嵌入式系統(tǒng)在稀土萃取流量控制中的應用

朱 林 李蘭云

(內蒙古科技大學信息工程學院，內蒙古 包頭 014010)

0 引言

在稀土元素生產過程中，要求能夠對每種料液的流量進行準確、可靠、便捷的控制［1－2］。早期流量控制采用各種耐腐手動閥門、電動閥門等，這些閥門改變流量時均需反復標定才能達到要求，這給生產人員帶來了極大不便，且準確度也較差。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常出現(xiàn)轉動不穩(wěn)定等現(xiàn)象，直接影響了萃取質量?，F(xiàn)有的一些常規(guī)流量控制方法，如采用自動調節(jié)閥、流量計和回路調節(jié)器構成的流量控制系統(tǒng)，其精度雖高，但是造價昂貴、可靠性差，尤其當物料中含有固體異物雜質時更易出現(xiàn)故障［3］。

針對以往流量控制設備的不足，提出采用嵌入式系統(tǒng)對液體流量進行控制。該嵌入式系統(tǒng)使用的應用軟件為北京昆侖通態(tài)生產的嵌入版組態(tài)軟件MCGSE，嵌入式設備為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。MCGSE使TPC7062K具有豐富的人機界面、標準的邏輯控制功能和數(shù)據存儲功能，可以使其實現(xiàn)現(xiàn)場工作站級計算機的功能［4］。

1 流量控制系統(tǒng)結構與工作原理

生產現(xiàn)場所使用的流量自動控制裝置是通過嵌入式系統(tǒng)、變頻調速系統(tǒng)和水車式流量計相組合實現(xiàn)的，調整水車式流量計的轉速可以精確地控制液體的流量。流量控制系統(tǒng)由液位自動調節(jié)裝置、水車式流量計、異步電動機、變頻器和嵌入式工控機TPC7062K組成，其結構如圖1所示。

圖1 流量控制系統(tǒng)結構圖Fig.1 The structure of flow control system

1.1 流量控制執(zhí)行機構

流量控制執(zhí)行機構包含液位自動調節(jié)裝置、水車式流量計和異步電動機。液位自動調節(jié)裝置使液位在一定范圍內保持恒定，以滿足流量控制精度的要求。液位自動調節(jié)裝置是一個浮子結構，當液位高于某一值時，活塞堵住液體入口，使液體不能進入;當液位低于某一值時，入口打開，使液體流進裝置內。水車式流量計將液體以與轉速成正比的速度輸出，然后流進萃取槽中。設水車上每個斛斗的有效容積為V，斛斗的個數(shù)為M，水車轉速為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，即 V和 M是常數(shù)，則流量Q∝n。因此，控制水車的轉速就可以控制液體的流量。由圖1可知，水車式流量計與異步電動機同軸相連，即水車的轉速與電機的轉速相同，所以可以通過控制電機的轉速來控制液體的流量值。

1.2 電機轉速控制裝置

生產現(xiàn)場使用的電機為感應式交流異步電動機，其旋轉速度近似地取決于電機的極對數(shù)和電源頻率，即n=60f/p。電機一旦生產出來，其極對數(shù)p將固定不變，而電源供電頻率f可以在外部調節(jié)好后再供給電機，因此，以控制頻率為目的的變頻器是電機調速的優(yōu)選設備。

在稀土生產過程中，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臺變頻器。生產現(xiàn)場安裝了嵌入式工控機TPC7062K，通過工控機可以完成對現(xiàn)場3臺變頻器頻率的快速準確控制，并讀取變頻器的運行狀態(tài)。

TPC7062K是一種帶微處理器的智能終端、具有計算機功能但又不稱之為計算機的設備，其操作系統(tǒng)是Wince.NET，與 之 匹 配 的 應 用 軟 件 是 MCGSE。TPC7062K具有 RJ45接口、RS-485/232串口和兩個USB接口，生產現(xiàn)場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的通信接口，通信協(xié)議采用Modbus RTU協(xié)議。

2 流量控制實現(xiàn)方案

在PC機上，通過MCGSE組態(tài)軟件，對流量控制系統(tǒng)進行組態(tài)。MCGSE的功能強大，人機界面豐富，“設備驅動子流程庫”內部兼容了常用的硬件設備［5］。由于英威騰變頻器的特殊性，需要用戶自行開發(fā)該設備的驅動腳本。因此，組態(tài)過程包括組態(tài)界面的繪制和腳本驅動的開發(fā)。將組態(tài)好的系統(tǒng)通過USB接口或以太網口下載到TPC7062K工控機實時運行，使其具備現(xiàn)場工作站級計算機的功能［6－7］。

2.1 人機信息交互界面

現(xiàn)場操作人員和變頻器之間的信息交互是通過工控機上實時運行的人機界面實現(xiàn)的。根據生產工藝，確定稀土料液流量，并按一定的換算關系計算出變頻器的頻率值。按下“啟動”按鈕，啟動變頻器，設置好頻率后按“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交互界面讀取變頻器的狀態(tài)以及變頻器的運行頻率，真正實現(xiàn)人機信息交互。

在生產過程中，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，點擊右側“萃取劑流量”、“洗滌劑流量”按鈕即可進入相應的控制界面。此外，當變頻器遇到故障或萃取槽運行狀態(tài)需要停止時，可以通過“復位”和“停止”按鈕使變頻器處于復位和停止狀態(tài)。要實現(xiàn)上述功能，必須解決變頻器和工控機之間的通信問題。

2.2 工控機與變頻器的通信協(xié)議

MCGSE功能強大，“設備管理器”工具箱內部兼容了常用硬件設備的腳本驅動。設備窗口通過設備構件采集外部數(shù)據，并將這些數(shù)據送入實時數(shù)據庫，或將實時數(shù)據庫中的數(shù)據輸出到外部設備。

生產現(xiàn)場使用的是英威騰變頻器，工具箱內部沒有該系列變頻器的設備驅動，所以需要用戶自行編寫該設備的腳本驅動，以完成嵌入式系統(tǒng)與變頻器的通信。

嵌入式工控機與變頻器之間通過RS-485串口進行數(shù)據交換，通信協(xié)議采用 Modbus RTU協(xié)議［8］。Modbus是一種主從網絡，主站可向從站發(fā)送多個數(shù)據請求，每個從站都有自己的地址編號。主站首先向從站發(fā)送通信請求命令，從站根據主站指令中的功能碼向主站返回數(shù)據。主站所發(fā)的請求幀和從站所發(fā)的應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，保證一對一傳輸［8－9］。在本系統(tǒng)中，工控機作為主機，變頻器作為從機。生產現(xiàn)場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間靜默，每個從機設備始終監(jiān)視著通信總線的活動(即使在靜默時間間隔內)。當接收到第一個域(地址信息)后，從機設備都對該字節(jié)進行確認［10］。隨著最后一個字節(jié)的傳輸完成，又有一個類似的傳輸時間間隔，用來標志本通信幀的結束，在此之后將開始一個新幀的傳輸。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

下面結合一個具體的實例來闡述RTU主機命令信息和RTU從機回應信息。在將5000(1388H)寫到從機地址02H變頻器的0008H地址處時，設備地址為02H。由于是由主機對從機的寫操作，所以功能碼為06H(03H為讀操作);數(shù)據包含寫數(shù)據地址高位00H、寫數(shù)據地址低位08H、數(shù)據內容高位13H、數(shù)據內容低位88H;CRC校驗是根據數(shù)據內容得出的校驗結果，包含校驗內容的高位和低位。

每個從機接收到主機命令后都要進行地址判斷，只有從機地址為02H的變頻器回應主機命令信息，RTU從機回應信息幀格式和RTU主機命令信息幀格式完全一樣。根據RTU通信幀的格式可知，若已知變頻器某些功能所對應的寄存器地址和該寄存器所存放的數(shù)據代表的意義，就可以輕松實現(xiàn)對變頻器寄存器的讀寫操作。本系統(tǒng)需要通過工控機設置變頻器的頻率、讀取變頻器的狀態(tài)和運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 變頻器設備驅動

利用MCGS腳本驅動開發(fā)工具V2.0編寫變頻器的設備驅動。腳本驅動屏蔽了大量技術細節(jié)，操作簡單是腳本驅動最大的特點，只要會使用MCGS軟件，初學者在4～5 h內就可以全面掌握腳本驅動程序的開發(fā)過程［6］。在整個開發(fā)過程中，用戶只需分析設備的通信協(xié)議并解析從設備讀取回來的數(shù)據，這樣就可完成設備驅動的編寫、調試和現(xiàn)場應用。文中已經對設備的通信協(xié)議進行了詳細的分析，且已知變頻器特定功能的地址和數(shù)據代碼，接下來可以快速編寫此設備的驅動程序。

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

人機交互界面上變頻器的“啟動”按鈕屬性設置為“按下為1、松開為0”，按下啟動按鈕，則Start=1;工控機將通過RS-485串口，向變頻器內部地址為1000H的寄存器寫入數(shù)據0001H，啟動變頻器。為了保證數(shù)據的準確傳輸，需要對數(shù)組SendByteArr進行CRC校驗;!DevWriteAndReadByteArr()函數(shù)的作用是向串口發(fā)送SendByteArr數(shù)組的前8個字節(jié)，發(fā)送完畢后再從串口讀取數(shù)據。如果已經讀取了RecByteArr1數(shù)組的8個字節(jié)，或是在通信延時時間(200 ms)內未讀取完畢，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)設置為2，通信正常時通信狀態(tài)值為0。變頻器停止和故障復位的代碼以及設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，只需改變寄存器的地址和相應的數(shù)據內容即可。

讀取變頻器的狀態(tài)和運行頻率時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)據個數(shù)寫到數(shù)組的對應位置上，代碼的其他部分不變。讀取回來的數(shù)據需要進行解析，讀取變頻器運行狀態(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容輸出到變量“開關數(shù)據”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)據送入相應的通道。

由上述代碼可以看出，腳本驅動程序的開發(fā)是相當簡單的，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，即可在設備管理器中調用此設備驅動，實現(xiàn)工控機與變頻器的通信。

將變頻器腳本驅動加載到MCGSE設備窗口后，在軟件的實時數(shù)據庫中添加相應的數(shù)據類型;接著對所添加的數(shù)據進行設置，使組態(tài)軟件數(shù)據庫中的數(shù)據與變頻器寄存器內的數(shù)據相對應;然后根據繪制好的人機交互界面重新設置組態(tài)系統(tǒng)的相關特性;最后將組態(tài)好的系統(tǒng)下載到TPC7062K工控機上，實現(xiàn)工控機與變頻器的通信［11－12］。

3 結束語

稀土萃取流量控制系統(tǒng)通過自行開發(fā)的變頻器設備驅動，真正實現(xiàn)了人機信息交互，大大提高了整個生產系統(tǒng)的自動化程度。系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠，適于長期連續(xù)工作，故障率低。本系統(tǒng)已在稀土生產單位投入使用，它很好地完成了流量控制任務，取得了較大的經濟效益。

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