基于STM32的选煤厂压滤机安全运行监测装置的研发

李 燕

(华北科技学院 电子信息工程学院，北京 东燕郊 065201)

0 引言

近年来随着煤矿不断开采，煤炭作为不可再生能源其数量越来越少，而现有煤炭加工工艺还不够精细，处理过后的煤泥中存有大量因设备精细程度不够而残留的可用煤炭资源。经过相关数据统计，中国煤炭资源的平均回收率只有50%左右，而美国、澳大利亚等发达国家的煤炭资源的平均回收率却有80%左右[1]，差距很大。为尽最大程度地回收利用煤炭资源，针对煤泥水处理现阶段洗煤厂多采用压滤机对煤泥进行压滤处理，不仅能够充分节约水资源，减少废水外排，在保护环境上也能发挥巨大作用。

压滤机电机作为生产过程中的重要驱动设备，其运行状态正常与否对压滤机的稳定起着至关重要的作用，且压滤机作为洗煤厂的大型设备，一台压滤设备出现故障将会影响整个生产线系统，造成无法估量的损失。一般压滤机电机故障诊断与维护工作主要依靠人工检查来发现问题，该法任务繁重且对压滤机的突发故障起不到预防作用，因此开发一款智能化监测装置实时监测压滤机的运行情况具有重大意义[2]。

压滤机运行异常的会通过一些物理量的形式表征出来，如压滤机电机长时间过载、绝缘局部损坏等异常运行情况会引起电机温度过高，负载过大会使电机工作电流超过额定电流。调研考察中发现洗煤厂使用的板框式压滤机实际负荷都高于标称负荷，这样不但增加了电力电耗用量，还增加了压滤机的损耗和磨损，零部件的磨损会引起电机的振动异常。

本文提出基于高性能处理器STM32的选煤厂压滤机电机安全监测装置的研发[3]，通过对压滤机电机温度、振动及电流的监测与处理判断电机运行情况，监测数据通过RS485总线发送至管理终端，实时监测压滤机电机运行状况。

1 板框式压滤机结构及工作原理

目前我国压滤机主要生产厂家有山东景津、杭州兴源、上海大张等，板框式压滤机不仅被用在工业废水处理中，其在选煤厂煤泥水加工处理、精煤回收中也发挥了巨大作用。板框式压滤机主要由三大部分组成，包括机械部分、电气部分及液压部分，如图1所示。机械部分有止推板、滤板、滤布、主梁、压紧板等；电气部分有电控柜等相关电气元件；液压部分有泵站、压力阀等。

板框压滤机开始作业前要将干净完整的滤布固定在滤板上；在活塞杆的推动下，压紧板将滤板压紧，这样相邻滤板之间便形成了密闭滤室；煤泥水通过进污管从止推板的进料口进入各个滤室，煤泥水在液压系统的推压作用下，实现煤与水的分离，滤液经出水口流出，压滤形成的煤饼留在滤室内；经过一段时间成型后，滤板在泵站的给压下被拉开，滤饼由于重力以及刮板机的作用下落在传送带上，这样就实现了煤泥水的分离。

2 系统总体设计

实验的开发与设计以较高性能的STM32处理器为核心，完成各功能模块的硬件电路设计，包括电源电路、显示电路、温度监测电路、振动监测电路、红外线接收电路、RS485通讯电路等[4-8]。软件移植FreeRTOS多任务操作系统，将程序划分为显示、温度监测、振动监测[9-10]、红外线接收与解码、RS485发送和RS485接收等多个并发任务，每个任务只需完成各自指定功能，任务间通过信号量、事件标志组以及消息队列进行通讯和数据的传输，提高CPU的执行效率，降低程序的开发难度，增加程序的可读性，缩短软件的开发周期。

单台设备结构框图，如下图2所示。

该装置支持7 V至28 V交流电输入，基于BUCK降压拓扑并采用MP1584组成降压电路，实现5 V电压输出，为负载提供5 V/3 A电源；基于LDO线性稳压，采用AMS1117为部分负载和单片机提供3.3 V/1 A电源。

设计中E2PROM选用AT24C02，有一个专门的写保护功能，实现掉电记忆功能，其内部含有256个字节，通过I2C总线与STM32进行通信，用于存储通讯地址及波特率、电流互感器变比、振动量程、报警阈值等参数。

界面显示选用了2.8寸TFTLCD，其显示分辨率为320×240，接口为16位的8080并口，通过STM32的FSMC(可变静态存储控制器)接口与其相接，相比使用GPIO口的驱动，数据传输速度大大提高。设置了四个按键作为人机交互的输入，用户可通过按键调整本机通讯地址、波特率、电流互感器变比、振动量程等参数。

考虑生产现场往往会有多台机电设备，为实现集中监控，每台监测装置设计RS485总线接口，以实现监测终端与上位机之间的通信。

3 软件结构

基于RTOS应用系统中，有多个并行的任务在相对长的宏观时间维度上看是多个任务并行运行的，但是实际上任一时刻只有一个任务或者中断函数在占用CPU内核，因此这种并行是“伪并行”。RTOS的最主要的目的就是通过软件方法将硬件CPU内核程序运行环境抽象为每一个应用任务虚拟出一个软核。通过快照保存切入切出实现多任务伪并行运行。FreeRTOS是一个可裁剪、可剥夺型的多任务内核，并且没有任务数量限制。FreeRTOS提供了实时操作系统所需的所有功能，有资源管理、同步、任务通信等[10]。FreeRTOS免费并且开放源码，可以免费应用于商业产品，开放源码便于学习操作系统原理，对操作系统裁剪以适应不同硬件。

监测装置将温度采集、振动信号提取及电流信号监测、LCD界面显示、参数修改、任务通讯等功能于一体，使用基于FreeRTOS实时多任务操作系统开发，任务之间通过信号量、事件标志组、设置临界区等通信机制进行配合，模块化编程，提高代码编写效率。软件总体架构如图3所示。

图3 软件总体架构

3.1 实验测试

为检验系统设计的可行性，在实验室采用一台额定功率1.5 kW的小型三相异步电动机进行测试，该电机在50 Hz/380 V条件下转速为2845 rpm，额定电流为2.73 A。电机运行一段时间后内部转子温度上升，运行20分钟后，通过温度传感器采集到的温度达到37℃，与使用温度计测量度数基本一致。实验中每间隔10分钟读取一次数据，实验数据见表1。

表1 测量结果表

实验中在0～30分钟时间段内电机温度随运行时间的增加上升；电机启动时振动较为剧烈，运行平稳后振动较为稳定，为监测运行故障时的结果，在电机运行至40分钟时，人为干涉使其发生堵转，发现电机温度急速上升振动加强，电流急剧增加。运行至60分钟时电机t停止运行，温度达到79.8℃。三相异步电机的工作原理是电磁感应定律，三相电机可以理解为变压器，当电机发生堵转时，转子停止运动，定子和转子的相对速度变大，磁感线切割速度加快，因此绕组内部的感应电流就会增大，因此当电机发生转时电流会急剧增大，温度增加，如果没有及时切断电源，电机将会被烧坏。

4 结论

(1) 本文以温度、振动和电流作为监测指标，基于STM32开发了选煤厂压滤机电机监测装置。设备以高性能处理器芯片STM32F407ZGT6为核心，基于FreeRTOS实时多任务操作系统进行软件开发，改善了传统洗煤厂压滤机设备监测的不足，提高了煤泥处理效率。因此本次研究与开发对于压滤机设备的监测具有一定价值。

(2) 随着人工智能、大数据、工业物联网的发展，我国在煤炭回收利用领域取得了一定地发展，将人工智能应用到传统煤炭产业的回收与开发中具有非常远大的前景，在接下来的研发中将增加人工智能等先进技术的应用以确保监测到更为精确、可靠的数据。