。复合式配量是指将数据采集和传输部分安装在井下皮带秤现场，计量仪表安装在井上的调度室。这种组成结构在皮带秤调零、标定时需要通过电话与调度室联系，同时现场需维护的环节较多。而本质安全型配置是指将数据采集和计量仪表设计在一起安装在皮带秤旁边，操作和维护方便。

1 矿用电子皮带秤组成
    矿用电子皮带秤由秤架(固定架和悬浮架)、称重传感器、速度传感器、计量仪表和隔爆兼本安直流稳压电源5部分组成。一般为了方便统计计量数据，还会在煤矿调度室增加一套上位机软件和打印机。矿用电子皮带秤组成结构如图1所示。

    矿用电子皮带秤各组成部分均为本安型或隔爆兼本安型设计，可以工作在有爆炸性气体或粉尘的危险环境内。计量仪表采集称重传感器和速度传感器信号，运算处理后经过通讯模块发送给上位机。计量仪表支持以太网和RS485通讯方式，通过液晶显示器和键盘完成人机交互。

2 电气设计
    计量仪表以STM32F103VB处理器为硬件核心，扩展了以太网接口、RS485通讯接口、频率采集、AD、开关量采集、实时时钟、液晶显示器、红外遥控嚣接口和键盘。RS485通讯接口选用SN75LBC184，它具有较强的抗雷击能力，对一些环境此较恶劣的现场，可直接与传输线相接而不需要任何外加保护元件，为了增强仪表的抗干扰能力，选用TLP521将处理器和SN75LBC184进行隔离，选用DC／DC模块IB0505将SN75LBC1 84的供电电源与仪表主电路电源隔离。D1～D4为稳压二极管，D1和D3的稳压值为12V，D2和D4的稳压值为7V，以保证将信号幅值限定在-7～12 V之间，提高抗过压的能力。R21是一个线路匹配电阻，可以减少线路上传输信号的反射，电路设计如图2所示。

    计量仪表重量信号采集电路选用高精度24位串行A／D转换器CS5532，搭配2．5 V高精度基准电压芯片AD780，时钟频率为4．9152MHz，配置参数为输出更新速率为12．5Hz，系统增益为256，有效分辨率为16位。重量信号采集电路中的数字电源VCC和模拟电源AVCC由磁珠隔离。  R27、R28、C62和C63构成了正反向两路低通滤波，能够消除高次谐波和大部分高频噪声信号，减轻在进行谐波分析时出现的频谱混叠现场。  D8、D9、D11和D12构成限压电路．防止外部输入线路串入较高电源损坏芯片，电路设计如图3所示。

3 软件设计
    软件基于C语言设计，采用IAR Embedded Workbench编译环境，包括主程序设计、通讯程序设计、重量信号采集程序设计、红外解码设计、液晶显示程序设计、开关量输入程序设计、键盘程序设计等。计量仪表通过以太网和RS485通讯方式与上位机交换数据，通过上位机软件可以查询计量仪表的产量记录和计量参数。由于BS485对井下安装线路要求比较低，而且不需要增加矿用交换机，所以大部分煤矿选用RS485通讯方式。RS485数据帧格式采用ASCII编码方式，即将一位十六进制数(如：0×3E)分成2个字节的ASCII码(0×33和0×45)传输。这种编码方式可以避免数据帧有效段内容出现与数据帧起始位或结束位一样的字节。RS485通讯程序流程图如图4所示。

    CS5532在启动时有20ms延迟，20ms之后再对其进行初始化。由于CS5532不能上电复位，所以需要处理器通过ADC串口发送初始化序列，即至少15个SYNC1(0×FF)命令字节和1个SYNC0(0×FE)命令字节，使ADC串口进入命令模式，然后设置配置寄存器的RS位，完成芯片复位。
    CS5532初始化代码如下：
   


    计量仪表的称重传感器接口采用并联接入设计，这种设计可以增强重量信号采集电路的抗干扰能力。另外，与串联设计相比，并联接入设计可以避免因个别称重传感器损坏而导致计量仪表采集不到数据的问题。称重传感器采用5 V供电，精度为2 mV／V，满量程输出为10mV。  CS5532可测量的满量程输入信号的范围由增益设定和VREF+、VPEF-决定，计算公式为：((VREF+)-(VREF-))／(Gx4)，其中G为增益放大器的系数，VREF+和VREF-分别为参考电压的正和负，A的值由参考电压选择位VRS决定，当VBS设为0时，A=2，当VRS设为1时，A=1。重量信号采集电路参考电压设计为2．5 V，即VREF+为2．5 V，VREF-为0 V，CS5532初始化程序设定VBS为1，A=1，增益G设置为256，所以CS5532可测量满量程输入范围为2．5／256≈9．7 mV，因矿用电子皮带秤根据最大流量选配称重传感器时都会有一定裕量，即矿用电子皮带秤最大流量时称重传感器输出不会超过9 mV，所以CS5532的参数配置可以满足矿用电子皮带秤测量精度的要求。

4 安全设计
    计量仪表采取了多种防爆措施，防爆型式是本质安全型。计量仪表通讯回路采用齐纳式安全栅电路将本安端和非本安端进行隔离，如图5所示。R1选用10Ω、0．5W的金属厚膜电阻，用于限制可能流过本安电路的电漉，4只齐纳二极管Z1～Z2组成双重过压保护电路进行限压。在正常操作条件下，非本安端之间所加的电压低于最高工作电压Umax(更低于齐纳二极管的击穿电压)，此时齐纳二极管处于不导通状态，除有极微小的漏电流以外，其为“开路”状态，当非本安端发生故障，例如混入高电压时，使齐纳二极管反向击穿，呈“导通”状态，此时齐纳二极管把混入的高电压限制在齐纳电压上。因齐纳二极管导通，其电流急剧上升，熔断器瞬时熔断，切断了流向现场的高电压，防止了高电压引爆现场爆炸性物质的危险，保护了现场设备及人员的安全。为防止齐纳二极管和走线短路，齐纳二极管下面禁止布线，一方面保证系统的安全防爆特性，另一方面增强系统的抗干扰能力，从而提高系统运行的可靠性。

    为防止检修或替换影响本质安全性能的任何单元，用WCC-87阻燃性环氧树脂将安全栅全部灌封。WCC-87阻燃性环氧树脂的组分树脂(包括阻燃剂)和固化剂配比为100：2，粘度为950±100厘波，灌封部位应除灰尘和杂质，保持干燥，灌封料液面需超过安全栅3mm，灌封后在室温搁置4h，再放入恒温箱(80℃)固化4 h，灌封料表面须无凸起、裂纹和泡孔现象。

5 结束语
    计量仪表将信号采集、数据处理、远程传输和防爆技术应用到设计中，在生产过程中，计量仪表电路板要涂覆至少两次三防漆，以有效地防潮防尘防静电。出厂前要进行严格的检验，包括外观及结构检查、主要技术指标测试、工作稳定性试验、电源波动能力试验、绝缘电阻测试和工频耐压试验。经测试，计量仪表重量信号零点温度性能为：<0．5μV／℃，重量信号满量程温度性能：<15 ppm／℃，重量信号线性度误差：<0．02％F．S，经国家防爆检验机构特定的电路分析测试认证，设计本安参数为：Ui=5．8V，Ii=1．4A，Li=0，Ci=40μF。