朱紅求，杜俊波，黃雄兵

(中南大學(xué)自動化學(xué)院，湖南長沙 410083)

0 引言

在濕法煉鋅酸浸出過程中，反應(yīng)槽的pH值直接影響鋅焙燒的產(chǎn)量和質(zhì)量[1]。目前，大多數(shù)工廠仍使用試紙檢測pH值，檢測誤差較大，檢測不及時(shí)，沒有周期性，造成后續(xù)控制的困難。濕法煉鋅酸浸出車間，腐蝕性強(qiáng)、噪聲大，并且pH試紙比色卡精度低和人工讀數(shù)誤差大，反應(yīng)槽礦漿流速大，對pH探頭沖擊大，嚴(yán)重?fù)p害電極，pH電極容易受污染，導(dǎo)致靈敏度降低，響應(yīng)時(shí)間延長等問題[2]。這使得在濕法煉鋅酸浸出過程中，一個穩(wěn)定持久的pH在線檢測系統(tǒng)顯得很重要。

該系統(tǒng)是基于STM32集成開發(fā)的一套pH值實(shí)時(shí)在線檢測系統(tǒng)。主要面對工廠惡劣工況下，自動檢測濕法煉鋅酸浸出中反應(yīng)槽礦漿pH值，并將檢測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過RS485通訊上傳到中控室的DCS系統(tǒng)中，可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控pH數(shù)據(jù)[3]。該系統(tǒng)性能可靠，檢測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定運(yùn)行。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)以STM32F103ZET6為核心，該芯片是基于ARM Cortex-M3核心的32位微處理器，采用貼片式封裝144引腳，具有穩(wěn)定性能高、能耗小、價(jià)格低、功能強(qiáng)的特點(diǎn)[4]。

系統(tǒng)由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、傳感器檢測模塊、RS485通訊模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊、電磁閥通斷模塊、超聲波清洗模塊和DCS系統(tǒng)數(shù)據(jù)交互模塊等組成。如圖1所示，系統(tǒng)通過傳感器實(shí)時(shí)檢測濕法煉鋅酸浸出槽的pH值，數(shù)據(jù)在pH顯示模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，并將現(xiàn)場檢測到的數(shù)據(jù)通過RS485通訊模塊上傳到中控室的DCS系統(tǒng)上，進(jìn)行數(shù)據(jù)交互、監(jiān)控。為了保證在現(xiàn)場惡劣工況下，系統(tǒng)的穩(wěn)定持久運(yùn)行，需對pH探頭進(jìn)行一系列的流程控制，如檢測后對探頭進(jìn)行自動清水沖洗、超聲波清洗、酸清洗和保養(yǎng)液保養(yǎng)等動作。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)通過STM32來控制2個步進(jìn)電機(jī)，使得pH探頭能夠在X軸和Y軸上滑動。通過多個位置傳感器來精確定位，使得該系統(tǒng)有效穩(wěn)定地運(yùn)行。

該系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)從上到下主要分為3個部分：顯示部分、動作執(zhí)行部分和容器裝置部分。顯示部分主要由pH顯示屏構(gòu)成，通過顯示屏能夠讀取當(dāng)前pH值、當(dāng)前時(shí)間和溫度等信息；動作執(zhí)行部分主要由電機(jī)、滑桿和位置傳感器組成，實(shí)現(xiàn)了pH探頭的平面滑動。底層容器部分主要由待測液容器、超聲波清洗機(jī)、酸洗裝置和保養(yǎng)液裝置組成，主要是對pH探頭進(jìn)行操作。圖2為系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖。表1為示意圖標(biāo)號說明。

表1 示意圖標(biāo)號說明

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)示意圖

在濕法煉鋅酸浸出過程中，反應(yīng)槽礦漿流速很快，直接對反應(yīng)槽的礦漿進(jìn)行檢測存在困難，于是通過蠕動泵將反應(yīng)槽的礦漿抽取到待測液容器中，進(jìn)而通過步進(jìn)電機(jī)將pH探頭插入待測液中進(jìn)行檢測。為了確保pH探頭每次檢測的準(zhǔn)確度，檢測完之后，需要對探頭進(jìn)行一系列操作，確保下一周期檢測的精度。

1.3 系統(tǒng)作業(yè)流程

系統(tǒng)作業(yè)流程主要如圖3所示。

圖3 作業(yè)流程

當(dāng)系統(tǒng)電源上電，狀態(tài)自檢，X軸電機(jī)動作，帶動pH探頭到達(dá)待測容器上方；X軸電機(jī)停止，蠕動泵動作，抽取反應(yīng)槽的礦漿到待檢測容器中，當(dāng)液位觸發(fā)待檢測容器上的液位傳感器時(shí)，蠕動泵停止，Y軸電機(jī)動作，pH探頭下移，檢測礦漿的pH值；檢測并將數(shù)據(jù)上傳到中控室的DCS系統(tǒng)上；之后，將礦漿排放，電磁閥動作，沖洗pH探頭；pH探頭清洗后，Y軸電機(jī)動作，帶動pH探頭上移，觸發(fā)定位開關(guān)；Y軸電機(jī)停止，X軸電機(jī)動作，帶動pH探頭左移，觸發(fā)定位開關(guān)；X軸電機(jī)停止，Y軸電機(jī)下移，觸發(fā)定位開關(guān)；Y軸電機(jī)停止，超聲波清洗機(jī)動作。之后分別對pH探頭進(jìn)行酸洗和保養(yǎng)等操作。依次循環(huán)，周期檢測。

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要包括元器件的選型和模塊控制電路的設(shè)計(jì)。主要的硬件電路包括：步進(jìn)電機(jī)電路、電磁閥電路、蠕動泵電路和RS485通訊電路。

2.1 步進(jìn)電機(jī)電路

系統(tǒng)的硬件框架主要由X軸和Y軸2個滑桿軌道構(gòu)成，2個步進(jìn)電機(jī)可以帶動pH探頭在二維平面內(nèi)滑動[5]。X軸步進(jìn)電機(jī)帶動pH探頭左右滑動，Y軸步進(jìn)電機(jī)帶動pH探頭上下滑動。圖4為步進(jìn)電機(jī)的控制原理圖。STM32控制I/O口高低電平產(chǎn)生脈沖，通過定時(shí)器來控制每個脈沖的時(shí)間，從而控制步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動角度，實(shí)現(xiàn)對步進(jìn)電機(jī)的控制。

圖4 步進(jìn)電機(jī)控制原理圖

2.2 電磁閥電路

電磁閥控制自來水的通斷，能夠及時(shí)清洗pH探頭，確保每次精準(zhǔn)測量。選取電磁閥型號為2W050-15DC24V，流通孔徑5.0 mm，有效截面積為15.0 mm2，最大動作壓差為1.0 MPa。STM32通過繼電器來控制電磁閥的通斷[6]，如圖5所示。

圖5 電磁閥控制電路

2.3 蠕動泵電路

蠕動泵將反應(yīng)槽中的礦漿抽取到待測容器中，減少了對pH探頭的損耗。使用BT600系列的蠕動泵，轉(zhuǎn)速范圍1～600 r/min可調(diào)，正反轉(zhuǎn)可控，速度分辨率為1 r/min。如圖6所示，STM32通過RS485通訊接口與泵頭驅(qū)動器連接進(jìn)行調(diào)速和啟?？刂芠7]。

圖6 蠕動泵電路

2.4 RS485通訊電路

STM32通過RS485通訊將現(xiàn)場檢測的數(shù)據(jù)傳送到中控室的DCS系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，便于后期操作員對酸浸車間pH值的遠(yuǎn)程控制。通訊模塊兼容3.0 V和5.5 V電源信號，將電路圖中“GND”接地，可以起到良好的抗干擾和防雷作用，便于遠(yuǎn)程傳輸。如圖7所示，左邊模塊收發(fā)引腳連接單片機(jī)接口，右邊模塊收發(fā)引腳連接DCS系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交互。

圖7 RS485通訊電路

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括底層控制程序的設(shè)計(jì)和上層DCS系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)界面設(shè)計(jì)。

3.1 控制系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)底層控制采用STM32最小系統(tǒng)控制，編譯環(huán)境為Keil uVision5，采用傳統(tǒng)的C語言進(jìn)行編程[8]。圖8為程序流程圖，當(dāng)電源上電后，系統(tǒng)開始狀態(tài)自檢，BT600系列的蠕動泵抽取礦漿，pH探頭開始檢測，數(shù)據(jù)通過RS485通訊上傳到DCS系統(tǒng)上，2W050電磁閥動作，沖洗pH探頭，然后超聲波清洗，酸洗液清洗和保養(yǎng)液保養(yǎng)。實(shí)現(xiàn)了pH值檢測、顯示和上傳一體化。

圖8 控制系統(tǒng)程序流程圖

3.2 DCS系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)界面設(shè)計(jì)

DCS具有可靠性高及開放性的特點(diǎn)，得到了工業(yè)上的大量應(yīng)用[9]。在原有工廠的DCS系統(tǒng)上，加入RS485通訊模塊，通過組態(tài)軟件，設(shè)計(jì)了實(shí)時(shí)顯示pH數(shù)據(jù)的界面圖形。如圖9所示，該數(shù)據(jù)是系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行1 d，對反應(yīng)槽礦漿的pH值的數(shù)據(jù)曲線。系統(tǒng)大概4 min采樣1次，人工30 min采樣1次，顯著提升了采樣頻率。

圖9 DCS實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)

4 實(shí)驗(yàn)及分析

4.1 實(shí)時(shí)作業(yè)實(shí)物圖

該系統(tǒng)在年產(chǎn)鋅及鋅基合金30萬t的公司投入使用。在濕法煉鋅酸浸車間中，實(shí)時(shí)檢測礦漿的pH值，有效提高了鋅礦的品質(zhì)和產(chǎn)量。在惡劣的工況下，為了保護(hù)系統(tǒng)，將系統(tǒng)做成了一個密閉的儀器。圖10為系統(tǒng)的實(shí)物圖。

(a)生產(chǎn)車間

4.2 實(shí)驗(yàn)精度檢測

為了驗(yàn)證系統(tǒng)檢測的準(zhǔn)確性，通過人工試紙檢測和系統(tǒng)自動檢測進(jìn)行pH值對比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

圖11 pH值對比圖

通過111次數(shù)據(jù)的對比，平均誤差為-0.13，誤差在0～0.2范圍內(nèi)占72.1%，自動檢測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)曲線更加平滑。pH試紙檢測盡管采用精密試紙，但是最小pH值精度仍然為0.5，而本系統(tǒng)的檢測精度為0.01。通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)對比，該系統(tǒng)檢測精度提升，數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。

5 結(jié)論

本文介紹了基于STM32的濕法煉鋅中pH值在線檢測系統(tǒng)，解決了惡劣工況下pH值在線穩(wěn)定檢測難的問題，提高了檢測精度和檢測頻率，在現(xiàn)場得到了很好的應(yīng)用。