矿石样品前处理自动化仪器控制系统开发.pdf

第 29 卷增刊 2 2020 年 10 月 中 国 矿 业 CHINA MINING MAGAZINE Vol . 29 ， Suppl 2 Oct . 2020 收稿日期 2020-09-04 责任编辑 刘硕 第一作者简介 邹敏红（1988 － ） ， 女 ， 硕士 ， 研究方向为选冶分析仪 器 ， E-mail zouminhong＠ bgrimm . com 。 引用格式 邹敏红 ， 田锐 ， 赵宇 . 矿石样品前处理自动化仪器控制系 统开发［J］ . 中国矿业 ， 2020 ， 29（S2） 145-148 ， 162 . doi 10 . 12075／j . issn . 1004-4051 . 2020 . S2 . 040 矿石样品前处理自动化仪器控制系统开发 邹敏红1 ， 2 ， 3，田 锐1 ， 2 ， 3，赵 宇1 ， 2 ， 3 （1 .矿冶科技集团有限公司 ，北京 102628 ； 2 .矿冶过程自动控制技术国家重点实验室 ，北京 102628 ； 3 .矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室 ，北京 102628） 摘 要 矿石样品前处理自动化是指通过自动化手段完成样品分析前处理流程 ， 其控制系统作为整体的 核心需具备小 、 快 、 灵的特点 。 嵌入式系统集软 、 硬件一体 ， 具有体积小 、 实时性强 、 低功耗等优点 。 本文基 于嵌入式实时系统平台开发矿石样品前处理自动化仪器控制系统 ， 实现矿石样品称重 、 加酸 、 消解 、 震荡 、 定容 、 清洗等一系列流程 ， 在有效确保前处理质量的同时 ， 大大降低了前处理流程中对人力资源的需求 ， 提 升了对操作人员的劳动保护 。 关键词 矿石样品前处理自动化 ；嵌入式系统 ；控制系统 中图分类号 TD463 文献标识码 A 文章编号 1004-4051（2020）S2-0145-04 Development of automatic instrument control system for ore sample pretreatment ZOU Minhong1 ， 2 ， 3，TIAN Rui1 ， 2 ， 3，ZHAO Yu1 ， 2 ， 3 （1 .BGRIMM Technology Group ，Beijing 102628 ，China ； 2 .State Key Laboratory of Mining and Metallurgy Process Automatic Control Technology ， Beijing 102628 ，China ； 3 .Beijing Key Laboratory of Mining and Metallurgy Process Automatic Control Technology ， Beijing 102628 ，China） Abstract Automation of ore sample pretreatment refers to the completion of sample analysis pretreatment process by means of automation .As the core of the whole ，the control system should be small ， fast and flexible . Embedded system integrates software and hardware ， and has the advantages of small size ， strong real-time perance and low power consumption . Based on the embedded real-time system plat ， this paper develops an automatic instrument control system for ore sample pretreatment ， which realizes a series of processes such as ore sample weighing ， acid adding ， digestion ， vibration ， constant volume ， cleaning ， etc .， which can effectively ensure the quality of pretreatment ， greatly reduce the demand for human resources in the pretreatment process ， and improve the labor protection of operators . Keywords ore sample pretreatment automation ；embedded system ；control system 样品前处理自动化是指通过自动化的手段实现 样品前处理流程的自动化 ， 目前已广泛在医疗 、 生物 领域实现应用 。 在冶金分析化学领域 ， 矿石样品前 处理自动化技术程度低 ， 且矿石样品的特殊性和前 处理过程的复杂性直接导致了自动化实现的难度较 高 ［1］ 。 随着“中国制造 2025”的提出以及智慧 、 绿色 矿山的推进 ， 矿山对样品分析的数量 、 精确性 、及时 性 、 分析人员的综合素质以及操作人员的劳动保护 提出了更高的要求 ， 市场对矿石样品前处理自动化 技术的需求越来越迫切 。 矿石样品前处理自动化仪器以机器人为核心机 构 ， 代替人手完成从称重 、 加酸 、 消解 、 震荡 、 定容 、 清 洗等一系列流程 。 在有效确保前处理质量的同时 ， 大大降低了前处理流程中对人力资源的需求 ， 提升 了对操作人员的劳动保护 。 矿石样品前处理自动化 中 国 矿 业第 29 卷 仪器对控制系统要求较高 ， 不仅要求能够快速 、 准确 的实现各执行机构的运动 ， 基于不同操作模块的原 因还需要同时兼顾 232 、 485 、 DI／O 、 AI 等接口 ， 传统 的 PLC 很难满足需求 。 PLC 虽然存在性能可靠 、 编程容易等优点 ， 但是也存在兼容性差 、 结构体系封 闭等缺点 。 随着嵌入式控制器硬件成本逐步降低及 嵌入式实时操作系统的迅速发展 ， 嵌入式系统正逐 步取代传统 PLC 技术 ［2］ 。 本文矿石样品前处理自 动化仪器控制系统开发包括需求分析 、 设计方案 、 硬 件设计 、 软件设计等 。 1 矿石样品前处理自动化仪器控制系统设计 矿石样品前处理自动化仪器实验样机结构如图 1 所示 。 矿石样品前处理自动化仪器的结构设计有 高精度蠕动泵 、 桁架式机器人 、 样品管 、 注射泵 、 样品 管 、 旋转式固体加样 、 红外消解 、 震荡混合模块 、 反应 容器清洗 、 高精度称重模块等部分 。 其控制系统控 制部分及需求情况见表 1 。 图 1 矿石样品前处理自动化仪器结构图 Fig . 1 Structure diagram of automatic instrument for ore sample pretreatment 矿石样品前处理自动化仪器的控制系统部分包 括桁架主体 、 加样（盐 、 硝 、 硫 、 水）、 消解 、 混合 、 过滤 、 定容 、清洗 、上位机通讯等步骤 。 通讯接口有 RS485 、 RS232 ， 数字量输出 DO 接口 、数字量输入 DI 接口 、 模拟量输入 AI 接口 、 上位机通讯以太网接 口 。 这些接口主要控制伺服电机 、 步进电机 、夹爪 、 称重模块读数 、 蠕动泵启停 、 加热器启停 、 温度检测 、 摇床启停 、 摇床变速 、 摇床位置反馈等 。 表 1 控制部分 、 I／O及通讯接口需求统计 Table 1 Control part ， I／O and communication interface demand statistics 步骤控制部分接口数量需求 1�桁架主体 RS485 接口3� X 、 Y 、Z三个方向伺服 电机控制器 RS485 接口1�θ旋转步进电机控制器 DO 接口1�夹爪控制 2�加样 RS232 接口1�称重模块读数（配合 MOXA） RS485 接口2� 步进控制器 （加样自转 、 加样绕转） DI 接口1�控制加样步进电机初始化原点 3� 加液（盐 、 硝 、 硫 、 水） DO 接口4�控制蠕动泵启停 4�消解 DO 接口1�控制加热器启停 AI 接口1�检测温度 5�混合 DO 接口2�摇床启停控制 、 摇床变速控制 DI 接口1�摇床位置反馈 6�过滤DO 接口1�控制蠕动泵启停 7�定容 RS232 接口1�注射泵控制 RS485 接口1�模组步进电机控制器 8�清洗 RS485 接口1�步进电机控制 DO 接口1�夹爪控制 DI 接口1�控制清洗步进电机初始化原点 9�上位机通讯 以太网接口1�与一体化电脑进行通讯 2 嵌入式控制系统开发 嵌入式系统是一种包含硬件和软件的完整计算 机系统 ， 但其与通用计算机系统又不同 ， 它是对对象 进行自动控制而使其具有智能化并可嵌入对象体系 中的专用计算机系统 。 嵌入式系统具有专用性强 、 可裁剪性好 、 实时性与可靠性好 、 功耗低等特点 。 嵌 入式系统由硬件和软件组成 ， 是能够独立进行运作 的器件 。 其软件内容只包括软件运行环境及其操作 系统 ， 硬件内容包括信号处理器 、 存储器 、通信模块 等内容 。 通过 I／O 和通讯的需求 ， 矿石样品前处理自动 化仪器控制系统采用 STM32 系列微控制器 。 目前 STM32 系列微控制器在工业仪器仪表开发上应用 较为广泛 ， 其 I／O 及通讯接口丰富 ， 配合 FSMC 总 线扩展相应的外设可以实现控制系统需求 。 矿石样品前处理自动化仪器控制系统的软件设 计采用μC／OS-Ⅱ 嵌入式实时操作系统作为软件调 度平台 ［4］ 。 μC／OS-Ⅱ 嵌入式实时操作系统绝大多 数代码是用 C 语言编写的 ， 只有极少数与处理器密 切相关的代码是用汇编语言编写 ， 代码的功能划分 十分明确 ， 具有良好的可移植性 ， 因此容易移植到各 641 增刊 2邹敏红 ，等 矿石样品前处理自动化仪器控制系统开发 类 8 位 、 16 位和 32 位嵌入式处理器上 。 μC／OS-Ⅱ 可以创建多个任务 ， 通过任务控制块对这些任务进 行管理 ， 任务控制块包含任务名称 、优先级 、任务状 态 、 堆栈基地址等信息 。 μC／OS-Ⅱ 能提供任务管 理 、 时间管理 、 进程调度 、任务间通讯及内存管理等 功能的系统服务 ［5］ 。 2 . 1 嵌入式控制系统硬件设计 本文开发的矿石样品前处理自动化仪器控制系 统所使用的嵌入式控制器选择 STM32 F2 系列芯 片 。 STM32 F2 系列芯片基于 90 nm 工艺具有更高 的效率 ， 极致发挥 Cortex-M3 功能 ， 更低的动态功 耗 ， 更多灵活创新的高性能外设 ， 更高的集成度等特 点 。 实时性能体现在使用自适应实时闪存加速器使 得芯片可以在片内闪存上以 120 MHz 的高速零等 待地执行代码 ， 从而最大化地发挥了 Cortex-M3 内 核的性能优势 。 32 位多 AHB 总线矩阵最多支持 6 个同步数据流 ， 总线主设备包括通用 DMA1 8 个通 道 、 通用 DMA2 8 个通道 、 以太网 MAC 专用 DMA 、 USB OTG 高 速 专 用 DMA ；总 线 从 设 备 包 括 FSMC 、AHB2 上的外设 ， AHB1 上的外设 ， 16K 字 节 SRAM 、 112 字节 SRAM 、1M 字节 Flash 。 更低 的动态功耗归功于 90 nm 工艺使得 CPU 内核工作 电压低至1 . 2 V 和实时闪存加速器减少了访问片上 闪存的次数 。 更多灵活创新的高性能外设如支持高 速模式的 USB OTG 、视频传感器接口 。 更高的集 成度主要是片上集成 Flash 和 SRAM 为用户数据 和代码提供了充足的存储空间 ， 内置灵活的电源管 理和监控电路 。 矿石样品前处理自动化仪器控制系 统硬件设计框图如图 2 所示 。 图 2 的硬件设计框图表示除 1 路 RS232 、 2 路 RS485 外 ， 其余的外设均是通过 FSMC 总线进行扩 展实现 ， 为了保持驱动的统一性 ， 我们选择直接扩展 以太网 、扩展 SRAM 和 FRAM 、扩展 DI／DO 接口 和扩展 AI 接口 ［6］ 。 FSMC（flexible static memory controller ）是灵 活的高速外部存储器接口 ， 它是 STM32 的一个外 设 ， 其作用是用于扩展片外存储器和外设 。 功能是 扩展外部 SRAM 、NOR FLASH 、NAND FLASH 、 ROM 、PC 卡等 。 FSMC 包含四个主要模块 AHB 接口 （包 括 FSMC 配 置 寄 存 器 ） ，NOR Flash／ PSRAM 控制器 ， NAND Flash／PC 卡控制器和外部 器件接口 。 FSMC 模块可以用来外接静态随机访问 存储器 SRAM 、只读存储器 ROM 、NOR Flash／ OneNAND Flash 、PSRAM 4 个存储区域 。 本文设 计的控制系统采用 NE1 直接连接 SRAM ， NE2 译 图 2 控制系统硬件设计框图 Fig . 2 Hardware design block diagram of control system 码后连接扩展的以太网及 FRAM 等 ， NE3 译码后 连接扩展 DI／DO 接口及 AI 接口等 。 嵌入式控制 器中的 RS485 电路和 FARM 电路设计 ， 分别如图 3 所示和如图 4 所示 。 RS485 电路的作用是将微处理器发送的 TTL 信号转换成通讯网络中的差分信号来与控制 X 、Y 、 Z 轴的外部伺服电机进行通讯 。 FRAM 即铁电存储器 ， 是利用铁电晶体材料这 一特性制作的 。 FRAM 拥有高速读写 ， 超低功耗和 无限次写入特性 。 FRAM 把分离的 SRAM 和 E 2 PROM 器件整合到一起 ， 为整个系统节省功耗 、成 本及空间 ， 同时增加了整个系统的可靠性 。 FRAM 具备掉电存储功能 ， 断电情况下能保存数据不变 ， 用 于设备参数存储 。 2 . 2 嵌入式系统软件设计 矿石样品前处理自动化仪器控制系统软件上采 用μC／OS-Ⅱ 嵌入式实时操作系统平台进行任务设 计 ， 既保证了实时性又缩短了编写功能模块调度算 法的时间 。 软件设计工作主要包括数据采集模块 、 数据处理模块 、 数据通讯模块 、 人机交互模块及用户 任务设计等 ［7］ 。 上位机采用 Windows 系统 ， 它具有 高度的模块化 、良好的人性化界面 、多硬件平台支 持 、 较好的实时性等特点 ［8］ 。 上位机将进行人机交 互 、 I／O 信号的处理 、 数据记录和存取以及发出控制 命令给桁架式机器人 ［9］ 。 下位机嵌入式控制器则进 行伺服电机 、 步进电机 、 夹爪等运动控制 ， 脉冲指令 的发送 、 反馈信息的处理和安全保护 ［10］ 。 下位机软 741 中 国 矿 业第 29 卷 图 3 RS485 电路 Fig . 3 RS485 circuit 图 4 FRAM电路 Fig . 4 FRAM circuit 件使用 Keil MDK V5 进行编译 ， 最终实现对矿石样 品前处理自动化仪器的控制 。 矿石样品前处理自动化仪器软件的主要控制流 程设计为控制系统通过控制桁架式机器人完成样品 的固体加样 、 加液（盐 、 硝 、 硫 、 水）、 消解 、 混合 、 过滤 、 定容 、 清洗等流程 ， 再通过上位机软件进行通讯完成 一系列操作 。 其软件主要设计流程图如图 5 所示 。 3 结 语 针对矿石样品自动检测需求 ， 试制出矿石样品 前处理自动化仪器实验样机 ， 自主开发了嵌入式控 制系统（图 6 和图 7）。 本文基于矿石样品前处理实验样机开发了嵌入 式控制系统 ， 将所有逻辑结构整合在程序内部 ， 通过 信号的分析 ， 确立时序动作 ， 完成桁架式机器人与上 下位机之间的通讯 。 经过运行测试 ，基于矿石样品 图 5 矿石样品前处理自动化仪器软件设计流程图 Fig . 5 Software design flow chart of ore sample pretreatment automation instrument （下转第 162 页） 841 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