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| 攪拌反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn) | 2020-01-15 |
| 摘要:基于STM32處理器設(shè)計(jì)了攪拌反應(yīng)釜隨車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重系統(tǒng)，確定了稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)的安裝位置，并利用料倉(cāng)代替反應(yīng)釜，選取影響稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)監(jiān)測(cè)精度的固定架長(zhǎng)度、秤臺(tái)寬度，以及秤臺(tái)末端距固定架尾端距離進(jìn)作為試驗(yàn)因素，以稱(chēng)重系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)段的數(shù)據(jù)平穩(wěn)度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行試驗(yàn)研究。結(jié)果表明:當(dāng)固定架長(zhǎng)度為1．2m、秤臺(tái)寬度為0．6m、秤臺(tái)末端距固定架尾端距離為0．1m時(shí)，有效數(shù)據(jù)段平穩(wěn)。以該組參數(shù)安裝反應(yīng)釜隨車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)，能有效對(duì)攪拌反應(yīng)釜質(zhì)量實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)誤差小于3%。 關(guān)鍵詞:攪拌;反應(yīng)釜;稱(chēng)重;STM32 0引言 在我國(guó)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(guó)草原總面積為392832．7khm2，累計(jì)種草保留面積為23083．6khm2［1］。由于人工收儲(chǔ)花生油和植物油需要耗費(fèi)大量的人力物力，攪拌罐在花生油及植物油的收獲、運(yùn)輸及存儲(chǔ)過(guò)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(chēng)重反應(yīng)罐和稱(chēng)重配料罐，稱(chēng)重配料罐由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格較低、配套動(dòng)力較小等原因，在國(guó)內(nèi)外花生油及植物油收獲加工生產(chǎn)過(guò)程中得到廣泛應(yīng)用。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)于攪拌罐的研究正在向智能化和自動(dòng)化方向快速發(fā)展。 反應(yīng)釜質(zhì)量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)對(duì)于攪拌反應(yīng)釜密度系統(tǒng)穩(wěn) 定性的監(jiān)測(cè)，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(duì)于體積一定的反應(yīng)釜監(jiān)測(cè)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(gè)作業(yè)區(qū)域的作物分布。 實(shí)際應(yīng)用中，反應(yīng)釜稱(chēng)重多采用傳統(tǒng)稱(chēng)重方式:在反應(yīng)釜落地后利用叉車(chē)和磅秤進(jìn)行稱(chēng)重，需要多臺(tái)設(shè)備及人工操作配合［3］。 本文基于STM32設(shè)計(jì)了WDB800攪拌反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了攪拌反應(yīng)釜的隨車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重，并就試驗(yàn)臺(tái)安裝方案設(shè)計(jì)了試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)選試驗(yàn)方案。同時(shí)，根據(jù)方案優(yōu)選試驗(yàn)所得反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)有效信號(hào)曲線(xiàn)的平穩(wěn)性來(lái)確定試驗(yàn)臺(tái)最終安裝方案。 1反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 1．1反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)主要包括固定架、質(zhì)量采集模塊、信號(hào)調(diào)理模塊、存儲(chǔ)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(chēng)重稱(chēng)重模塊和角度稱(chēng)重模塊。稱(chēng)重稱(chēng)重模塊安裝稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)固定架上，角度稱(chēng)重模塊安裝在稱(chēng)重配料罐尾軸上。 當(dāng)角度稱(chēng)重模塊監(jiān)測(cè)到尾軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度大于10°時(shí)，處理器開(kāi)始采集數(shù)據(jù)，稱(chēng)重稱(chēng)重模塊采集反應(yīng)釜重力垂直于秤臺(tái)面的分力，累計(jì)采集數(shù)據(jù)量大于1000時(shí)停止采集數(shù)據(jù)。稱(chēng)重模塊輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)調(diào)理模塊放大轉(zhuǎn)換后，由處理器計(jì)算處理后得出的反應(yīng)釜的質(zhì)量，計(jì)算結(jié)果送入存儲(chǔ)模塊并通過(guò)LCD顯示屏顯示。 1．2硬件部分設(shè)計(jì) 1．2．1稱(chēng)重模塊的選型 由于在稱(chēng)量過(guò)程中，反應(yīng)釜沿稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)滾動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)與反應(yīng)釜之間有相對(duì)運(yùn)動(dòng)，因此反應(yīng)釜的稱(chēng)量過(guò)程為動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。選擇懸臂梁式稱(chēng)重稱(chēng)重模塊，具有精度高、防塵好、易于安裝和拆卸等特點(diǎn)，常用于各種電子汽車(chē)衡、料斗秤等動(dòng)態(tài)稱(chēng)重監(jiān)測(cè)中［4－7］。角度稱(chēng)重模塊選擇旋轉(zhuǎn)編碼器監(jiān)測(cè)稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)與水平面的夾角。 1．2．2處理器的選型 攪拌反應(yīng)釜?jiǎng)討B(tài)稱(chēng)重裝置選擇基于A(yíng)RM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(gè)基本定時(shí)器、4個(gè)通用定時(shí)器、2個(gè)DMA控制器(共12個(gè)通道)、5個(gè)串口、1個(gè)USB、3個(gè)12位ADC、1個(gè)SDIO接口、1個(gè)FSMC接口，以及112個(gè)通用IO口等資源，功能強(qiáng)大且價(jià)格低廉［8］。 1．2．3電源模塊 反應(yīng)釜稱(chēng)重裝置電源通過(guò)并聯(lián)兩臺(tái)容量為10AH、12VDC輸出的便攜式鋰電池為稱(chēng)重模塊及信號(hào)變送器供24VDC工作電壓，同時(shí)預(yù)留出一個(gè)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(guò)程中為處理器和稱(chēng)重模塊長(zhǎng)時(shí)間提供穩(wěn)定電源。 1．2．4稱(chēng)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(chēng)重模塊不能安裝在成型室內(nèi)，故將攪拌反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)試驗(yàn)臺(tái)安裝在攪拌后倉(cāng)倉(cāng)口。利用反應(yīng)釜從成型室內(nèi)滾出時(shí)落在后倉(cāng)倉(cāng)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(jiàn)圖2)，用集成稱(chēng)重裝置的稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)替代溜草架，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)釜的隨車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。 1.2．5試驗(yàn)臺(tái)固定架設(shè)計(jì) 稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)需與攪拌尾軸焊接，因此試驗(yàn)臺(tái)與尾軸焊接后則不易再改動(dòng)，試驗(yàn)臺(tái)優(yōu)選試驗(yàn)時(shí)固定架的長(zhǎng)度需要調(diào)整，提出將該試驗(yàn)臺(tái)固定架分為上下兩部分，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。 固定架實(shí)物圖如圖4所示。其可以根據(jù)固定架的長(zhǎng)度要求和稱(chēng)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(kāi)出對(duì)應(yīng)的配合槽以配合安裝調(diào)節(jié)孔調(diào)整固定架的長(zhǎng)度。 1.3軟件部分設(shè)計(jì)反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)軟件程序是在keiluVision5環(huán)境下編寫(xiě)的，主程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)初始化并調(diào)用各個(gè)子程序［9－10］，若尾軸旋轉(zhuǎn)角度大于10°則處理器接收稱(chēng)重模塊信號(hào)進(jìn)行稱(chēng)重，顯示反應(yīng)釜質(zhì)量并存儲(chǔ)。子程序包括稱(chēng)重?cái)?shù)據(jù)采集程序設(shè)計(jì)、LCD顯示程序設(shè)計(jì)和存儲(chǔ)程序設(shè)計(jì)，流程圖如圖6所示。 2試驗(yàn)及結(jié)果分析 2.1試驗(yàn)臺(tái)方案優(yōu)選試驗(yàn) 反應(yīng)釜?jiǎng)討B(tài)稱(chēng)重過(guò)程與常規(guī)稱(chēng)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(yàn)臺(tái)的長(zhǎng)度會(huì)影響稱(chēng)量時(shí)的角度，長(zhǎng)度越長(zhǎng)則固定架尾端與地面接觸時(shí)試驗(yàn)臺(tái)與水平面的傾角越小，稱(chēng)重模塊檢測(cè)的壓力越接近反應(yīng)釜的質(zhì)量;同時(shí)，傾角越小則反應(yīng)釜滾動(dòng)過(guò)程中的速度亦較慢，反應(yīng)釜滾動(dòng)時(shí)對(duì)稱(chēng)重稱(chēng)重模塊的沖擊力隨之變小。稱(chēng)重裝置即秤臺(tái)的寬度不同會(huì)影響到有效數(shù)據(jù)采集的時(shí)間以及數(shù)據(jù)采集量;秤臺(tái)的安裝位置不同反應(yīng)釜落至試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)對(duì)稱(chēng)重裝置的沖擊力和反應(yīng)釜從臺(tái)面滾過(guò)的速度的亦有較大變化。 為確定反應(yīng)釜稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)方案，根據(jù)上述影響因素分析將固定架的長(zhǎng)度L、秤臺(tái)寬度B及秤臺(tái)末端距固定架尾端距離D作為試驗(yàn)臺(tái)方案優(yōu)選試驗(yàn)的主要影響因素，由于這3個(gè)因素之間并不獨(dú)立，故采用全面試驗(yàn)的方法進(jìn)行試驗(yàn)。 田間作業(yè)時(shí)地面起伏不定，因此固定架長(zhǎng)度不宜過(guò)長(zhǎng)，否則攪拌田間行駛時(shí)固定架會(huì)產(chǎn)生較為劇烈的振動(dòng)從而影響稱(chēng)重模塊的精度和使用壽命;同時(shí)，反應(yīng)釜不宜直接落在秤臺(tái)上，反應(yīng)釜質(zhì)量較大落下時(shí)和秤臺(tái)接觸會(huì)產(chǎn)生巨大的沖擊力，影響測(cè)量精度。綜上所述，取固定架長(zhǎng)度L為1、1．2、1．4m，秤臺(tái)寬度B分別為0．4、0．6、0．8m，秤臺(tái)末端距固定架尾端距離D為0．1、0．3、0．5、0．7m。試驗(yàn)安排如表1所示。 將試驗(yàn)臺(tái)安裝試驗(yàn)方案安裝固定后，分別使用實(shí)際質(zhì)量為40．3kg料倉(cāng)代替反應(yīng)釜從試驗(yàn)臺(tái)上滾落(見(jiàn)圖8)，稱(chēng)重稱(chēng)重模塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖7所示。 由圖7中可以看出:料倉(cāng)落在試驗(yàn)臺(tái)上時(shí)稱(chēng)重稱(chēng)重模塊檢測(cè)到相對(duì)料倉(cāng)質(zhì)量較為微小的信號(hào)波動(dòng)，料倉(cāng)自秤臺(tái)上滾動(dòng)時(shí)稱(chēng)重系統(tǒng)信號(hào)產(chǎn)生非常明顯的爬升和驟降段，此段信號(hào)即為稱(chēng)重系統(tǒng)有效數(shù)據(jù)段。反應(yīng)釜從試驗(yàn)臺(tái)上滾下后，試驗(yàn)臺(tái)受到攪拌彈簧的彈力回至初始位置，稱(chēng)重模塊輸出逐漸衰減的振動(dòng)信號(hào)。對(duì)比18組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可以看出L=1．2m、B=0．6m、D=0．1m時(shí)稱(chēng)重稱(chēng)重模塊有效數(shù)據(jù)段平穩(wěn)，因此選擇該組試驗(yàn)方案作為反應(yīng)釜稱(chēng)重試驗(yàn)臺(tái)的方案，最終實(shí)物圖如圖9所示。 2．2反應(yīng)釜稱(chēng)重試驗(yàn) 為了檢驗(yàn)反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)精度，將水稻花生油平鋪在平地上進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量試驗(yàn)。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(chēng)重系統(tǒng)確定反應(yīng)釜質(zhì)量(見(jiàn)圖10)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，反應(yīng)釜稱(chēng)重系統(tǒng)的監(jiān)測(cè)誤差為小于3%。 3結(jié)語(yǔ) 基于STM32處理器將稱(chēng)重裝置與計(jì)量罐集成，確定了配料釜稱(chēng)重系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的安裝位置，完成了WDB800攪拌釜稱(chēng)重系統(tǒng)的設(shè)計(jì)并進(jìn)行了試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了攪拌的隨車(chē)動(dòng)態(tài)稱(chēng)重。同時(shí)，通過(guò)對(duì)試驗(yàn)臺(tái)影響因素分析和系統(tǒng)試驗(yàn)，確定了試驗(yàn)臺(tái)安裝方案，即選擇固定架長(zhǎng)度為1．2m、秤臺(tái)寬度為0．6m、秤臺(tái)末端距離固定架尾端0．1m的安裝位置為試驗(yàn)臺(tái)安裝方案，能有效對(duì)圓捆機(jī)草捆質(zhì)量實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)誤差小于3%。 | |
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