一种表型提金工艺中搅拌设备的自动控制系统

    摘要：介绍了一种应用于线毒提金新工艺中搅拌设备的自动控制系统，对系统的硬件设计、软件设计、抗干扰措施及应用结果进行了较详细的阐述。

    关键词：自动控制系统 89C52单片机 硬件 软件 抗干扰

无毒提金（Nontoxic Processes for Extraction Gold）即改性石硫合剂法提金，是一种新型的提金工艺。改性石硫合剂是一种无毒提金溶剂，较之传统氰化法提金具有如下优点：价廉易得、浸金速度快、对难处理矿浸出率高、适应性强、无氰无污染等。无毒的金新工艺中的原有搅拌设备如图1所示。该搅拌设备所需控制的具体参数为：反应液的温度值（T）；搅拌机的搅拌杆转速（N）；反应液的酸大碱度（PH）和电位值（mV）；反应定时（t）。

1 搅拌设备的自动控制系统简介

本搅拌设备自动控制系统是以计算机控制为基础的各种信号预置系统。系统上位机采用一台PC586微机，软件采用Visual Basic编程，并通过串行口将所需的各种预置信号（数字信号）传给单片机系统，再由单片机系统产生实际的模似信号经线性光电隔离器送到搅拌设备。预置数值既可以通过上位机设置，也可以通过单片机设置。而且，预置数值可以分别显示在PC机软件窗口和单片机系统的预置显示器上。同时现场实测信号经过线性光电隔离器，也可以实时显示在本系统的检测显示器和PC机的界面上。如此设计，界面直观，而且利于对现场信号进行实时监测。因此，采用本系统，大大提高了现场信号预置精度，对实验操作人员来说人机界面良好，简单易懂。

2 硬件设计

系统硬件原理如图2所示。从原理图上可见，本系统关键的硬件部分是单片机系统，主要包括89C52单片机及其最小应用系统部分、前向通道配置（包括传感器的选择、A/D转换器的选择等）、后向通道配置（包括功率驱动器的选择、固态继电器及电磁阀的选择）中、人机通道配置（包括薄膜按键及显示器的设计）和相互通道配置（即单片机应用系统和上位机进行通信、控制）。上位机（PC机）则直接利用它的RS232串行口，通过一个RS232/RS485转换器即可实现与下位机的通信。

在本搅拌设备控制系统中，要控制的参数有温度、PH值、电位值、搅拌杆转速及定时等多个参数，且每个参数对应几个规格相同被控设备。上述几个参数中，温度的变化对无毒提金工艺有着重要的影响，从提高提金效率、减轻下位机的“劳动量”、使检测与控制得到迅速及时的处理来考虑，作者把温度这一参数作为一个重要参数，专门用一温度控制器作下位机，对温度进行单独控制。而PH值、电位值及转速值等用一个MCS-51系列单片机开发系统进行检测与控制。采用两个下位机的优点是：检测与控制迅速、及时、准确，从而提高了整个系统的效率。

在本搅拌设备控制系统中，反应液的温度（T）用一人工智能工业调节器作下位机进行测量与控制，它兼容热电偶及热电阻，考虑到进行温度补偿带来的诸多不便及经济因素，这里采用WZP-331（Pt100）铂热电阻作为测温传感器。对搅拌杆转速（N）的测量，选用ES77-C003NB型光电传感器，其产生的电脉冲信号直接输入到单片机的内部计数器，T1计数，软件延时一定时间后T1输出计数值，将其转化为r/min，即转速值：

n=(60×N)/( τ0×T0)

式中，N—带轮转数；

T0—N转内时钟周期数；

τ0—基准时钟周期，单位为s。

因反应液的PH值（PH）、电位值（mV）相互耦合，且PH值的改变对电位值的影响远比电位值的改变对PH值的影响要大，所以在对二者的测量中，分别选用PHS—9313型工业酸度计、变送器和ORP—9313型氧化还原电位计、变送器，它们是由高阻抗电子转换单元与玻璃电极传感器组成成一体化测量与显示的，且其输出形式为1～5V的标准电压，能够直接与单片机的A/D转换器连接。反应定时包括巡回检测上述四个信号的时间及其控制时间、整个系统的工作时间等。

在设计本搅拌设备控制系统时，为了控制系统的工作状态以及向系统输入数据（主要是上述五个参数的给定值及其正、负偏差的设置），从简化开发系统硬件电路的角度考虑，采用带有四个按键的薄膜按键进行系统的输入工作。四个按键的功能分别是：@健，依次显示各个参数及其对应的给定值；<健，选择要修改数据的位置；∧健，将要修改位置上的数据加1；∨健，将要修改位置上的数据减1.本系统的显示器设计，选用五位BS7R—1型LED显示，从右数起，第一至第四位显示各参数的给定值或测量值，第五位显示各功能参数对应的代号。

在本搅拌设备控制系统的后向通道设计中，因温度控制是通过给电炉丝通断电来实现的，故采用JGT—10F交流固态继电器来实现电炉丝的通断电。对搅拌杆转速的控制，采用的是脉冲宽度调制（PWM）方法，故采用JGX—5AF直流固态继电器调节占空比来控制单相串激式电机的转速值。对反应液的酸碱度（PH值）、电位值（mV）的控制，是通过滴加酸（H+）或碱（OH-）来调节酸碱度、通过滴加氧化剂或还原剂来调节电位值的，故采用JGX—1AF直流固态继电器控制电磁阀的吸合与断开，来控制四个放以上四种试剂的滴定管进行四种试剂的滴加工作，从而控制了反应液的酸碱度（PH值）和电位值（mV）。

本系统采用的CPU为89C52的单片微机。89C52本身带有8K的E2PRO和256B的RAM，可以在编程器上实现的闪烁式电擦写达几万次以上，比以往惯用的8031CPU外加EPROM为核心的单片机系统在硬件上具有更加简单、方便等优点，而且完全兼容MCS51系列单片机的所有功能。该单片机系统的工作流程是这样的：89C52单片机利用自身具有的串行通信口，直接接收PC机传送下来的串行数据——各被控参数的给定值，同时显示在PC机界面和本系统相对庆的显示器上。现场返回的信号通过隔离，经过A/D转换器转换单片机所需的并行数字信号送到单片机的数据存储单元中，再由串行口返送到PC机上，同时显示在PC机界面和本系统相对应的显示器上，以便于预置和实际情况相对比。

3 软件设计

软件设计分上位机（PC机）Visual Basic编程和89C52单片机语言编程两部分，现分别介绍如下。

3.1 上位机部分

在设计无毒提金搅拌设备自动控制系统时，上位机主要担当命令发送、参数设置、报警及数据处理与存档等任务。它主要包括：

（1）设置有效的控制参数，包括：水浴温度的给定值及其正、负偏差，电机转速的给定值及真正、负偏差，反应液PH值的给定值及其正、负偏差，反映液电位的给定值及其正、负偏差。

（2）数据的采集与处理。上位机不断检索下位机数据区中的水浴温度值、电机转速值、反应液PH值与电位值的瞬时值，并将其随时间的变化情况显示于计算机屏幕上。如遇数据异常，及时置报警位，正常及报警数据以一定的格式分别存在两个文件中，以备检索。

（3）向下位机发送操作指令，监测各执行部件及系统的工作状态。

（4）建立和维护系统数据库，主要是各被控参数的测量值。

根据上述上位机的任务，确定上位机的软件结构测量值。

根据上述上位机的任务，确定上位机的软件结构，如图3所示。

3.2 单片机部分

在无毒提金搅拌设备自动控制系统中，为了便于技术人员能在现场进行检测与调试，在设计本系统时，将下位机设计成一个单独的处理系统，它能独立完成数据采集、数据处理、设置给定值、控制被控设备及实时显示等功能。同时，下位机还能与上位机进行通信，接收上位机的命令，向上位机实时发送数据。

根据上述下位机的任务，确定下位机的软件结构。其主要模块有：数据输入模块、数据输出模板、控制算法模块、键盘显示模块及通信功能模块，它们又分别包括若干子模块。搅拌设备自动控制系统下位机软件模块图如图4所示。

这里以控制算法模块为例，简单说明单片机部分软件的设计过程。

根据无毒提金工艺过程的工况要求和各个参数的特别及存在的各种干扰情况，在深入分析其机理的基础上，将最优控制、模糊控制、PID控制结合在一起，作者提出了一种具有快速性和灵敏性的智能复合控制方案。该控制方案既对PID算法加以改进保留，如在传统PID调节中加入新的微分积分作用，对给定值与测量值变化造成的偏差分别采用不同的调节方式等等。又加入一些模糊调节算法的规则。在偏差大时，希望搅拌设备控制系统各控制参数能快速跟踪调整，而对控制精度要求相对降低，所以拟采用快速PID控制方案；当偏差趋小时，为了减小超调量，提高系统的控制精度，故拟采用模糊控制为主、最优控制为辅的控制方案。该控制方案具有超调小、控制精度高、参数确定简单、对复杂对象也能获得较好的控制效果等特点。

根据各被控参数的特性及其给定值，可作出各控制算法的程序流程图。即于篇幅，这里仅作为最优控制子程序流程图，如图5所示。

4 系统抗干扰措施

工业生产中的干扰一般都是以脉冲的形式进入微机，干扰窜入系统的渠道主要有三种：空间干扰（场干扰），通过电磁波辐射串入系统；过程通道干扰，通过与主机相连的前向通道、后向通道及与其它主机的相互通道进入；供电系统干扰。一般情况下，空间干扰在强度上远小于其它两个渠道窜入的干扰，而且空间干扰可以用良好的屏蔽与正确的接地和高频滤波加以解决，故微机系统中应重点防止供电系统与过程通道的干扰。

系统抗干扰设计主要从软件和硬件两方面考虑。在软件上，采用模块化结构设计，在进行数据处理之前，先对采样值进行数字滤波处理；在硬件方面，采用合理的系统电路布局、考究的印刷电路走线和电源去耦，过程通道中采用光电隔离。软件措施和硬件措施同时使用，极大地提高了系统的抗干扰能力。

本搅拌设备自动控制系统在无毒提金新工艺研究与应用实验室的应用中，取得了令人满意的结果。实验验证，水浴温度和电机转速的测量与控制精确度极高（±1.5%以内），反应液PH值与电位值的测量精确度也很高（±2%以内），只是与水浴温度和电机转速控制相比，这二者的控制精度稍低了点（±5%以内），这主要是因为此二者的惯性作用较大，动作性稍差了些。这些还有待于进一步进行硬件的配置及软件的优化。