朱 林 李蘭云

(內(nèi)蒙古科技大學(xué)信息工程學(xué)院，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

在稀土元素生產(chǎn)過程中，要求能夠?qū)γ糠N料液的流量進(jìn)行準(zhǔn)確、可靠、便捷的控制［1－2］。早期流量控制采用各種耐腐手動(dòng)閥門、電動(dòng)閥門等，這些閥門改變流量時(shí)均需反復(fù)標(biāo)定才能達(dá)到要求，這給生產(chǎn)人員帶來了極大不便，且準(zhǔn)確度也較差。隨著工藝的提高，這些閥門已很難滿足要求。此外，以往使用的流量控制器所控制的輸送水車經(jīng)常出現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)不穩(wěn)定等現(xiàn)象，直接影響了萃取質(zhì)量?，F(xiàn)有的一些常規(guī)流量控制方法，如采用自動(dòng)調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)和回路調(diào)節(jié)器構(gòu)成的流量控制系統(tǒng)，其精度雖高，但是造價(jià)昂貴、可靠性差，尤其當(dāng)物料中含有固體異物雜質(zhì)時(shí)更易出現(xiàn)故障［3］。

針對(duì)以往流量控制設(shè)備的不足，提出采用嵌入式系統(tǒng)對(duì)液體流量進(jìn)行控制。該嵌入式系統(tǒng)使用的應(yīng)用軟件為北京昆侖通態(tài)生產(chǎn)的嵌入版組態(tài)軟件MCGSE，嵌入式設(shè)備為TPC7062K。TPC7062K是一套以嵌入式、低功耗CPU為核心的高性能一體化工控機(jī)。MCGSE使TPC7062K具有豐富的人機(jī)界面、標(biāo)準(zhǔn)的邏輯控制功能和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能，可以使其實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)工作站級(jí)計(jì)算機(jī)的功能［4］。

1 流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與工作原理

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)所使用的流量自動(dòng)控制裝置是通過嵌入式系統(tǒng)、變頻調(diào)速系統(tǒng)和水車式流量計(jì)相組合實(shí)現(xiàn)的，調(diào)整水車式流量計(jì)的轉(zhuǎn)速可以精確地控制液體的流量。流量控制系統(tǒng)由液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、水車式流量計(jì)、異步電動(dòng)機(jī)、變頻器和嵌入式工控機(jī)TPC7062K組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 流量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The structure of flow control system

1.1 流量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)

流量控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)包含液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置、水車式流量計(jì)和異步電動(dòng)機(jī)。液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置使液位在一定范圍內(nèi)保持恒定，以滿足流量控制精度的要求。液位自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置是一個(gè)浮子結(jié)構(gòu)，當(dāng)液位高于某一值時(shí)，活塞堵住液體入口，使液體不能進(jìn)入;當(dāng)液位低于某一值時(shí)，入口打開，使液體流進(jìn)裝置內(nèi)。水車式流量計(jì)將液體以與轉(zhuǎn)速成正比的速度輸出，然后流進(jìn)萃取槽中。設(shè)水車上每個(gè)斛斗的有效容積為V，斛斗的個(gè)數(shù)為M，水車轉(zhuǎn)速為n，則液體流量Q為:

V由所控制的流量值的大小決定(流量范圍為1～80 L/min)，M為8個(gè)，即 V和 M是常數(shù)，則流量Q∝n。因此，控制水車的轉(zhuǎn)速就可以控制液體的流量。由圖1可知，水車式流量計(jì)與異步電動(dòng)機(jī)同軸相連，即水車的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同，所以可以通過控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速來控制液體的流量值。

1.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制裝置

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的電機(jī)為感應(yīng)式交流異步電動(dòng)機(jī)，其旋轉(zhuǎn)速度近似地取決于電機(jī)的極對(duì)數(shù)和電源頻率，即n=60f/p。電機(jī)一旦生產(chǎn)出來，其極對(duì)數(shù)p將固定不變，而電源供電頻率f可以在外部調(diào)節(jié)好后再供給電機(jī)，因此，以控制頻率為目的的變頻器是電機(jī)調(diào)速的優(yōu)選設(shè)備。

在稀土生產(chǎn)過程中，需要控制萃取劑、稀土料液和洗滌劑的流量，因此需要安裝3臺(tái)變頻器。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝了嵌入式工控機(jī)TPC7062K，通過工控機(jī)可以完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)3臺(tái)變頻器頻率的快速準(zhǔn)確控制，并讀取變頻器的運(yùn)行狀態(tài)。

TPC7062K是一種帶微處理器的智能終端、具有計(jì)算機(jī)功能但又不稱之為計(jì)算機(jī)的設(shè)備，其操作系統(tǒng)是Wince.NET，與 之 匹 配 的 應(yīng) 用 軟 件 是 MCGSE。TPC7062K具有 RJ45接口、RS-485/232串口和兩個(gè)USB接口，生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝的是英威騰系列的變頻器，只具有RS-485串口，所以本系統(tǒng)選取RS-485串口作為變頻器和工控機(jī)的通信接口，通信協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議。

2 流量控制實(shí)現(xiàn)方案

在PC機(jī)上，通過MCGSE組態(tài)軟件，對(duì)流量控制系統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)。MCGSE的功能強(qiáng)大，人機(jī)界面豐富，“設(shè)備驅(qū)動(dòng)子流程庫”內(nèi)部兼容了常用的硬件設(shè)備［5］。由于英威騰變頻器的特殊性，需要用戶自行開發(fā)該設(shè)備的驅(qū)動(dòng)腳本。因此，組態(tài)過程包括組態(tài)界面的繪制和腳本驅(qū)動(dòng)的開發(fā)。將組態(tài)好的系統(tǒng)通過USB接口或以太網(wǎng)口下載到TPC7062K工控機(jī)實(shí)時(shí)運(yùn)行，使其具備現(xiàn)場(chǎng)工作站級(jí)計(jì)算機(jī)的功能［6－7］。

2.1 人機(jī)信息交互界面

現(xiàn)場(chǎng)操作人員和變頻器之間的信息交互是通過工控機(jī)上實(shí)時(shí)運(yùn)行的人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)的。根據(jù)生產(chǎn)工藝，確定稀土料液流量，并按一定的換算關(guān)系計(jì)算出變頻器的頻率值。按下“啟動(dòng)”按鈕，啟動(dòng)變頻器，設(shè)置好頻率后按“發(fā)送”按鈕，頻率值將通過RS-485總線發(fā)送到變頻器的控制端。操作人員還可以通過人機(jī)交互界面讀取變頻器的狀態(tài)以及變頻器的運(yùn)行頻率，真正實(shí)現(xiàn)人機(jī)信息交互。

在生產(chǎn)過程中，需要控制稀土料液流量、萃取劑流量和洗滌劑流量。在稀土料液流量控制界面中，點(diǎn)擊右側(cè)“萃取劑流量”、“洗滌劑流量”按鈕即可進(jìn)入相應(yīng)的控制界面。此外，當(dāng)變頻器遇到故障或萃取槽運(yùn)行狀態(tài)需要停止時(shí)，可以通過“復(fù)位”和“停止”按鈕使變頻器處于復(fù)位和停止?fàn)顟B(tài)。要實(shí)現(xiàn)上述功能，必須解決變頻器和工控機(jī)之間的通信問題。

2.2 工控機(jī)與變頻器的通信協(xié)議

MCGSE功能強(qiáng)大，“設(shè)備管理器”工具箱內(nèi)部兼容了常用硬件設(shè)備的腳本驅(qū)動(dòng)。設(shè)備窗口通過設(shè)備構(gòu)件采集外部數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)送入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫，或?qū)?shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)輸出到外部設(shè)備。

生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)使用的是英威騰變頻器，工具箱內(nèi)部沒有該系列變頻器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)，所以需要用戶自行編寫該設(shè)備的腳本驅(qū)動(dòng)，以完成嵌入式系統(tǒng)與變頻器的通信。

嵌入式工控機(jī)與變頻器之間通過RS-485串口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，通信協(xié)議采用 Modbus RTU協(xié)議［8］。Modbus是一種主從網(wǎng)絡(luò)，主站可向從站發(fā)送多個(gè)數(shù)據(jù)請(qǐng)求，每個(gè)從站都有自己的地址編號(hào)。主站首先向從站發(fā)送通信請(qǐng)求命令，從站根據(jù)主站指令中的功能碼向主站返回?cái)?shù)據(jù)。主站所發(fā)的請(qǐng)求幀和從站所發(fā)的應(yīng)答幀都是以從站地址開始的。從站只讀取發(fā)給自己的指令，保證一對(duì)一傳輸［8－9］。在本系統(tǒng)中，工控機(jī)作為主機(jī)，變頻器作為從機(jī)。生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)安裝的控制稀土料液、萃取劑、洗滌劑流量的變頻器地址分別為01H、02H和03H。

在RTU通信模式中，新的通信幀總是以一定的傳輸時(shí)間靜默，每個(gè)從機(jī)設(shè)備始終監(jiān)視著通信總線的活動(dòng)(即使在靜默時(shí)間間隔內(nèi))。當(dāng)接收到第一個(gè)域(地址信息)后，從機(jī)設(shè)備都對(duì)該字節(jié)進(jìn)行確認(rèn)［10］。隨著最后一個(gè)字節(jié)的傳輸完成，又有一個(gè)類似的傳輸時(shí)間間隔，用來標(biāo)志本通信幀的結(jié)束，在此之后將開始一個(gè)新幀的傳輸。RTU幀格式如表1所示。

表1 RTU幀典型幀格式Tab.1 Typical format of RTU frame

下面結(jié)合一個(gè)具體的實(shí)例來闡述RTU主機(jī)命令信息和RTU從機(jī)回應(yīng)信息。在將5000(1388H)寫到從機(jī)地址02H變頻器的0008H地址處時(shí)，設(shè)備地址為02H。由于是由主機(jī)對(duì)從機(jī)的寫操作，所以功能碼為06H(03H為讀操作);數(shù)據(jù)包含寫數(shù)據(jù)地址高位00H、寫數(shù)據(jù)地址低位08H、數(shù)據(jù)內(nèi)容高位13H、數(shù)據(jù)內(nèi)容低位88H;CRC校驗(yàn)是根據(jù)數(shù)據(jù)內(nèi)容得出的校驗(yàn)結(jié)果，包含校驗(yàn)內(nèi)容的高位和低位。

每個(gè)從機(jī)接收到主機(jī)命令后都要進(jìn)行地址判斷，只有從機(jī)地址為02H的變頻器回應(yīng)主機(jī)命令信息，RTU從機(jī)回應(yīng)信息幀格式和RTU主機(jī)命令信息幀格式完全一樣。根據(jù)RTU通信幀的格式可知，若已知變頻器某些功能所對(duì)應(yīng)的寄存器地址和該寄存器所存放的數(shù)據(jù)代表的意義，就可以輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器寄存器的讀寫操作。本系統(tǒng)需要通過工控機(jī)設(shè)置變頻器的頻率、讀取變頻器的狀態(tài)和運(yùn)行頻率以及控制變頻器的啟停。變頻器功能地址說明如表2所示。

表2 變頻器功能地址說明表Tab.2 Description of the function and address for inverter

2.3 變頻器設(shè)備驅(qū)動(dòng)

利用MCGS腳本驅(qū)動(dòng)開發(fā)工具V2.0編寫變頻器的設(shè)備驅(qū)動(dòng)。腳本驅(qū)動(dòng)屏蔽了大量技術(shù)細(xì)節(jié)，操作簡(jiǎn)單是腳本驅(qū)動(dòng)最大的特點(diǎn)，只要會(huì)使用MCGS軟件，初學(xué)者在4～5 h內(nèi)就可以全面掌握腳本驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)過程［6］。在整個(gè)開發(fā)過程中，用戶只需分析設(shè)備的通信協(xié)議并解析從設(shè)備讀取回來的數(shù)據(jù)，這樣就可完成設(shè)備驅(qū)動(dòng)的編寫、調(diào)試和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。文中已經(jīng)對(duì)設(shè)備的通信協(xié)議進(jìn)行了詳細(xì)的分析，且已知變頻器特定功能的地址和數(shù)據(jù)代碼，接下來可以快速編寫此設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。

以控制稀土料液流量的變頻器為例，此變頻器的設(shè)備地址為01H，變頻器的啟動(dòng)代碼如下:

人機(jī)交互界面上變頻器的“啟動(dòng)”按鈕屬性設(shè)置為“按下為1、松開為0”，按下啟動(dòng)按鈕，則Start=1;工控機(jī)將通過RS-485串口，向變頻器內(nèi)部地址為1000H的寄存器寫入數(shù)據(jù)0001H，啟動(dòng)變頻器。為了保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，需要對(duì)數(shù)組SendByteArr進(jìn)行CRC校驗(yàn);!DevWriteAndReadByteArr()函數(shù)的作用是向串口發(fā)送SendByteArr數(shù)組的前8個(gè)字節(jié)，發(fā)送完畢后再?gòu)拇谧x取數(shù)據(jù)。如果已經(jīng)讀取了RecByteArr1數(shù)組的8個(gè)字節(jié)，或是在通信延時(shí)時(shí)間(200 ms)內(nèi)未讀取完畢，則返回，該函數(shù)的返回值是讀取的字節(jié)數(shù);如果讀取的字節(jié)數(shù)不是8，則說明存在通信故障，將通信狀態(tài)設(shè)置為2，通信正常時(shí)通信狀態(tài)值為0。變頻器停止和故障復(fù)位的代碼以及設(shè)置變頻器頻率的代碼與此代碼類似，都是向變頻器寫數(shù)據(jù)，只需改變寄存器的地址和相應(yīng)的數(shù)據(jù)內(nèi)容即可。

讀取變頻器的狀態(tài)和運(yùn)行頻率時(shí)的代碼與上述代碼類似，只需將功能碼06H改為03H，將讀取的數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)寫到數(shù)組的對(duì)應(yīng)位置上，代碼的其他部分不變。讀取回來的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行解析，讀取變頻器運(yùn)行狀態(tài)的部分解析代碼如下。

其中“!SvrGetShortFromByteArr()”函數(shù)用于將字節(jié)數(shù)組DataByteArr中從起始位置開始的內(nèi)容輸出到變量“開關(guān)數(shù)據(jù)”中，輸出的格式為4字節(jié)整型。然后通過“!SetSingleChannelValueByName”函數(shù)將解析好的數(shù)據(jù)送入相應(yīng)的通道。

由上述代碼可以看出，腳本驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)是相當(dāng)簡(jiǎn)單的，開發(fā)好的程序以mdr格式保存。然后將編輯好的mdr文件拷貝到MCGSE安裝包D:/program files/MCGSE/Program/Drivers文件夾下，即可在設(shè)備管理器中調(diào)用此設(shè)備驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與變頻器的通信。

將變頻器腳本驅(qū)動(dòng)加載到MCGSE設(shè)備窗口后，在軟件的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中添加相應(yīng)的數(shù)據(jù)類型;接著對(duì)所添加的數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置，使組態(tài)軟件數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)與變頻器寄存器內(nèi)的數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng);然后根據(jù)繪制好的人機(jī)交互界面重新設(shè)置組態(tài)系統(tǒng)的相關(guān)特性;最后將組態(tài)好的系統(tǒng)下載到TPC7062K工控機(jī)上，實(shí)現(xiàn)工控機(jī)與變頻器的通信［11－12］。

3 結(jié)束語

稀土萃取流量控制系統(tǒng)通過自行開發(fā)的變頻器設(shè)備驅(qū)動(dòng)，真正實(shí)現(xiàn)了人機(jī)信息交互，大大提高了整個(gè)生產(chǎn)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，適于長(zhǎng)期連續(xù)工作，故障率低。本系統(tǒng)已在稀土生產(chǎn)單位投入使用，它很好地完成了流量控制任務(wù)，取得了較大的經(jīng)濟(jì)效益。

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