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| 攪拌反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)設(shè)計與試驗 | 2020-01-15 |
| 摘要:基于STM32處理器設(shè)計了攪拌反應(yīng)釜隨車動態(tài)稱重系統(tǒng)，確定了稱重試驗臺的安裝位置，并利用料倉代替反應(yīng)釜，選取影響稱重試驗臺監(jiān)測精度的固定架長度、秤臺寬度，以及秤臺末端距固定架尾端距離進(jìn)作為試驗因素，以稱重系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)平穩(wěn)度作為評價指標(biāo)進(jìn)行試驗研究。結(jié)果表明:當(dāng)固定架長度為1．2m、秤臺寬度為0．6m、秤臺末端距固定架尾端距離為0．1m時，有效數(shù)據(jù)段平穩(wěn)。以該組參數(shù)安裝反應(yīng)釜隨車動態(tài)稱重試驗臺，能有效對攪拌反應(yīng)釜質(zhì)量實行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測誤差小于3%。 關(guān)鍵詞:攪拌;反應(yīng)釜;稱重;STM32 0引言 在我國花生及植物資源十分豐富，農(nóng)作物花生油年產(chǎn)量超7億t，2014年我國草原總面積為392832．7khm2，累計種草保留面積為23083．6khm2［1］。由于人工收儲花生油和植物油需要耗費大量的人力物力，攪拌罐在花生油及植物油的收獲、運輸及存儲過程中起到極為重要的作用。攪拌罐按照反應(yīng)釜外形分為稱重反應(yīng)罐和稱重配料罐，稱重配料罐由于其結(jié)構(gòu)簡單、價格較低、配套動力較小等原因，在國內(nèi)外花生油及植物油收獲加工生產(chǎn)過程中得到廣泛應(yīng)用。近年來，國內(nèi)對于攪拌罐的研究正在向智能化和自動化方向快速發(fā)展。 反應(yīng)釜質(zhì)量的實時監(jiān)測對于攪拌反應(yīng)釜密度系統(tǒng)穩(wěn) 定性的監(jiān)測，以及植物油及花生油的產(chǎn)量分布研究具有十分重要意義。對于體積一定的反應(yīng)釜監(jiān)測其質(zhì)量即可換算為反應(yīng)釜密度，得到田間反應(yīng)釜質(zhì)量的變化情況、反應(yīng)釜平均質(zhì)量、田間總作物質(zhì)量和產(chǎn)量、反應(yīng)釜密度控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，以及繪制產(chǎn)量圖顯示整個作業(yè)區(qū)域的作物分布。 實際應(yīng)用中，反應(yīng)釜稱重多采用傳統(tǒng)稱重方式:在反應(yīng)釜落地后利用叉車和磅秤進(jìn)行稱重，需要多臺設(shè)備及人工操作配合［3］。 本文基于STM32設(shè)計了WDB800攪拌反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)，實現(xiàn)了攪拌反應(yīng)釜的隨車動態(tài)稱重，并就試驗臺安裝方案設(shè)計了試驗臺優(yōu)選試驗方案。同時，根據(jù)方案優(yōu)選試驗所得反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)有效信號曲線的平穩(wěn)性來確定試驗臺最終安裝方案。 1反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 1．1反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)主要包括固定架、質(zhì)量采集模塊、信號調(diào)理模塊、存儲模塊、串口通信模塊、處理器、電源模塊和LCD顯示屏，如圖1所示。質(zhì)量采集模塊包括稱重稱重模塊和角度稱重模塊。稱重稱重模塊安裝稱重試驗臺固定架上，角度稱重模塊安裝在稱重配料罐尾軸上。 當(dāng)角度稱重模塊監(jiān)測到尾軸轉(zhuǎn)動角度大于10°時，處理器開始采集數(shù)據(jù)，稱重稱重模塊采集反應(yīng)釜重力垂直于秤臺面的分力，累計采集數(shù)據(jù)量大于1000時停止采集數(shù)據(jù)。稱重模塊輸出的信號經(jīng)過信號調(diào)理模塊放大轉(zhuǎn)換后，由處理器計算處理后得出的反應(yīng)釜的質(zhì)量，計算結(jié)果送入存儲模塊并通過LCD顯示屏顯示。 1．2硬件部分設(shè)計 1．2．1稱重模塊的選型 由于在稱量過程中，反應(yīng)釜沿稱重試驗臺滾動，試驗臺與反應(yīng)釜之間有相對運動，因此反應(yīng)釜的稱量過程為動態(tài)稱重。選擇懸臂梁式稱重稱重模塊，具有精度高、防塵好、易于安裝和拆卸等特點，常用于各種電子汽車衡、料斗秤等動態(tài)稱重監(jiān)測中［4－7］。角度稱重模塊選擇旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測稱重試驗臺與水平面的夾角。 1．2．2處理器的選型 攪拌反應(yīng)釜動態(tài)稱重裝置選擇基于ARM系列Cortex－M3內(nèi)核的STM32F103ZET6處理器為核心處理器。STM32F103ZET6處理器是一款資源非常豐富的32位微處理器，擁有64kBSRAM、512kBFLASH、2個基本定時器、4個通用定時器、2個DMA控制器(共12個通道)、5個串口、1個USB、3個12位ADC、1個SDIO接口、1個FSMC接口，以及112個通用IO口等資源，功能強(qiáng)大且價格低廉［8］。 1．2．3電源模塊 反應(yīng)釜稱重裝置電源通過并聯(lián)兩臺容量為10AH、12VDC輸出的便攜式鋰電池為稱重模塊及信號變送器供24VDC工作電壓，同時預(yù)留出一個12VDC的電源接口為STM32處理器供電。將電源固定在攪拌一側(cè)機(jī)架上，可以在田間作業(yè)過程中為處理器和稱重模塊長時間提供穩(wěn)定電源。 1．2．4稱重模塊安裝位置 由于攪拌反應(yīng)釜成型機(jī)理，其成型室四周均由鋼輥組成，稱重模塊不能安裝在成型室內(nèi)，故將攪拌反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)試驗臺安裝在攪拌后倉倉口。利用反應(yīng)釜從成型室內(nèi)滾出時落在后倉倉口的溜草架上，其壓力使溜草架尾部與地面接觸形成便于反應(yīng)釜滾落的斜坡這一特征(見圖2)，用集成稱重裝置的稱重試驗臺替代溜草架，實現(xiàn)反應(yīng)釜的隨車動態(tài)稱重。 1.2．5試驗臺固定架設(shè)計 稱重試驗臺需與攪拌尾軸焊接，因此試驗臺與尾軸焊接后則不易再改動，試驗臺優(yōu)選試驗時固定架的長度需要調(diào)整，提出將該試驗臺固定架分為上下兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 固定架實物圖如圖4所示。其可以根據(jù)固定架的長度要求和稱重模塊不同安裝位置要求，在固定架相應(yīng)位置鉆直徑為12的安裝調(diào)節(jié)孔，并在固定架兩側(cè)開出對應(yīng)的配合槽以配合安裝調(diào)節(jié)孔調(diào)整固定架的長度。 1.3軟件部分設(shè)計反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)軟件程序是在keiluVision5環(huán)境下編寫的，主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)初始化并調(diào)用各個子程序［9－10］，若尾軸旋轉(zhuǎn)角度大于10°則處理器接收稱重模塊信號進(jìn)行稱重，顯示反應(yīng)釜質(zhì)量并存儲。子程序包括稱重數(shù)據(jù)采集程序設(shè)計、LCD顯示程序設(shè)計和存儲程序設(shè)計，流程圖如圖6所示。 2試驗及結(jié)果分析 2.1試驗臺方案優(yōu)選試驗 反應(yīng)釜動態(tài)稱重過程與常規(guī)稱重裝置不同，并不處于水平靜止?fàn)顟B(tài)而是與水平面存在一定角度，即斜置穩(wěn)定位置狀態(tài)。試驗臺的長度會影響稱量時的角度，長度越長則固定架尾端與地面接觸時試驗臺與水平面的傾角越小，稱重模塊檢測的壓力越接近反應(yīng)釜的質(zhì)量;同時，傾角越小則反應(yīng)釜滾動過程中的速度亦較慢，反應(yīng)釜滾動時對稱重稱重模塊的沖擊力隨之變小。稱重裝置即秤臺的寬度不同會影響到有效數(shù)據(jù)采集的時間以及數(shù)據(jù)采集量;秤臺的安裝位置不同反應(yīng)釜落至試驗臺上時對稱重裝置的沖擊力和反應(yīng)釜從臺面滾過的速度的亦有較大變化。 為確定反應(yīng)釜稱重試驗臺方案，根據(jù)上述影響因素分析將固定架的長度L、秤臺寬度B及秤臺末端距固定架尾端距離D作為試驗臺方案優(yōu)選試驗的主要影響因素，由于這3個因素之間并不獨立，故采用全面試驗的方法進(jìn)行試驗。 田間作業(yè)時地面起伏不定，因此固定架長度不宜過長，否則攪拌田間行駛時固定架會產(chǎn)生較為劇烈的振動從而影響稱重模塊的精度和使用壽命;同時，反應(yīng)釜不宜直接落在秤臺上，反應(yīng)釜質(zhì)量較大落下時和秤臺接觸會產(chǎn)生巨大的沖擊力，影響測量精度。綜上所述，取固定架長度L為1、1．2、1．4m，秤臺寬度B分別為0．4、0．6、0．8m，秤臺末端距固定架尾端距離D為0．1、0．3、0．5、0．7m。試驗安排如表1所示。 將試驗臺安裝試驗方案安裝固定后，分別使用實際質(zhì)量為40．3kg料倉代替反應(yīng)釜從試驗臺上滾落(見圖8)，稱重稱重模塊試驗數(shù)據(jù)如圖7所示。 由圖7中可以看出:料倉落在試驗臺上時稱重稱重模塊檢測到相對料倉質(zhì)量較為微小的信號波動，料倉自秤臺上滾動時稱重系統(tǒng)信號產(chǎn)生非常明顯的爬升和驟降段，此段信號即為稱重系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)段。反應(yīng)釜從試驗臺上滾下后，試驗臺受到攪拌彈簧的彈力回至初始位置，稱重模塊輸出逐漸衰減的振動信號。對比18組試驗數(shù)據(jù)，可以看出L=1．2m、B=0．6m、D=0．1m時稱重稱重模塊有效數(shù)據(jù)段平穩(wěn)，因此選擇該組試驗方案作為反應(yīng)釜稱重試驗臺的方案，最終實物圖如圖9所示。 2．2反應(yīng)釜稱重試驗 為了檢驗反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)的監(jiān)測精度，將水稻花生油平鋪在平地上進(jìn)行現(xiàn)場測量試驗。拖拉機(jī)牽引攪拌沿平鋪花生油撿拾打捆，反應(yīng)釜成型后稱重系統(tǒng)確定反應(yīng)釜質(zhì)量(見圖10)，試驗數(shù)據(jù)如表2所示，反應(yīng)釜稱重系統(tǒng)的監(jiān)測誤差為小于3%。 3結(jié)語 基于STM32處理器將稱重裝置與計量罐集成，確定了配料釜稱重系統(tǒng)實驗臺的安裝位置，完成了WDB800攪拌釜稱重系統(tǒng)的設(shè)計并進(jìn)行了試驗研究，實現(xiàn)了攪拌的隨車動態(tài)稱重。同時，通過對試驗臺影響因素分析和系統(tǒng)試驗，確定了試驗臺安裝方案，即選擇固定架長度為1．2m、秤臺寬度為0．6m、秤臺末端距離固定架尾端0．1m的安裝位置為試驗臺安裝方案，能有效對圓捆機(jī)草捆質(zhì)量實行動態(tài)監(jiān)測，監(jiān)測誤差小于3%。 | |
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