李 燕

(華北科技學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，北京 東燕郊 065201)

0 引言

近年來隨著煤礦不斷開采，煤炭作為不可再生能源其數(shù)量越來越少，而現(xiàn)有煤炭加工工藝還不夠精細(xì)，處理過后的煤泥中存有大量因設(shè)備精細(xì)程度不夠而殘留的可用煤炭資源。經(jīng)過相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，中國(guó)煤炭資源的平均回收率只有50%左右，而美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家的煤炭資源的平均回收率卻有80%左右[1]，差距很大。為盡最大程度地回收利用煤炭資源，針對(duì)煤泥水處理現(xiàn)階段洗煤廠多采用壓濾機(jī)對(duì)煤泥進(jìn)行壓濾處理，不僅能夠充分節(jié)約水資源，減少?gòu)U水外排，在保護(hù)環(huán)境上也能發(fā)揮巨大作用。

壓濾機(jī)電機(jī)作為生產(chǎn)過程中的重要驅(qū)動(dòng)設(shè)備，其運(yùn)行狀態(tài)正常與否對(duì)壓濾機(jī)的穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，且壓濾機(jī)作為洗煤廠的大型設(shè)備，一臺(tái)壓濾設(shè)備出現(xiàn)故障將會(huì)影響整個(gè)生產(chǎn)線系統(tǒng)，造成無法估量的損失。一般壓濾機(jī)電機(jī)故障診斷與維護(hù)工作主要依靠人工檢查來發(fā)現(xiàn)問題，該法任務(wù)繁重且對(duì)壓濾機(jī)的突發(fā)故障起不到預(yù)防作用，因此開發(fā)一款智能化監(jiān)測(cè)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓濾機(jī)的運(yùn)行情況具有重大意義[2]。

壓濾機(jī)運(yùn)行異常的會(huì)通過一些物理量的形式表征出來，如壓濾機(jī)電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間過載、絕緣局部損壞等異常運(yùn)行情況會(huì)引起電機(jī)溫度過高，負(fù)載過大會(huì)使電機(jī)工作電流超過額定電流。調(diào)研考察中發(fā)現(xiàn)洗煤廠使用的板框式壓濾機(jī)實(shí)際負(fù)荷都高于標(biāo)稱負(fù)荷，這樣不但增加了電力電耗用量，還增加了壓濾機(jī)的損耗和磨損，零部件的磨損會(huì)引起電機(jī)的振動(dòng)異常。

本文提出基于高性能處理器STM32的選煤廠壓濾機(jī)電機(jī)安全監(jiān)測(cè)裝置的研發(fā)[3]，通過對(duì)壓濾機(jī)電機(jī)溫度、振動(dòng)及電流的監(jiān)測(cè)與處理判斷電機(jī)運(yùn)行情況，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送至管理終端，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)壓濾機(jī)電機(jī)運(yùn)行狀況。

1 板框式壓濾機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

目前我國(guó)壓濾機(jī)主要生產(chǎn)廠家有山東景津、杭州興源、上海大張等，板框式壓濾機(jī)不僅被用在工業(yè)廢水處理中，其在選煤廠煤泥水加工處理、精煤回收中也發(fā)揮了巨大作用。板框式壓濾機(jī)主要由三大部分組成，包括機(jī)械部分、電氣部分及液壓部分，如圖1所示。機(jī)械部分有止推板、濾板、濾布、主梁、壓緊板等；電氣部分有電控柜等相關(guān)電氣元件；液壓部分有泵站、壓力閥等。

板框壓濾機(jī)開始作業(yè)前要將干凈完整的濾布固定在濾板上；在活塞桿的推動(dòng)下，壓緊板將濾板壓緊，這樣相鄰濾板之間便形成了密閉濾室；煤泥水通過進(jìn)污管從止推板的進(jìn)料口進(jìn)入各個(gè)濾室，煤泥水在液壓系統(tǒng)的推壓作用下，實(shí)現(xiàn)煤與水的分離，濾液經(jīng)出水口流出，壓濾形成的煤餅留在濾室內(nèi)；經(jīng)過一段時(shí)間成型后，濾板在泵站的給壓下被拉開，濾餅由于重力以及刮板機(jī)的作用下落在傳送帶上，這樣就實(shí)現(xiàn)了煤泥水的分離。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)的開發(fā)與設(shè)計(jì)以較高性能的STM32處理器為核心，完成各功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)，包括電源電路、顯示電路、溫度監(jiān)測(cè)電路、振動(dòng)監(jiān)測(cè)電路、紅外線接收電路、RS485通訊電路等[4-8]。軟件移植FreeRTOS多任務(wù)操作系統(tǒng)，將程序劃分為顯示、溫度監(jiān)測(cè)、振動(dòng)監(jiān)測(cè)[9-10]、紅外線接收與解碼、RS485發(fā)送和RS485接收等多個(gè)并發(fā)任務(wù)，每個(gè)任務(wù)只需完成各自指定功能，任務(wù)間通過信號(hào)量、事件標(biāo)志組以及消息隊(duì)列進(jìn)行通訊和數(shù)據(jù)的傳輸，提高CPU的執(zhí)行效率，降低程序的開發(fā)難度，增加程序的可讀性，縮短軟件的開發(fā)周期。

單臺(tái)設(shè)備結(jié)構(gòu)框圖，如下圖2所示。

該裝置支持7 V至28 V交流電輸入，基于BUCK降壓拓?fù)洳⒉捎肕P1584組成降壓電路，實(shí)現(xiàn)5 V電壓輸出，為負(fù)載提供5 V/3 A電源；基于LDO線性穩(wěn)壓，采用AMS1117為部分負(fù)載和單片機(jī)提供3.3 V/1 A電源。

設(shè)計(jì)中E2PROM選用AT24C02，有一個(gè)專門的寫保護(hù)功能，實(shí)現(xiàn)掉電記憶功能，其內(nèi)部含有256個(gè)字節(jié)，通過I2C總線與STM32進(jìn)行通信，用于存儲(chǔ)通訊地址及波特率、電流互感器變比、振動(dòng)量程、報(bào)警閾值等參數(shù)。

界面顯示選用了2.8寸TFTLCD，其顯示分辨率為320×240，接口為16位的8080并口，通過STM32的FSMC(可變靜態(tài)存儲(chǔ)控制器)接口與其相接，相比使用GPIO口的驅(qū)動(dòng)，數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高。設(shè)置了四個(gè)按鍵作為人機(jī)交互的輸入，用戶可通過按鍵調(diào)整本機(jī)通訊地址、波特率、電流互感器變比、振動(dòng)量程等參數(shù)。

考慮生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)往往會(huì)有多臺(tái)機(jī)電設(shè)備，為實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，每臺(tái)監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)RS485總線接口，以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端與上位機(jī)之間的通信。

3 軟件結(jié)構(gòu)

基于RTOS應(yīng)用系統(tǒng)中，有多個(gè)并行的任務(wù)在相對(duì)長(zhǎng)的宏觀時(shí)間維度上看是多個(gè)任務(wù)并行運(yùn)行的，但是實(shí)際上任一時(shí)刻只有一個(gè)任務(wù)或者中斷函數(shù)在占用CPU內(nèi)核，因此這種并行是“偽并行”。RTOS的最主要的目的就是通過軟件方法將硬件CPU內(nèi)核程序運(yùn)行環(huán)境抽象為每一個(gè)應(yīng)用任務(wù)虛擬出一個(gè)軟核。通過快照保存切入切出實(shí)現(xiàn)多任務(wù)偽并行運(yùn)行。FreeRTOS是一個(gè)可裁剪、可剝奪型的多任務(wù)內(nèi)核，并且沒有任務(wù)數(shù)量限制。FreeRTOS提供了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)所需的所有功能，有資源管理、同步、任務(wù)通信等[10]。FreeRTOS免費(fèi)并且開放源碼，可以免費(fèi)應(yīng)用于商業(yè)產(chǎn)品，開放源碼便于學(xué)習(xí)操作系統(tǒng)原理，對(duì)操作系統(tǒng)裁剪以適應(yīng)不同硬件。

監(jiān)測(cè)裝置將溫度采集、振動(dòng)信號(hào)提取及電流信號(hào)監(jiān)測(cè)、LCD界面顯示、參數(shù)修改、任務(wù)通訊等功能于一體，使用基于FreeRTOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)開發(fā)，任務(wù)之間通過信號(hào)量、事件標(biāo)志組、設(shè)置臨界區(qū)等通信機(jī)制進(jìn)行配合，模塊化編程，提高代碼編寫效率。軟件總體架構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件總體架構(gòu)

3.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為檢驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性，在實(shí)驗(yàn)室采用一臺(tái)額定功率1.5 kW的小型三相異步電動(dòng)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，該電機(jī)在50 Hz/380 V條件下轉(zhuǎn)速為2845 rpm，額定電流為2.73 A。電機(jī)運(yùn)行一段時(shí)間后內(nèi)部轉(zhuǎn)子溫度上升，運(yùn)行20分鐘后，通過溫度傳感器采集到的溫度達(dá)到37℃，與使用溫度計(jì)測(cè)量度數(shù)基本一致。實(shí)驗(yàn)中每間隔10分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 測(cè)量結(jié)果表

實(shí)驗(yàn)中在0～30分鐘時(shí)間段內(nèi)電機(jī)溫度隨運(yùn)行時(shí)間的增加上升；電機(jī)啟動(dòng)時(shí)振動(dòng)較為劇烈，運(yùn)行平穩(wěn)后振動(dòng)較為穩(wěn)定，為監(jiān)測(cè)運(yùn)行故障時(shí)的結(jié)果，在電機(jī)運(yùn)行至40分鐘時(shí)，人為干涉使其發(fā)生堵轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)電機(jī)溫度急速上升振動(dòng)加強(qiáng)，電流急劇增加。運(yùn)行至60分鐘時(shí)電機(jī)t停止運(yùn)行，溫度達(dá)到79.8℃。三相異步電機(jī)的工作原理是電磁感應(yīng)定律，三相電機(jī)可以理解為變壓器，當(dāng)電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)子停止運(yùn)動(dòng)，定子和轉(zhuǎn)子的相對(duì)速度變大，磁感線切割速度加快，因此繞組內(nèi)部的感應(yīng)電流就會(huì)增大，因此當(dāng)電機(jī)發(fā)生轉(zhuǎn)時(shí)電流會(huì)急劇增大，溫度增加，如果沒有及時(shí)切斷電源，電機(jī)將會(huì)被燒壞。

4 結(jié)論

(1) 本文以溫度、振動(dòng)和電流作為監(jiān)測(cè)指標(biāo)，基于STM32開發(fā)了選煤廠壓濾機(jī)電機(jī)監(jiān)測(cè)裝置。設(shè)備以高性能處理器芯片STM32F407ZGT6為核心，基于FreeRTOS實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)進(jìn)行軟件開發(fā)，改善了傳統(tǒng)洗煤廠壓濾機(jī)設(shè)備監(jiān)測(cè)的不足，提高了煤泥處理效率。因此本次研究與開發(fā)對(duì)于壓濾機(jī)設(shè)備的監(jiān)測(cè)具有一定價(jià)值。

(2) 隨著人工智能、大數(shù)據(jù)、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，我國(guó)在煤炭回收利用領(lǐng)域取得了一定地發(fā)展，將人工智能應(yīng)用到傳統(tǒng)煤炭產(chǎn)業(yè)的回收與開發(fā)中具有非常遠(yuǎn)大的前景，在接下來的研發(fā)中將增加人工智能等先進(jìn)技術(shù)的應(yīng)用以確保監(jiān)測(cè)到更為精確、可靠的數(shù)據(jù)。