基于STM32的選煤廠壓濾機安全運行監(jiān)測裝置的研發(fā)

李 燕

(華北科技學院 電子信息工程學院，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，處理過后的煤泥中存有大量因設備精細程度不夠而殘留的可用煤炭資源。經(jīng)過相關數(shù)據(jù)統(tǒng)計，中國煤炭資源的平均回收率只有50%左右，而美國、澳大利亞等發(fā)達國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，針對煤泥水處理現(xiàn)階段洗煤廠多采用壓濾機對煤泥進行壓濾處理，不僅能夠充分節(jié)約水資源，減少廢水外排，在保護環(huán)境上也能發(fā)揮巨大作用。

壓濾機電機作為生產(chǎn)過程中的重要驅動設備，其運行狀態(tài)正常與否對壓濾機的穩(wěn)定起著至關重要的作用，且壓濾機作為洗煤廠的大型設備，一臺壓濾設備出現(xiàn)故障將會影響整個生產(chǎn)線系統(tǒng)，造成無法估量的損失。一般壓濾機電機故障診斷與維護工作主要依靠人工檢查來發(fā)現(xiàn)問題，該法任務繁重且對壓濾機的突發(fā)故障起不到預防作用，因此開發(fā)一款智能化監(jiān)測裝置實時監(jiān)測壓濾機的運行情況具有重大意義[2]。

壓濾機運行異常的會通過一些物理量的形式表征出來，如壓濾機電機長時間過載、絕緣局部損壞等異常運行情況會引起電機溫度過高，負載過大會使電機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實際負荷都高于標稱負荷，這樣不但增加了電力電耗用量，還增加了壓濾機的損耗和磨損，零部件的磨損會引起電機的振動異常。

本文提出基于高性能處理器STM32的選煤廠壓濾機電機安全監(jiān)測裝置的研發(fā)[3]，通過對壓濾機電機溫度、振動及電流的監(jiān)測與處理判斷電機運行情況，監(jiān)測數(shù)據(jù)通過RS485總線發(fā)送至管理終端，實時監(jiān)測壓濾機電機運行狀況。

1 板框式壓濾機結構及工作原理

目前我國壓濾機主要生產(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。板框式壓濾機主要由三大部分組成，包括機械部分、電氣部分及液壓部分，如圖1所示。機械部分有止推板、濾板、濾布、主梁、壓緊板等；電氣部分有電控柜等相關電氣元件；液壓部分有泵站、壓力閥等。

板框壓濾機開始作業(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；煤泥水通過進污管從止推板的進料口進入各個濾室，煤泥水在液壓系統(tǒng)的推壓作用下，實現(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的作用下落在傳送帶上，這樣就實現(xiàn)了煤泥水的分離。

2 系統(tǒng)總體設計

實驗的開發(fā)與設計以較高性能的STM32處理器為核心，完成各功能模塊的硬件電路設計，包括電源電路、顯示電路、溫度監(jiān)測電路、振動監(jiān)測電路、紅外線接收電路、RS485通訊電路等[4-8]。軟件移植FreeRTOS多任務操作系統(tǒng)，將程序劃分為顯示、溫度監(jiān)測、振動監(jiān)測[9-10]、紅外線接收與解碼、RS485發(fā)送和RS485接收等多個并發(fā)任務，每個任務只需完成各自指定功能，任務間通過信號量、事件標志組以及消息隊列進行通訊和數(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。

單臺設備結構框圖，如下圖2所示。

該裝置支持7 V至28 V交流電輸入，基于BUCK降壓拓撲并采用MP1584組成降壓電路，實現(xiàn)5 V電壓輸出，為負載提供5 V/3 A電源；基于LDO線性穩(wěn)壓，采用AMS1117為部分負載和單片機提供3.3 V/1 A電源。

設計中E2PROM選用AT24C02，有一個專門的寫保護功能，實現(xiàn)掉電記憶功能，其內(nèi)部含有256個字節(jié)，通過I2C總線與STM32進行通信，用于存儲通訊地址及波特率、電流互感器變比、振動量程、報警閾值等參數(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)存儲控制器)接口與其相接，相比使用GPIO口的驅動，數(shù)據(jù)傳輸速度大大提高。設置了四個按鍵作為人機交互的輸入，用戶可通過按鍵調(diào)整本機通訊地址、波特率、電流互感器變比、振動量程等參數(shù)。

考慮生產(chǎn)現(xiàn)場往往會有多臺機電設備，為實現(xiàn)集中監(jiān)控，每臺監(jiān)測裝置設計RS485總線接口，以實現(xiàn)監(jiān)測終端與上位機之間的通信。

3 軟件結構

基于RTOS應用系統(tǒng)中，有多個并行的任務在相對長的宏觀時間維度上看是多個任務并行運行的，但是實際上任一時刻只有一個任務或者中斷函數(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)核程序運行環(huán)境抽象為每一個應用任務虛擬出一個軟核。通過快照保存切入切出實現(xiàn)多任務偽并行運行。FreeRTOS是一個可裁剪、可剝奪型的多任務內(nèi)核，并且沒有任務數(shù)量限制。FreeRTOS提供了實時操作系統(tǒng)所需的所有功能，有資源管理、同步、任務通信等[10]。FreeRTOS免費并且開放源碼，可以免費應用于商業(yè)產(chǎn)品，開放源碼便于學習操作系統(tǒng)原理，對操作系統(tǒng)裁剪以適應不同硬件。

監(jiān)測裝置將溫度采集、振動信號提取及電流信號監(jiān)測、LCD界面顯示、參數(shù)修改、任務通訊等功能于一體，使用基于FreeRTOS實時多任務操作系統(tǒng)開發(fā)，任務之間通過信號量、事件標志組、設置臨界區(qū)等通信機制進行配合，模塊化編程，提高代碼編寫效率。軟件總體架構如圖3所示。

圖3 軟件總體架構

3.1 實驗測試

為檢驗系統(tǒng)設計的可行性，在實驗室采用一臺額定功率1.5 kW的小型三相異步電動機進行測試，該電機在50 Hz/380 V條件下轉速為2845 rpm，額定電流為2.73 A。電機運行一段時間后內(nèi)部轉子溫度上升，運行20分鐘后，通過溫度傳感器采集到的溫度達到37℃，與使用溫度計測量度數(shù)基本一致。實驗中每間隔10分鐘讀取一次數(shù)據(jù)，實驗數(shù)據(jù)見表1。

表1 測量結果表

實驗中在0～30分鐘時間段內(nèi)電機溫度隨運行時間的增加上升；電機啟動時振動較為劇烈，運行平穩(wěn)后振動較為穩(wěn)定，為監(jiān)測運行故障時的結果，在電機運行至40分鐘時，人為干涉使其發(fā)生堵轉，發(fā)現(xiàn)電機溫度急速上升振動加強，電流急劇增加。運行至60分鐘時電機t停止運行，溫度達到79.8℃。三相異步電機的工作原理是電磁感應定律，三相電機可以理解為變壓器，當電機發(fā)生堵轉時，轉子停止運動，定子和轉子的相對速度變大，磁感線切割速度加快，因此繞組內(nèi)部的感應電流就會增大，因此當電機發(fā)生轉時電流會急劇增大，溫度增加，如果沒有及時切斷電源，電機將會被燒壞。

4 結論

(1) 本文以溫度、振動和電流作為監(jiān)測指標，基于STM32開發(fā)了選煤廠壓濾機電機監(jiān)測裝置。設備以高性能處理器芯片STM32F407ZGT6為核心，基于FreeRTOS實時多任務操作系統(tǒng)進行軟件開發(fā)，改善了傳統(tǒng)洗煤廠壓濾機設備監(jiān)測的不足，提高了煤泥處理效率。因此本次研究與開發(fā)對于壓濾機設備的監(jiān)測具有一定價值。

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