摘? 要: 介紹了一種應(yīng)用于無(wú)毒提金新工藝中攪拌設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)" title="控制系統(tǒng)">控制系統(tǒng),對(duì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、抗干擾措施及應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行了較詳細(xì)的闡述。

　　關(guān)鍵詞: 自動(dòng)控制系統(tǒng)? 89C52" title="89C52">89C52單片機(jī)? 硬件? 軟件? 抗干擾

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　　無(wú)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(wú)毒提金溶劑,較之傳統(tǒng)氰化法提金具有如下優(yōu)點(diǎn):價(jià)廉易得、浸金速度快、對(duì)難處理礦浸出率高、適應(yīng)性強(qiáng)、無(wú)氰無(wú)污染等。無(wú)毒提金新工藝中的原有攪拌設(shè)備如圖1所示。該攪拌設(shè)備所需控制的具體參數(shù)為:反應(yīng)液的溫度值(T);攪拌機(jī)的攪拌桿轉(zhuǎn)速(N);反應(yīng)液的酸堿度(PH)和電位值(mV);反應(yīng)定時(shí)(t)。

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1 攪拌設(shè)備的自動(dòng)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)介

　　本攪拌設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)是以計(jì)算機(jī)控制為基礎(chǔ)的各種信號(hào)預(yù)置系統(tǒng)。系統(tǒng)上位機(jī)" title="上位機(jī)">上位機(jī)采用一臺(tái)PC586微機(jī),軟件采用Visual Basic編程,并通過(guò)串行口將所需的各種預(yù)置信號(hào)(數(shù)字信號(hào))傳給單片機(jī)系統(tǒng)" title="單片機(jī)系統(tǒng)">單片機(jī)系統(tǒng),再由單片機(jī)系統(tǒng)產(chǎn)生實(shí)際的模擬信號(hào)經(jīng)線性光電隔離器送到攪拌設(shè)備。預(yù)置數(shù)值既可以通過(guò)上位機(jī)設(shè)置,也可以通過(guò)單片機(jī)設(shè)置。而且,預(yù)置數(shù)值可以分別顯示在PC機(jī)軟件窗口和單片機(jī)系統(tǒng)的預(yù)置顯示器上。同時(shí)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)線性光電隔離器,也可以實(shí)時(shí)顯示在本系統(tǒng)的檢測(cè)顯示器和PC機(jī)的界面上。如此設(shè)計(jì),界面直觀,而且利于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。因此,采用本系統(tǒng),大大提高了現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)預(yù)置精度,對(duì)實(shí)驗(yàn)操作人員來(lái)說(shuō)人機(jī)界面良好,簡(jiǎn)單易懂。

2 硬件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)硬件原理如圖2所示。從原理圖上可見(jiàn),本系統(tǒng)關(guān)鍵的硬件部分是單片機(jī)系統(tǒng),主要包括89C52單片機(jī)及其最小應(yīng)用系統(tǒng)部分、前向通道配置(包括傳感器的選擇、A/D轉(zhuǎn)換器的選擇等)、后向通道配置(包括功率驅(qū)動(dòng)器的選擇、固態(tài)繼電器及電磁閥的選擇)、人機(jī)通道配置(包括薄膜按鍵及顯示器的設(shè)計(jì))和相互通道配置(即單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)和上位機(jī)進(jìn)行通信、控制)。上位機(jī)(PC機(jī))則直接利用它的RS232串行口,通過(guò)一個(gè)RS232/RS485轉(zhuǎn)換器即可實(shí)現(xiàn)與下位機(jī)" title="下位機(jī)">下位機(jī)的通信。

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　　在本攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)中,要控制的參數(shù)有溫度、PH值、電位值、攪拌桿轉(zhuǎn)速及定時(shí)等多個(gè)參數(shù),且每個(gè)參數(shù)對(duì)應(yīng)幾個(gè)規(guī)格相同的被控設(shè)備。上述幾個(gè)參數(shù)中，溫度的變化對(duì)無(wú)毒提金工藝有著重要的影響,從提高提金效率、減輕下位機(jī)的“勞動(dòng)量”、使檢測(cè)與控制得到迅速及時(shí)的處理來(lái)考慮，作者把溫度這一參數(shù)作為一個(gè)重要參數(shù)，專門用一溫度控制器作下位機(jī)，對(duì)溫度進(jìn)行單獨(dú)控制。而PH值、電位值及轉(zhuǎn)速值等用一個(gè)MCS-51系列單片機(jī)開(kāi)發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)與控制。采用兩個(gè)下位機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是:檢測(cè)與控制迅速、及時(shí)、準(zhǔn)確，從而提高了整個(gè)系統(tǒng)的效率。

????在本攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)中,反應(yīng)液的溫度(T)用一人工智能工業(yè)調(diào)節(jié)器作下位機(jī)進(jìn)行測(cè)量與控制,它兼容熱電偶及熱電阻,考慮到進(jìn)行溫度補(bǔ)償帶來(lái)的諸多不便及經(jīng)濟(jì)因素,這里采用WZP-331(Pt100)鉑熱電阻作為測(cè)溫傳感器。對(duì)攪拌桿轉(zhuǎn)速(N)的測(cè)量,選用ES77-C003NB型光電傳感器,其產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)直接輸入到單片機(jī)的內(nèi)部計(jì)數(shù)器,T1計(jì)數(shù),軟件延時(shí)一定時(shí)間后T1輸出計(jì)數(shù)值,將其轉(zhuǎn)化為r/min,即得轉(zhuǎn)速值:

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　　因反應(yīng)液的PH值(PH)、電位值(mV)相互耦合,且PH值的改變對(duì)電位值的影響遠(yuǎn)比電位值的改變對(duì)PH值的影響要大,所以在對(duì)二者的測(cè)量中,分別選用PHS—9313型工業(yè)酸度計(jì)、變送器和ORP—9313型氧化還原電位計(jì)、變送器,它們是由高阻抗電子轉(zhuǎn)換單元與玻璃電極傳感器組合成一體化測(cè)量與顯示的,且其輸出形式為1～5V的標(biāo)準(zhǔn)電壓,能夠直接與單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器連接。反應(yīng)定時(shí)包括巡回檢測(cè)上述四個(gè)信號(hào)的時(shí)間及其控制時(shí)間、整個(gè)系統(tǒng)的工作時(shí)間等。

　　在設(shè)計(jì)本攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)時(shí),為了控制系統(tǒng)的工作狀態(tài)以及向系統(tǒng)輸入數(shù)據(jù)(主要是上述五個(gè)參數(shù)的給定值及其正、負(fù)偏差的設(shè)置),從簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)系統(tǒng)硬件電路的角度考慮,采用帶有四個(gè)按鍵的薄膜按鍵進(jìn)行系統(tǒng)的輸入工作。四個(gè)按鍵的功能分別是:@鍵,依次顯示各個(gè)參數(shù)及其對(duì)應(yīng)的給定值;<鍵,選擇要修改數(shù)據(jù)的位置;∧鍵,將要修改位置上的數(shù)據(jù)加1;∨鍵,將要修改位置上的數(shù)據(jù)減1。本系統(tǒng)的顯示器設(shè)計(jì),選用五位BS7R—1型LED顯示,從右數(shù)起,第一至第四位顯示各參數(shù)的給定值或測(cè)量值,第五位顯示各功能參數(shù)對(duì)應(yīng)的代號(hào)。

　　在本攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)的后向通道設(shè)計(jì)中,因溫度的控制是通過(guò)給電爐絲通斷電來(lái)實(shí)現(xiàn)的,故采用JGT—10F交流固態(tài)繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)電爐絲的通斷電。對(duì)攪拌桿轉(zhuǎn)速的控制,采用的是脈沖寬度調(diào)制(PWM)方法,故采用JGX—5AF直流固態(tài)繼電器調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制單相串激式電機(jī)的轉(zhuǎn)速值。對(duì)反應(yīng)液的酸堿度(PH值)、電位值(mV)的控制,是通過(guò)滴加酸(H+)或堿(OH-)來(lái)調(diào)節(jié)酸堿度、通過(guò)滴加氧化劑或還原劑來(lái)調(diào)節(jié)電位值的,故采用JGX—1AF直流固態(tài)繼電器控制電磁閥的吸合與斷開(kāi),來(lái)控制四個(gè)盛放以上四種試劑的滴定管進(jìn)行四種試劑的滴加工作,從而控制了反應(yīng)液的酸堿度(PH值)和電位值(mV)。

　　本系統(tǒng)采用的CPU為89C52的單片微機(jī)。89C52本身帶有8K的E2PROM和256B的RAM,可以在編程器上實(shí)現(xiàn)的閃爍式電擦寫達(dá)幾萬(wàn)次以上,比以往慣用的8031CPU外加EPROM為核心的單片機(jī)系統(tǒng)在硬件上具有更加簡(jiǎn)單、方便等優(yōu)點(diǎn),而且完全兼容MCS51系列單片機(jī)的所有功能。該單片機(jī)系統(tǒng)的工作流程是這樣的:89C52單片機(jī)利用自身具有的串行通信口,直接接收PC機(jī)傳送下來(lái)的串行數(shù)據(jù)——各被控參數(shù)的給定值,同時(shí)顯示在PC機(jī)界面和本系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的顯示器上?，F(xiàn)場(chǎng)返回的信號(hào)通過(guò)隔離,經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成單片機(jī)所需的并行數(shù)字信號(hào)送到單片機(jī)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元中,再由串行口返送到PC機(jī)上,同時(shí)顯示在PC機(jī)界面和本系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的顯示器上,以便于預(yù)置和實(shí)際情況相對(duì)比。

3 軟件設(shè)計(jì)

???軟件設(shè)計(jì)分上位機(jī)(PC機(jī))Visual Basic編程和89C52單片機(jī)語(yǔ)言編程兩部分,現(xiàn)分別介紹如下。

3.1 上位機(jī)部分

　　在設(shè)計(jì)無(wú)毒提金攪拌設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí),上位機(jī)主要擔(dān)當(dāng)命令發(fā)送、參數(shù)設(shè)置、報(bào)警及數(shù)據(jù)處理與存檔等任務(wù)。它主要包括:

　　(1)設(shè)置有效的控制參數(shù),包括:水浴溫度的給定值及其正、負(fù)偏差,電機(jī)轉(zhuǎn)速的給定值及其正、負(fù)偏差,反應(yīng)液PH值的給定值及其正、負(fù)偏差,反映液電位的給定值及其正、負(fù)偏差。

　　(2)數(shù)據(jù)的采集與處理。上位機(jī)不斷檢索下位機(jī)數(shù)據(jù)區(qū)中的水浴溫度值、電機(jī)轉(zhuǎn)速值、反應(yīng)液PH值與電位值的瞬時(shí)值,并將其隨時(shí)間的變化情況顯示于計(jì)算機(jī)屏幕上。如遇數(shù)據(jù)異常,及時(shí)置報(bào)警位,正常及報(bào)警數(shù)據(jù)以一定的格式分別存在兩個(gè)文件中,以備檢索。

　　(3)向下位機(jī)發(fā)送操作指令,監(jiān)測(cè)各執(zhí)行部件及系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

　　(4)建立和維護(hù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù),主要是各被控參數(shù)的測(cè)量值。

　　根據(jù)上述上位機(jī)的任務(wù),確定上位機(jī)的軟件結(jié)構(gòu),如圖3所示。

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3.2 單片機(jī)部分

　　在無(wú)毒提金攪拌設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)中,為了便于技術(shù)人員能在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)與調(diào)試,在設(shè)計(jì)本系統(tǒng)時(shí),將下位機(jī)設(shè)計(jì)成一個(gè)單獨(dú)的處理系統(tǒng),它能獨(dú)立完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、設(shè)置給定值、控制被控設(shè)備及實(shí)時(shí)顯示等功能。同時(shí),下位機(jī)還能與上位機(jī)進(jìn)行通信,接收上位機(jī)的命令,向上位機(jī)實(shí)時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)。

　　根據(jù)上述下位機(jī)的任務(wù),確定下位機(jī)的軟件結(jié)構(gòu)。其主要模塊有:數(shù)據(jù)輸入模塊、數(shù)據(jù)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(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)下位機(jī)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(jiǎn)單說(shuō)明單片機(jī)部分軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程。

　　根據(jù)無(wú)毒提金工藝過(guò)程的工況要求和各個(gè)參數(shù)的特點(diǎn)及存在的各種干擾情況,在深入分析其機(jī)理的基礎(chǔ)上,將最優(yōu)控制、模糊控制、PID控制結(jié)合在一起,作者提出了一種具有快速性和靈敏性的智能復(fù)合控制方案。該控制方案既對(duì)PID算法加以改進(jìn)保留,如在傳統(tǒng)PID調(diào)節(jié)中加入新的微分積分作用,對(duì)給定值與測(cè)量值變化造成的偏差分別采用不同的調(diào)節(jié)方式等等,又加入一些模糊調(diào)節(jié)算法的規(guī)則。在偏差大時(shí),希望攪拌設(shè)備控制系統(tǒng)各控制參數(shù)能快速跟隨調(diào)整,而對(duì)控制精度要求相對(duì)降低,所以擬采用快速PID控制方案;當(dāng)偏差趨小時(shí),為了減小超調(diào)量,提高系統(tǒng)的控制精度,故擬采用模糊控制為主、最優(yōu)控制為輔的控制方案。該控制方案具有超調(diào)小、控制精度高、參數(shù)確定簡(jiǎn)單、對(duì)復(fù)雜對(duì)象也能獲得較好的控制效果等特點(diǎn)。

根據(jù)各被控參數(shù)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(yōu)控制子程序流程圖,如圖5所示。

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4? 系統(tǒng)抗干擾措施

　　工業(yè)生產(chǎn)中的干擾一般都是以脈沖的形式進(jìn)入微機(jī),干擾竄入系統(tǒng)的渠道主要有三條:空間干擾(場(chǎng)干擾),通過(guò)電磁波輻射串入系統(tǒng);過(guò)程通道干擾,通過(guò)與主機(jī)相連的前向通道、后向通道及與其它主機(jī)的相互通道進(jìn)入;供電系統(tǒng)干擾。一般情況下,空間干擾在強(qiáng)度上遠(yuǎn)小于其它兩個(gè)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(jī)系統(tǒng)中應(yīng)重點(diǎn)防止供電系統(tǒng)與過(guò)程通道的干擾。

　　系統(tǒng)抗干擾設(shè)計(jì)主要從軟件和硬件兩方面考慮。在軟件上,采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),在進(jìn)行數(shù)據(jù)處理之前,先對(duì)采樣值進(jìn)行數(shù)字濾波處理;在硬件方面,采用合理的系統(tǒng)電路布局、考究的印刷電路走線和電源去耦,過(guò)程通道中采用光電隔離。軟件措施和硬件措施同時(shí)使用,極大地提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。

??? 本攪拌設(shè)備自動(dòng)控制系統(tǒng)在無(wú)毒提金新工藝研究與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用中,取得了令人滿意的結(jié)果。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,水浴溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量與控制精確度極高(±1.5%以內(nèi)),反應(yīng)液PH值與電位值的測(cè)量精確度也很高(±2%以內(nèi)),只是與水浴溫度和電機(jī)轉(zhuǎn)速控制相比,這二者的控制精度稍低了點(diǎn)(±5%以內(nèi)),這主要是因?yàn)榇硕叩膽T性作用較大,動(dòng)作性稍差了些。這些還有待于進(jìn)一步進(jìn)行硬件的配置及軟件的優(yōu)化。

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參考文獻(xiàn)

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