摘? 要: 介紹了一種應用于無毒提金新工藝中攪拌設備的自動控制系統" title="控制系統">控制系統,對系統的硬件設計、軟件設計、抗干擾措施及應用結果進行了較詳細的闡述。
關鍵詞: 自動控制系統? 89C52" title="89C52">89C52單片機? 硬件? 軟件? 抗干擾
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無毒提金(Nontoxic Processes for Extraction Gold)即改性石硫合劑法提金，是一種新型的提金工藝。改性石硫合劑是一種無毒提金溶劑,較之傳統氰化法提金具有如下優點:價廉易得、浸金速度快、對難處理礦浸出率高、適應性強、無氰無污染等。無毒提金新工藝中的原有攪拌設備如圖1所示。該攪拌設備所需控制的具體參數為:反應液的溫度值(T);攪拌機的攪拌桿轉速(N);反應液的酸堿度(PH)和電位值(mV);反應定時(t)。
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1 攪拌設備的自動控制系統簡介
本攪拌設備自動控制系統是以計算機控制為基礎的各種信號預置系統。系統上位機" title="上位機">上位機采用一臺PC586微機,軟件采用Visual Basic編程,并通過串行口將所需的各種預置信號(數字信號)傳給單片機系統" title="單片機系統">單片機系統,再由單片機系統產生實際的模擬信號經線性光電隔離器送到攪拌設備。預置數值既可以通過上位機設置,也可以通過單片機設置。而且,預置數值可以分別顯示在PC機軟件窗口和單片機系統的預置顯示器上。同時現場實測信號經過線性光電隔離器,也可以實時顯示在本系統的檢測顯示器和PC機的界面上。如此設計,界面直觀,而且利于對現場信號進行實時監測。因此,采用本系統,大大提高了現場信號預置精度,對實驗操作人員來說人機界面良好,簡單易懂。
2 硬件設計
系統硬件原理如圖2所示。從原理圖上可見,本系統關鍵的硬件部分是單片機系統,主要包括89C52單片機及其最小應用系統部分、前向通道配置(包括傳感器的選擇、A/D轉換器的選擇等)、后向通道配置(包括功率驅動器的選擇、固態繼電器及電磁閥的選擇)、人機通道配置(包括薄膜按鍵及顯示器的設計)和相互通道配置(即單片機應用系統和上位機進行通信、控制)。上位機(PC機)則直接利用它的RS232串行口,通過一個RS232/RS485轉換器即可實現與下位機" title="下位機">下位機的通信。
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在本攪拌設備控制系統中,要控制的參數有溫度、PH值、電位值、攪拌桿轉速及定時等多個參數,且每個參數對應幾個規格相同的被控設備。上述幾個參數中，溫度的變化對無毒提金工藝有著重要的影響,從提高提金效率、減輕下位機的“勞動量”、使檢測與控制得到迅速及時的處理來考慮，作者把溫度這一參數作為一個重要參數，專門用一溫度控制器作下位機，對溫度進行單獨控制。而PH值、電位值及轉速值等用一個MCS-51系列單片機開發系統進行檢測與控制。采用兩個下位機的優點是:檢測與控制迅速、及時、準確，從而提高了整個系統的效率。
????在本攪拌設備控制系統中,反應液的溫度(T)用一人工智能工業調節器作下位機進行測量與控制,它兼容熱電偶及熱電阻,考慮到進行溫度補償帶來的諸多不便及經濟因素,這里采用WZP-331(Pt100)鉑熱電阻作為測溫傳感器。對攪拌桿轉速(N)的測量,選用ES77-C003NB型光電傳感器,其產生的電脈沖信號直接輸入到單片機的內部計數器,T1計數,軟件延時一定時間后T1輸出計數值,將其轉化為r/min,即得轉速值:
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因反應液的PH值(PH)、電位值(mV)相互耦合,且PH值的改變對電位值的影響遠比電位值的改變對PH值的影響要大,所以在對二者的測量中,分別選用PHS—9313型工業酸度計、變送器和ORP—9313型氧化還原電位計、變送器,它們是由高阻抗電子轉換單元與玻璃電極傳感器組合成一體化測量與顯示的,且其輸出形式為1～5V的標準電壓,能夠直接與單片機的A/D轉換器連接。反應定時包括巡回檢測上述四個信號的時間及其控制時間、整個系統的工作時間等。
在設計本攪拌設備控制系統時,為了控制系統的工作狀態以及向系統輸入數據(主要是上述五個參數的給定值及其正、負偏差的設置),從簡化開發系統硬件電路的角度考慮,采用帶有四個按鍵的薄膜按鍵進行系統的輸入工作。四個按鍵的功能分別是:@鍵,依次顯示各個參數及其對應的給定值;<鍵,選擇要修改數據的位置;∧鍵,將要修改位置上的數據加1;∨鍵,將要修改位置上的數據減1。本系統的顯示器設計,選用五位BS7R—1型LED顯示,從右數起,第一至第四位顯示各參數的給定值或測量值,第五位顯示各功能參數對應的代號。
在本攪拌設備控制系統的后向通道設計中,因溫度的控制是通過給電爐絲通斷電來實現的,故采用JGT—10F交流固態繼電器來實現電爐絲的通斷電。對攪拌桿轉速的控制,采用的是脈沖寬度調制(PWM)方法,故采用JGX—5AF直流固態繼電器調節占空比來控制單相串激式電機的轉速值。對反應液的酸堿度(PH值)、電位值(mV)的控制,是通過滴加酸(H+)或堿(OH-)來調節酸堿度、通過滴加氧化劑或還原劑來調節電位值的,故采用JGX—1AF直流固態繼電器控制電磁閥的吸合與斷開,來控制四個盛放以上四種試劑的滴定管進行四種試劑的滴加工作,從而控制了反應液的酸堿度(PH值)和電位值(mV)。
本系統采用的CPU為89C52的單片微機。89C52本身帶有8K的E2PROM和256B的RAM,可以在編程器上實現的閃爍式電擦寫達幾萬次以上,比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機系統在硬件上具有更加簡單、方便等優點,而且完全兼容MCS51系列單片機的所有功能。該單片機系統的工作流程是這樣的:89C52單片機利用自身具有的串行通信口,直接接收PC機傳送下來的串行數據——各被控參數的給定值,同時顯示在PC機界面和本系統相對應的顯示器上。現場返回的信號通過隔離,經過A/D轉換器轉換成單片機所需的并行數字信號送到單片機的數據存儲單元中,再由串行口返送到PC機上,同時顯示在PC機界面和本系統相對應的顯示器上,以便于預置和實際情況相對比。
3 軟件設計
???軟件設計分上位機(PC機)Visual Basic編程和89C52單片機語言編程兩部分,現分別介紹如下。
3.1 上位機部分
在設計無毒提金攪拌設備自動控制系統時,上位機主要擔當命令發送、參數設置、報警及數據處理與存檔等任務。它主要包括:
(1)設置有效的控制參數,包括:水浴溫度的給定值及其正、負偏差,電機轉速的給定值及其正、負偏差,反應液PH值的給定值及其正、負偏差,反映液電位的給定值及其正、負偏差。
(2)數據的采集與處理。上位機不斷檢索下位機數據區中的水浴溫度值、電機轉速值、反應液PH值與電位值的瞬時值,并將其隨時間的變化情況顯示于計算機屏幕上。如遇數據異常,及時置報警位,正常及報警數據以一定的格式分別存在兩個文件中,以備檢索。
(3)向下位機發送操作指令,監測各執行部件及系統的工作狀態。
(4)建立和維護系統數據庫,主要是各被控參數的測量值。
根據上述上位機的任務,確定上位機的軟件結構,如圖3所示。
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3.2 單片機部分
在無毒提金攪拌設備自動控制系統中,為了便于技術人員能在現場進行檢測與調試,在設計本系統時,將下位機設計成一個單獨的處理系統,它能獨立完成數據采集、數據處理、設置給定值、控制被控設備及實時顯示等功能。同時,下位機還能與上位機進行通信,接收上位機的命令,向上位機實時發送數據。
根據上述下位機的任務,確定下位機的軟件結構。其主要模塊有:數據輸入模塊、數據輸出模板、控制算法模塊、鍵盤顯示模塊及通信功能模塊,它們又分別包括若干子模塊。攪拌設備自動控制系統下位機軟件模塊圖如圖4所示。
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這里以控制算法模塊為例,簡單說明單片機部分軟件的設計過程。
根據無毒提金工藝過程的工況要求和各個參數的特點及存在的各種干擾情況,在深入分析其機理的基礎上,將最優控制、模糊控制、PID控制結合在一起,作者提出了一種具有快速性和靈敏性的智能復合控制方案。該控制方案既對PID算法加以改進保留,如在傳統PID調節中加入新的微分積分作用,對給定值與測量值變化造成的偏差分別采用不同的調節方式等等,又加入一些模糊調節算法的規則。在偏差大時,希望攪拌設備控制系統各控制參數能快速跟隨調整,而對控制精度要求相對降低,所以擬采用快速PID控制方案;當偏差趨小時,為了減小超調量,提高系統的控制精度,故擬采用模糊控制為主、最優控制為輔的控制方案。該控制方案具有超調小、控制精度高、參數確定簡單、對復雜對象也能獲得較好的控制效果等特點。
根據各被控參數的特性及其給定值,可作出各控制算法的程序流程圖。限于篇幅,這里僅作出最優控制子程序流程圖,如圖5所示。
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4? 系統抗干擾措施
工業生產中的干擾一般都是以脈沖的形式進入微機,干擾竄入系統的渠道主要有三條:空間干擾(場干擾),通過電磁波輻射串入系統;過程通道干擾,通過與主機相連的前向通道、后向通道及與其它主機的相互通道進入;供電系統干擾。一般情況下,空間干擾在強度上遠小于其它兩個渠道竄入的干擾,而且空間干擾可以用良好的屏蔽與正確的接地和高頻濾波加以解決,故微機系統中應重點防止供電系統與過程通道的干擾。
系統抗干擾設計主要從軟件和硬件兩方面考慮。在軟件上,采用模塊化結構設計,在進行數據處理之前,先對采樣值進行數字濾波處理;在硬件方面,采用合理的系統電路布局、考究的印刷電路走線和電源去耦,過程通道中采用光電隔離。軟件措施和硬件措施同時使用,極大地提高了系統的抗干擾能力。
??? 本攪拌設備自動控制系統在無毒提金新工藝研究與應用實驗室的應用中,取得了令人滿意的結果。實驗驗證,水浴溫度和電機轉速的測量與控制精確度極高(±1.5%以內),反應液PH值與電位值的測量精確度也很高(±2%以內),只是與水浴溫度和電機轉速控制相比,這二者的控制精度稍低了點(±5%以內),這主要是因為此二者的慣性作用較大,動作性稍差了些。這些還有待于進一步進行硬件的配置及軟件的優化。
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參考文獻
1 蔡自興.智能控制.北京:電子工業出版社,1990
2 張福學. 傳感器及其電路精選.北京:電子工業出版社,1993