CN111689394A - 一种高效矿物自动称重系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高效矿物自动称重系统，工业抓斗上部安装称重传感器采集矿物重量信号并转化输出为可传输计算的电流，电流信号经由电流‑电压转换后输出相应的电压模拟量信号；对电压信号通过模拟‑数字转换程序得到的数字信号进行滑动平均滤波处理，对滤波后的数字信号进行精确重量值计算输出到上位机中进行显示。本发明对收集到的重量值进行了两次软件滤波处理，滤除了抖动干扰和随机干扰，测量误差小，实现在抓斗抓取矿物放入运输车内的动态过程中，精确测量出抓斗倒入矿物运输车内的矿物重量，并实时显示给操作工人，从而控制运输车内矿物重量在一定范围内，避免超载或低载带来的经济效益低下问题。

Description

一种高效矿物自动称重系统

技术领域

本发明属于矿物称重领域，具体涉及一种高效矿物自动称重系统。

背景技术

矿产企业主要依靠铁路运输对生产的矿物进行运输，由于铁路运输车皮装载能力有限，目前传统的吊秤称重花费时间较长，称重存在极大的误差，同时传统吊秤存在需要天天更换电池等情况，需要操作工人爬上爬下给称体更换电池的操作繁琐问题，存在极大的安全隐患和人力资源浪费的情况，不利于经济生产，生产效率低下，经济效益不高。

如果能够对铁路矿物运输车所负载的矿物进行实时高效的计量，精确获取抓斗每一次抓取的精矿质量，同时可以对每次运输矿物数量进行累加和显示，就可以避免发生装车过轻、过重从而导致需要倒车回来返工的问题；精矿本身价格昂贵，通过有效计算、改进相应技术参数能提升精矿抓斗效率，避免因计量误差导致的损失，经济效益低，因此发明一套高效的矿物自动称重系统就十分迫切且重要。

发明内容

本发明针对现有矿物称重条件的缺点和不足，提供了一套先进的高效矿物称重系统。

为解决以上问题，本发明采用了以下技术手段：

工业抓斗上安装和固定有传感器称重模块，传感器称重模块实时采集抓斗抓取矿物前后的重量值[0，W_max]，并输出相应的电流信号，经由电流-电压转换器转换为[U₁，U₂]伏特的电压模拟量，传输给PLC；所述的传感器称重模块与控制箱相连；控制箱内包括PLC、网络接口模块、供电单元；控制箱为传感器称重模块和上位机的连接桥梁，通过控制箱，传感器称重模块输出的电流信号进行传输并转换为上位机中显示并统计的矿物重量值，同时上位机通过更改PLC中的标定参数修改传感器称重模块的测量输出值。

所述的上位机为触摸式工控一体机，工控一体机中采用WINCC软件设计人机交互界面，完成上位机与PLC的通讯，实时显示测量结果。

其中矿物称重测量过程为：

传感器输出转换的电压值为[U1，U2]，PLC的模拟量输入的最大范围为[0，M]，假设当前PLC采集到数值为U₀的电压模拟量，则相应的重量数字量W₀经由模拟量-数字量的尺度转换公式得出：

考虑到抓斗抓取矿物并释放到矿物运输车的整个过程中，由于抓斗的剧烈抖动会导致传感器的测量结果受到影响，为了提高测量精度，减小测量误差，采用滑动平均滤波法对PLC采集到的重量值W₀进行滤波处理：

A1.连续采样N个重量值W₀记为重量值序列[W₁，W₂，W₃...，W_N]，序列的长度固定为N；

A2.每次采样到一个新数据W_N+1放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据，得到新的重量值序列[W₂，W₃，W₄...，W_N，W_N+1]；

A3.将重量值序列中的N个数据，采用下列公式得到滤波后重量值W：

A4.执行A2进入滤波处理循环，得到滤波后的重量结果W用于后续矿物重量计算；

当抓斗抓取矿物时PLC测量得到的重量值W会有显著增大，设置抓取重量阈值Ratiol，当重量值W＞Ratio1时，称重系统当前状态表示为Statel，即抓起矿物状态；

当抓斗将矿物释放在运输车内时，PLC测量重量值W会显著减小，设置释放重量阈值Ratio2，重量值W＜Ratio2时，称重系统当前状态表示为State2，即释放矿物状态；

矿物实际重量计算过程为PLC对抓斗上的传感器称重模块的输出信号采用模数转换算法进行数据处理，并采用算术平均值滤波方法进行重量值计算：

B1.当称重系统判断当前状态为State1时，若ΔT₁时间内恒有|W_(t)-W_(t-1)|≤δ₁，即表明当前状态重量信号稳定，则PLC对当前状态进行Δt时间内采样滤波处理，测量当前准确的重量值

其中W_(t)是当前时刻重量，W_(t-1)为上一时刻重量值，δ₁为误差阈值，Δt为采样时间，n为在Δt时间内的采样次数；

B2.当称重系统判断当前状态为State2时，若ΔT₂时间内恒有|W_(t)-W_(t-1)|≤δ₂，表明当前状态重量信号稳定，则PLC对当前状态进行Δt时间内采样滤波处理，测量当前准确的重量值

其中W_(t)是当前时刻重量，W_(t-1)为上一时刻重量值，δ₂为误差阈值，Δt为采样时间，n为在Δt时间内的采样次数；

B3.矿物实际重量值ΔW＝W_A-W_B。

选用的PLC输入0-10V电压，对应的数字量输出为[0，27648]，传感器测量矿物重量0-90t对应输出的电压值为0-10V，U₁＝0V，U₂＝10V，M＝27648，W_max＝90t，N＝6。

Ratio₁取4.0吨，Ratio₂＝1.0吨，在抓取矿物稳定平移的过程中，抖动造成的误差不超过0.5t，δ₁＝0.5t，δ₂＝0.05t。

ΔT₁＝ΔT₂＝2s，Δt＝0.3s，n＝6。

本发明的有益效果在于：整个高效称重系统对称重传感器采集到的重量值进行了两次软件滤波处理，测量误差小，精度高，采用设定阈值，达到了高效准确测量的目的；下位机采用梯形图和SCL语言混合编写，将重量信号收集和预处理模块和供电模块封装于控制箱中，无需人工爬上测量平台进行电池更换，便于操作，从整体上提高了整个系统的操作便捷度和安全性。

附图说明：

图1为矿物实际重量计算流程图。

图2为操作流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

图1中的矿物计算过程为：传感器输出转换的电压值为[U1，U2]，PLC的模拟量输入的最大范围为[0，M]，假设当前PLC采集到数值为U₀的电压模拟量，则相应的重量数字量W₀经由模拟量-数字量的尺度转换公式得出：

考虑到抓斗抓取矿物并释放到矿物运输车的整个过程中，由于抓斗的剧烈抖动会导致传感器的测量结果受到影响，为了提高测量精度，减小测量误差，采用滑动平均滤波法对PLC采集到的重量值W₀进行滤波处理：

A1.连续采样N个重量值W₀记为重量值序列[W₁，W₂，W₃...，W_N]，序列的长度固定为N；

A2.每次采样到一个新数据W_N+1放入队尾，并扔掉原来队首的一次数据，得到新的重量值序列[W₂，W₃，W₄...，W_N，W_N+1]；

A3.将重量值序列中的N个数据，采用下列公式得到滤波后重量值W：

A4.执行A2进入滤波处理循环，得到滤波后的重量结果W用于后续矿物重量计算；

当抓斗抓取矿物时PLC测量得到的重量值W会有显著增大，设置抓取重量阈值Ratio1，当重量值W＞Ratio1时，称重系统当前状态表示为State1，即抓起矿物状态；

当抓斗将矿物释放在运输车内时，PLC测量重量值W会显著减小，设置释放重量阈值Ratio2，重量值W＜Ratio2时，称重系统当前状态表示为State2，即释放矿物状态；

矿物实际重量计算过程为PLC对抓斗上的传感器称重模块的输出信号采用模数转换算法进行数据处理，并采用算术平均值滤波方法进行重量值计算：

B1.当称重系统判断当前状态为Statel时，若ΔT₁时间内恒有|W_(t)-W_(t-1)|≤δ₁，即表明当前状态重量信号稳定，则PLC对当前状态进行Δt时间内采样滤波处理，测量当前准确的重量值

其中W_(t)是当前时刻重量，W_(t-1)为上一时刻重量值，δ₁为误差阈值，Δt为采样时间，n为在Δt时间内的采样次数；

B2.当称重系统判断当前状态为State2时，若ΔT₂时间内恒有|W_(t)-W_(t-1)|≤δ₂，表明当前状态重量信号稳定，则PLC对当前状态进行Δt时间内采样滤波处理，测量当前准确的重量值

其中W_(t)是当前时刻重量，W_(t-1)为上一时刻重量值，δ₂为误差阈值，Δt为采样时间，n为在Δt时间内的采样次数；

B3.矿物实际重量值ΔW＝W_A-W_B。

选用的PLC输入0-10V电压，对应的数字量输出为[0，27648]，传感器测量矿物重量0-90t对应输出的电压值为0-10V，U₁＝0V，U₂＝10V，M＝27648，W_max＝90t，N＝6。

实际过程中，抓斗抓取一斗精矿的重量大约为7.0t-8.0t，释放后残留矿物为0.05t，因此，抓取重量判断阈值选为测量重量值的1/2，故Ratio₁＝4.0t，释放重量判断阈值选为剩余重量值的2倍，故Ratio₂＝1.0t，在抓取矿物稳定平移的过程中，抖动造成的误差不超过0.5t，因此δ₁＝0.5t，δ₂＝0.05t。

根据实际工业调试可获得最佳取值，ΔT₁＝ΔT₂＝2s，Δt＝0.3s，n＝6。

整套高效矿物自动称重系统的工作流程如图2所示：

S1：采用固定了一个传感器称重模块的工业抓斗抓取矿物，将其释放在矿物运输车中；

S2：传感器称重模块采集重量信号，转换为相应的可用于计算的电流模拟量输出；

S3：电流信号通过计算和转换成为电压信号并经由变送器传输经到PLC中进行重量值的转换与计算；

S4：PLC获取到电压模拟量信号，通过编写模拟量和数字量的线性转换程序，将电流模拟量信号还原成矿物重量值，并根据工业过程实际情况计算出每一斗抓取的实际矿物重量值；

S5：PLC通过与WINCC软件中的人机交互界面通讯，对矿物重量进行实时显示和处理，也能以打印报表的形式供用户统计和管理，完成对矿物称重的目的。

Claims (7)

1.一种高效矿物自动称重系统，包括工业抓斗、传感器称重模块和PLC，其特征在于：工业抓斗上安装和固定有传感器称重模块，传感器称重模块实时采集抓斗抓取矿物前后的重量值[0，W_max]，并输出相应的电流信号，经由电流-电压转换器转换为[U₁，U₂]伏特的电压模拟量，传输给PLC；所述的传感器称重模块与控制箱相连；控制箱内包括PLC、网络接口模块和供电单元；控制箱为传感器称重模块和上位机的连接桥梁，通过控制箱，传感器称重模块输出的电流信号进行传输并转换为上位机中显示并统计的矿物重量值，同时上位机通过更改PLC中的标定参数修改传感器称重模块的测量输出值。

2.根据权利要求1所述的一种高效矿物自动称重系统，其特征在于：所述的上位机为触摸式工控一体机，工控一体机中采用WINCC软件设计人机交互界面，完成上位机与PLC的通讯，实时显示测量结果。

3.如权利要求1或2所述的一种高效矿物自动称重系统的使用方法，其特征在于包括以下步骤：

S1：采用固定了一个传感器称重模块的工业抓斗抓取矿物，再将矿物释放在矿物运输车中；

S2：传感器称重模块采集重量信号，转换为相应的用于计算的电流模拟量输出；

S3：电流信号通过计算和转换成为电压信号并经由变送器传输经到PLC中进行重量值的转换与计算；

S4：PLC获取到电压模拟量信号，通过编写模拟量和数字量的线性转换程序，将电压模拟量信号还原成矿物重量值，并根据工业过程实际情况计算出每一斗抓取的实际矿物重量值；

S5：PLC通过与人机交互界面通讯，对矿物重量进行实时显示和处理。

4.根据权利要求3所述的一种高效矿物自动称重系统的使用方法，其特征在于：S4步骤中，

传感器输出转换的电压值为[U1，U2]，PLC的模拟量输入的最大范围为[0，M]，假设当前PLC采集到数值为U₀的电压模拟量，则相应的重量数字量W₀经由模拟量-数字量的尺度转换公式得出：

考虑到抓斗抓取矿物并释放到矿物运输车的整个过程中，由于抓斗的剧烈抖动会导致传感器的测量结果受到影响，为了提高测量精度，减小测量误差，采用滑动平均滤波法对PLC采集到的重量值W₀进行滤波处理：

A1.连续采样N个重量值W₀记为重量值序列[W₁，W₂，W₃...，W_N]，序列的长度固定为N；

A2.每次采样到一个新数据W_N+1放入序列的队尾，并扔掉原来队首的数据，得到新的重量值序列[W₂，W₃，W₄...，W_N，W_N+1]；

A3.将重量值序列中的N个数据，采用下列公式得到N+1次采样滤波后重量值W：

A4.执行A2进入滤波处理循环，得到滤波后的重量结果W用于后续矿物重量计算；

当抓斗抓取矿物时PLC测量得到的重量值W会有显著增大，设置抓取重量阈值Ratio1，当重量值W＞Ratio1时，称重系统当前状态表示为State1，即抓起矿物状态；

当抓斗将矿物释放在运输车内时，PLC测量重量值W会显著减小，设置释放重量阈值Ratio2，重量值W＜Ratio2时，称重系统当前状态表示为State2，即释放矿物状态；

矿物实际重量计算过程为PLC对抓斗上的传感器称重模块的输出信号采用模数转换算法进行数据处理，并采用算术平均值滤波方法进行重量值计算：

B1.当称重系统判断当前状态为State1时，若ΔT₁时间内恒有|W_(t)-W_(t-1)|≤δ₁，即表明当前状态重量信号稳定，则PLC对当前状态进行Δt时间内采样滤波处理，测量当前准确的重量值

其中W_(t)是当前时刻重量，W_(t-1)为上一时刻重量值，δ₁为误差阈值，Δt为采样时间，n为在Δt时间内的采样次数；

B2.当称重系统判断当前状态为State2时，若ΔT₂时间内恒有|W_(t)-W_(t-1)|≤δ₂，表明当前状态重量信号稳定，则PLC对当前状态进行Δt时间内采样滤波处理，测量当前准确的重量值

其中W_(t)是当前时刻重量，W_(t-1)为上一时刻重量值，δ₂为误差阈值，Δt为采样时间，n为在Δt时间内的采样次数；

B3.矿物实际重量值ΔW＝W_A-W_B。

5.根据权利要求3所述的一种高效矿物自动称重系统，其特征在于：

选用的PLC输入0-10V电压，对应的数字量输出为[0，27648]，传感器测量矿物重量0-90t对应输出的电压值为0-10V，U₁＝0V，U₂＝10V，M＝27648，W_max＝90t，N＝6。

6.根据权利要求3所述的一种高效矿物自动称重系统，其特征在于：

Ratio₁取4.0吨，Ratio₂＝1.0吨，在抓取矿物稳定平移的过程中，抖动造成的误差不超过0.5t，δ₁＝0.5t，δ₂＝0.05t。

7.根据权利要求3所述的一种高效矿物自动称重系统，其特征在于：

ΔT₁＝ΔT₂＝2s，Δt＝0.3s，n＝6。

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