压滤机组协调控制系统嵌入式管理终端设计.pdf

工矿自动化 Ind us t r y and Mine Aut o mat io n 第45卷第11期 2019年11月 Vo l . 45 No . 11 No v. 2019 文章编号1671-251X201911-0102-07DOI 10. 13272/j. is s n. 1671-251x . 2019040006 压滤机组协调控制系统嵌入式管理终端设计 翟延忠】，欧阳昇2, 李红军3,宋永强 （1.华北科技学院电子信息工程学院，北京101601； 2.华北科技学院研究生院，北京101601； 3・冀中能源峰峰集团有限公司邯郸洗选厂，河北邯郸056000） 扫码移动阅读 摘要目前压滤机组自动协调控制方法有2种一种是基于PLC实现分布式控制，但PLC的主从式通 信性能较低；另一种是将整个压滤机组作为一个整体重新设计，由1个PLC控制柜实现联机控制，但移植与 扩展较困难。根据压滤机组协调控制系统需兼具分布式与高性能通信的要求，针对压滤机的启停、进料、卸 料环节的配合问题，设计了一种压滤机组协调控制系统嵌入式管理终端。该终端采用STM32F407ZGT6微 控制器，基于精矿槽液位、压滤机性能、启停状态、进料口位置等因素，由协调管理终端做出启停、进料及卸料 等决策，通过CAN通信控制各台压滤机运行，从而实现压滤机组的协调控制。实际应用表明，管理终端的 引入实现了压滤机组的自动启停管理、按优先级运行、自动进料、自动卸料等协调管理功能，减轻了操作人员 的劳动强度，避免了矿浆溢出与堆料事故的发生。 关键词选煤厂；压滤机组协调控制；精矿槽液位；协调管理任务；管理终端；CAN通信 中图分类号TD948 文献标志码A Des ig n o f embed d ed manag ement t er minal o f c o o r d inat ed c o nt r o l s ys t em o f f il t er pr es s g r o up ZHAI Yanzh o ng1 , OUYANG Sh eng2, LI Ho ng jun3, SONG Yo ng q iang3 1. Sc h o o l o f El ec t r o nic Inf o r mat io n Eng ineer ing , No r t h Ch ina Ins t it ut e o f Sc ienc e 2. Gr ad uat e Sc h o o l , No r t h Ch ina Ins t it ut e o f Sc ienc e 3. Hand an Co al Was h er y, Jizh o ng Ener g y Feng f eng Gr o up Co . , Lt d . , Hand an 056000, Ch ina Abstrac t At pr es ent , t h er e ar e t wo met h o d s o f aut o mat ic c o o r d inat ed c o nt r o l o f f il t er pr es s g r o up o ne is t o r eal ize d is t r ibut ed c o nt r o l bas ed o n PLC, but c o mmunic at io n per f o r manc e o f PLCzs mas t er -s l ave is l o w; t h e o t h er is t o r ed es ig n t h e wh o l e f il t er pr es s g r o up as a wh o l e and r eal ize o n-l ine c o nt r o l by o ne PLC c o nt r o l c abinet , but it is d if f ic ul t t o t r ans pl ant and ex pand . Ac c o r d ing t o r eq uir ement o f bo t h d is t r ibut ed and h ig h per f o r manc e c o mmunic at io n o f c o o r d inat ed c o nt r o l s ys t em o f f il t er pr es s g r o up, an embed d ed manag ement t er minal o f c o o r d inat ed c o nt r o l s ys t em o f f il t er pr es s g r o up was d es ig ned f o r c o o r d inat io n o f s t ar t and s t o p, f eed ing and unl o ad ing l ink s o f f il t er pr es s . Th e t er minal ad o pt s STM32F407ZGT6 mic r o c o nt r o l l er . Bas ed o n t h e f ac t o r s s uc h as c o nc ent r at e t ank l evel , f il t er pr es s per f o r manc e, s t ar t and s t o p s t at e, f eed po r t po s it io n, t h e t er minal mak es s t ar t and s t o p, f eed and unl o ad d ec is io ns , and c o nt r o l s t h e o per at io n o f eac h f il t er pr es s t h r o ug h CAN c o mmunic at io n, s o as t o r eal ize t h e c o o r d inat ed c o nt r o l o f t h e f il t er pr es s g r o up. Th e pr ac t ic al appl ic at io n s h o ws t h at t h e int r o d uc t io n o f t h e manag ement t er minal 收稿日期2019-04-02修回日期2019-07-29 ；责任编辑张强。 基金项目中央高校基本科研业务费资助项目3142018048。 作者简介翟延忠1965-,男，河北邯郸人，教授，博士，主要研究方向为工业生产自动化与信息化、嵌入式技术开发与应用，E-mail zid o ng k o ng zh i 126. c o mo 引用格式翟延忠，欧阳昇，李红军，等.压滤机组协调控制系统嵌入式管理终端设计[J].工矿自动化,2019,4511102-10 c o o r d inat ed c o nt r o l o f f il t er pr es s g r o up; c o nc ent r at e t ank l evel; c o o r d inat e manag ement t as k; manag ement t er minal; CAN c o mmunic at io n 0引言 压滤机是以煤泥水为原料，通过加压过滤挤出 煤泥水中大量水分，以形成煤饼卸料的压滤设 备〔曲。在选煤生产中，上游工艺产出的矿浆注入精 矿槽。由于精矿槽容积及压滤机处理量有限，再加 上压滤机的作业周期长约20 min,为及时处理矿 浆，选煤厂通常配置多台压滤机构成压滤机组⑺门。 每台压滤机下部安装有刮板输送机，压滤后形成的 煤饼先跌落至小刮板输送机上，然后再转载到总刮 板输送机上送入煤仓。 压滤机出厂时均按独立运行设计制造，投入运 行后，压滤机之间的协调控制一般由人工操作。操 作人员需要综合各压滤机运行状态、精矿槽液位做 出决策，对操作人员的操控能力与专注度要求较高， 难以保证压滤机组可靠、稳定生产。实际生产中压 滤机组存在协调配合方面的问题 1 生产过程中精矿槽液位不断变化，液位高 时，应多开压滤机，以防止矿浆溢出，反之则应少开 或停开压滤机。要求操作人员时刻关注液位，及时 做出正确反应，否则极易造成生产事故。 2 各压滤机性能不同，性能高的压滤机应优 先运行。而依赖人工操作难以控制，从而影响生产 效率。 3 多台压滤机同时进料时，如果进料口位置 相近，会因相互抢料而导致进料效率低。 4 刮板输送机输送能力有限，多台压滤机同 时卸料时，易出现堆料事故。 为实现压滤机组的自动协调控制，目前常用以 下2种解决方案。 1 压滤机控制终端基于PLC实现，增设1台 PLC控制器用于各压滤机的协调管理，另设一个 HMIHuman Mac h ine Int er f ac e,人机交互接口用 于系统的监控管理，与各压滤机控制终端间通过 Pr o f ibus -DP总线连接。枣庄矿业集团高庄选煤厂 的尾煤浓缩压滤联机自动化系统⑷就采用了该 方案。 ， 2 改造原压滤机的PLC控制装置，将整个压 滤机组作为一个整体重新设计，由1个PLC控制柜 实现联机控制，该方案见于枣庄矿业集团蒋庄煤矿 选煤厂⑼。 方案1基于PLC实现了分布式控制，不足之处 在于PLC的主从式通信性能较低。方案2采用集 中控制方式，避开了复杂的通信管理，对系统进行了 重新整合，但移植与扩展较困难。针对以上问题，本 文采用基于CAN总线的分布式智能控制方案，为 每台压滤机配置具有CAN通信功能的控制终端， 基于嵌入式处理器设计了管理终端，设计了以管理 终端为核心的压滤机组协调控制系统，实现了压滤 机组的协调控制，并将管理功能与HMI合二为一， 使系统兼具分布式与高性能通信的特点。 1压滤机组协调控制系统设计 通过对压滤机组协调配合问题的分析与方案比 较，设计了如图1所示的压滤机组协调控制系统。 験入式 管理终端 CAN总线 控制终端1 控制终端2 控制终端N 压淀机1 压淀机2 压淀机N 图1压滤机组协调控制系统 Fig . 1 Co o r d inat ed c o nt r o l s ys t em o f f il t er pr es s g r o up 该系统以管理终端为核心，由管理终端与分属 各压滤机的控制终端及交互终端组成，相互之间通 过CAN总线连接。其中控制终端负责控制压滤机 本体运行，交互终端用于实现压滤机的交互操控功 能。管理终端接入精矿槽液位信号，根据精矿槽液 位和压滤机运行状态，按照决策算法得出各台压滤 机的启动、停止等管理决策，然后通过CAN总线将 决策信息传输至相应的控制终端，由控制终端控制 压滤机动作，从而实现压滤机组的协调控制，相关信 息同时在交互终端的界面上显示。系统中，管理终 端还可与PC端通过以太网相连，实现PC端对压滤 机组的网络监控。本文重点介绍管理终端的设计。 104 工矿自动化第45卷 2管理终端硬件设计 管理终端硬件结构如图2所示。 声光 报警器 精矿槽 液位 c S 24C02 It Fc II LCD触摸屏| SRAM | JI t It CAN总线 的传输方式为帧传输方式，每帧最多可发送8 byt e 数据，比RS485总线的通信效率高，且其标准本身 带有CRC错误检测机制训；CAN总线技术非常 适于可靠性要求高、传输短信息的分布式工业控制 网络。所以，本文采用CAN总线实现压滤机组的 通信。 STM32F407ZGT6处理器内置有CAN总线控 制器，仅需外扩CAN总线驱动器，驱动芯片选用 VP230,工作电压为3.3 V,芯片的CAN发送（CAN_ TX）、CAN 接收（CAN _ RX）分别连接 STM32F4O7ZGT6 处理器的 CAN_TX、CAN_RX 引脚,CAN收发芯片的CAN_H和CAN_L连接到 压滤机组协调控制系统的CAN总线上，可实现最 高1 Mbit/s的通信速率M叭 STM32F40ZGT67还内置有以太网MAC层控 制器，通过 RMII （ Red uc ed Med ia Ind eped ent Int er f ac e,简化媒体独立接口）与外部PHY层芯片 LAN8720A连接，可将管理终端接入100 Mbit/s以 太网络〔叭 2.4 显示模块 管理终端的人机界面采用分辨率为800 X480 的电容式触摸屏实现。触摸屏通过处理器的FSMC 接口连接，触摸功能通过『C接口实现。由于界面 显示内容丰富，处理器自身内存不足，所以外扩了 一片1 MB的SRAM,SRAM同样采用FSMC接口 与处理器连接，其中FSMC中Bank l的区域地址 （0 x68000000 - 0 x 6BFFFFFF）由 SRAM 所使用, Bank l 的区域地址（Ox 6COOOOOO〜0 x 6FFFFFFF）由 触摸屏所使用〔⑷。 2. 5 液位监测 由于压滤机组共享一个精矿槽，管理终端在实 现协调管理时需要实时采集精矿槽液位，来自精矿 槽中的液位传感器输出420 mA电流，电流经过 156 0精密电阻转换为0.62〜3.12 V电压，并输入 2019年第11期翟延忠等压滤机组协调控制系统嵌入式管理终端设计 105 到处理器的12位ADC接口。 3管理终端软件设计 3.1 软件总体架构 管理终端应能够监测精矿槽液位，接收控制终 端的压滤机运行状态信息，发送压滤机组协调控制 指令，提供相应的画面显示，响应以太网的网络请求 等。根据上述功能之间相对独立的特点，基于 Fr eeRTOS实时多任务操作系统，将管理终端需要 完成的工作分成多个任务，由Fr eeRTOS调度器调 度任务运行，使用信号量和事件标志组实现任务间 同步,使用消息队列实现任务间数据传递⑴-设计 的嵌入式管理终端软件架构如图4所示。 获取当前已启动的 压滤机数量0 获取当前液位需要 启动的压滤机数量町 发送启动命令 发送停止命令 MSG_SWITCH_ON MSG_SWITCH_OFF 任务间通信信号量、消息队列、事件标志组 C A NRxolIRQHand 一 er 液位监测任务 丄 C A N处理任务 协调管理任务 H M I任务 触摸任务 C A N通信诊断任务 以太网通信任务 Fr eeRTOS任务调度器 发送反对命令 MSG_OPPOSE 发送反对命令 MSG_OPPOSE 萩取进料请求 状态的压濾机机号 图4嵌入式管理终端软件架构 Fig . 4 So f t war e s t r uc t ur e o f embed d ed manag ement t er minal 3.2 协调管理任务设计 压滤机组协调控制的关键在于管理终端根据精 矿槽液位和压滤机的启停状态以及压滤机的进料、 卸料状态做岀配合决策。这些功能主要由协调管理 任务实现，其他任务与之配合。协调管理任务流程 如图5所示。 3.2.1压滤机组的启动与停止实现 压滤机的启停台数与精矿槽液位密切相关。设 压滤机组中共有N台压滤机，精矿槽高度为H,将 H等分成N 1个区间，各区间分别对应需启动的 ngnWN台压滤机。此外，相邻区间之间的界限 应有适当的重叠，以免液位在临界值附近变化时， “值在2个相邻区间频繁变化，所以，设置重叠区域 为区间大小的1/4。若精矿槽液位为爪则当前需启 动的压滤机台数“可由下式求得 H 4N 1 1 n 8 N 12 式中为重叠区大小“。皿分别为当前启动的压滤 图5协调管理任务流程 Fig . 5 Co o r d inat io n manag ement t as k f l o w 机台数和下一步需启动的压滤机台数，”。的初始值 为0,”为整数，计算时需向下取整。 在协调管理任务中，％是执行函数Get _o pened _ num获得的当前已启动的压滤机台数。Get _s et _ numuns ig ned int /0函数根据式2获得精矿槽液 位为人时需要启动的压滤机台数“，液位人由液位 监测任务获取。 将n和“0相比较，如果nn0，则需要加开压滤 机，为使高性能压滤机优先运行，依据每台压滤机性 能赋予不同的优先级，Get _ad d _num函数用于获 得停止的且优先级最高的压滤机机号，通过总线向 相应控制终端发送启动命令MSG_ SWITCH, ON,控制终端收到命令后即启动该压滤机；如果 按照压滤机的优先级，选择正在运行的且优 先级最低的压滤机，通过总线向相应控制终端发送 停止命令MSG_ SWITCH_OFF,该控制终端收 到命令后，停止该压滤机运行。 3.2.2压滤机组的进料排队与卸料排队实现 压滤机组协调控制中，进料与卸料控制需根据 进料口位置和压滤机组运行状态来实现。在协调管 106 工矿自动化第45卷 理任务中，函数Get _as k ing 用来获取是否存在正 处于进料、卸料请求状态的压滤机。如果函数Get _ as k ing O的返回值为COMPRESS_OK,表示压滤机 组中存在压紧完毕且进入进料请求状态的压滤机， 然后通过函数Get _as k ing _num获取处在请求状 态的压滤机机号，若距离该压滤机较近的进料口有 正在进料的压滤机，则发送反对命令MSG_ OPPOSE,使该压滤机继续等待进料，否则不发送 命令。 如果Get _as k ing 函数的返回值为LOOSE_ OK,表示压滤机组中存在松开完毕且进入卸料请求 状态的压滤机，通过函数Get _as k ing _num获取该 压滤机机号，若已有2台或2台以上的压滤机正在 卸料，则发送反对命令MSG_OPPOSE,否则不发 送命令。发送命令均使用函数CAN_Send _Ms g _ Par au8* ms g ,u8 l en,uint 32 Id 实现，其中 ms g 表 示待发送的消息数组，l en表示待发送的消息长度， Id表示CAN消息中仲裁段的ID编码，将由ms g、 Id表示的命令信息通过CAN发送到指定的控制 终端。 3. 3 与协调管理任务配合的其他任务 3.3. 1液位监测任务 液位监测任务每隔3 s采集一次精矿槽液位， 将液位值保存在全局变量人中，由协调管理任务中 的Get _s et _num函数根据液位得出压滤机在该液 位下应启动的压滤机台数“。 3. 3. 2 CAN通信任务 CAN通信的实现分为2个部分，分别是用于接 收消息的CAN消息接收中断服务函数CAN_ RXO_IRQHand l er 和用于处理收到消息的CAN消 息处理任务，流程如图6所示。 a CAN消息处理任务流程 b CAN消息接收中断流程 图6 CAN通信流程 Fig . 6 CAN Co mmunic at io n f l o w CAN中断服务函数是管理终端以中断的方式接 收由控制终端发出的与管理终端相关的消息,在中断 服务函数中.把接收到的数据按固定顺序存入数组 CAN _ BUF []中。其中，CAN _ BUF [ 0 ]〜 CAN_BUF[7]保存 CAN 消息数据段,CAN_BUF[8] 保存CAN消息数据段长度，CAN_BUF[9]〜 CAN_BUF[10]保存CAN消息仲裁段即ID编码，操 作系统函数x QueueSend Fr o ml SR用于在中断服务 函数中将数据发送至队列，在这里将CAN_BUF口 数组数据发送至队列CAN_RXD_Queue[15] o CAN处理任务实时监测CAN消息队列CAN_ RXD_Queue是否为空，一旦队列非空，立即从队列 取岀消息并解析，将解析后得到的压滤机运行状态 及机号作为压滤机状态数据保存下来，使得管理终 端能够掌握每台压滤机的实际运行状态，然后通过 事件标志组通知HMI任务更新压滤机组运行状态 显示。 3. 3.3 触摸任务和HMI任务 管理终端需要校正液位转换系数，设置压滤机 优先级、压滤机进料口位置等重要参数，为此设计了 多个人机交互界面。通过触摸任务实时扫描触摸 屏，获取点击的触域位置，HMI任务根据所处界面 及触域位置切换相应界面。HMI任务还负责在主 界面上显示压滤机组运行状态、精矿槽液位以及决 策结果等信息。 3.3.4 CAN通信诊断任务 为了保证管理终端与各台压滤机正常通信， CAN通信诊断任务每隔3 s发送一次广播，控制终 端收到广播信息后会自动应答，以此判断通信正常 与否。利用事件标志组通知HMI任务，在界面上 显示通信状态。 3.3.5以太网通信任务 对于压滤机组协调控制系统来讲，管理终端是 系统的服务器，在以太网通信任务中运行以太网服 务程序，执行TCP/IP协议，接收网络访问请求，发 送相应的网页数据，从而实现压滤机组运行状态的 远程访问。 4管理终端应用 邯郸洗选厂原煤入洗量为650 t /h ,其中浮选的 处理量约220 t /h ,产生的精矿浆流入一个3 m高的 精矿槽。为实现精矿浆的脱水处理，企业先后安装 了5台快开压滤机。精矿槽中的精矿浆通过各自的 入料泵输送至压滤机，由于精矿槽的空间限制，5台 入料泵的进料口位置相距较近，液位较低时，同时进 料时会相互影响。压滤机压滤完成后产生的煤饼跌 落到各自的小刮板输送机，然后再转载到总刮板输 送机上，最终送入煤仓，因总刮板输送机负载能力有 限，最多只允许2台压滤机同时卸料。 2019年第11期翟延忠等压滤机组协调控制系统嵌入式管理终端设计 107 精矿槽的液位对压滤机组的运行有着重要影 响。为观察精矿槽的液位，安装了一只压力式液位 传感器。改造前，精矿槽的液位通过专门配置的数 显表显示。压滤机原控制器为S7-200,协调控制只 能通过人工实现。为此，需对原压滤机控制进行改 造。改造后，以管理终端为核心，建立了压滤机组协 调控制系统,液位信号直接接入管理终端，实现了压 滤机组状态信息及液位信息的集中显示，使用具有 CAN通信功能的嵌入式控制器代替原PLC控制 器。嵌入式管理终端主界面如图7所示，显示了压 滤机组运行状态、精矿槽液位以及决策信息等内容。 快开压滤机管理终端 机号工艺状态进料口优先级 436压紧工作14 437进料工作22 438取板工作31 j 439进料工作4 3 .； 440进料等待55 液位1.167 m 决策结果 关440 图7嵌入式管理终端主界面 Fig . 7 Main int er f ac e o f embed d ed manag ement t er minal 管理终端自2018年12月开始稳定运行。使用 中，重叠区大小设为12 c m,管理终端根据精矿槽液 位实时确定压滤机的启动台数，5台压滤机按能效 高低分配优先级。当液位变高，超过限值时，自动启 动能效最高的压滤机，而当液位变低，低于限值时， 则自动停止能效最低的压滤机，从而自动保持压滤 机组的高效运行。管理终端的进料功能消除了液位 低时的抢料现象，当出现某台压滤机正在进料而其 他压滤机压紧完成请求进料时，管理终端会拒绝请 求使其进入等待状态，直到上一台压滤机进料完成， 才会允许等待进料状态中的高优先级压滤机开始进 料，实现了进料排队功能。设置允许2台压滤机同 时卸料，当仍有其他压滤机请求松开时，管理终端会 要求其进入等待状态，直到有压滤机结束卸料状态， 实现了卸料的排队功能，使刮板输送机不致超限，避 免了堆料事故的发生。 压滤机组协调控制系统的投入运行大幅度地减 轻了操作人员的劳动强度，使生产管理人员的注意 力更多地转移到压滤机本身的维护运行上，保障了 压滤生产安全、平稳运行。 5结论 1管理终端以高性能嵌入式微处理器为核 心，采用Fr eeRTOS实时多任务操作系统，硬件电 路简单，软件根据功能独立、精简配合的原则分为 多个任务模块，降低了开发难度。 2 管理终端具有CAN总线通信功能，实现了 压滤机组控制系统的分布式智能控制，可根据压滤 机的精矿槽液位、压滤机优先级、进料口位置和压滤 机组运行状态，得出压滤机组的启停、进料及卸料决 策，通过总线通信管理控制各台压滤机，实现了压滤 机组的自动启停、按优先级运行、进料排队、卸料排 队等协调控制功能。 3 生产现场的实际运行证明，管理终端的引 入实现了压滤机组作业的协调控制，将操作人员从 对压滤机组的时刻关注与繁琐操作中解放出来，避 免了低效进料、精矿槽矿浆溢出及刮板输送机堆料 等事故，为压滤工艺的安全生产提供了保障。 4 管理终端仍有待改进之处，如压滤机组协 调配合时间间隔还需进一步精细调控，以使压滤机 组协调控制配合更加紧凑，期望在后续的开发中加 以改进。 参考文献Referenc es [1]陈文.选煤厂煤泥压滤自动控制系统研究[J]・能源技 术与管理,2019,443157-158. 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