基于矿浆在线取样控制系统的软件开发

王诗然 赵 宇 赵海利

(1.矿冶科技集团有限公司，北京100160；2.矿冶过程自动控制技术国家重点实验室，北京 102628；3.矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京 102628)

矿浆取样是选矿生产管理和技术管理的重要环节，它对选矿厂完成各项技术经济指标起到至关重要的作用[1]。通过对选矿过程的系统检查，取得各种生产数据，才能分析选矿工艺过程是否正常，评定选矿工作的质量。只有通过取样才能查明妨碍工艺过程的不利因素，并采取有效措施来改善工艺过程。

矿浆的取样样品包括原矿(一般取分级机溢流)、精矿、尾矿及中间产品。现场生产一般都采用在线取样器，供化学分析及后续流程使用。本文的设计涵盖了原矿、精矿、尾矿和中间产品的取样点控制。基于嵌入式控制技术，利用BGRIMM Controller和昆仑通态触摸屏搭建了调试环境，根据取样器的定制功能，设计出符合需求的矿浆在线取样程序，同时开发了基于MCGS组态软件的人机交互界面，用于状态的显示和参数的配置等。本文将对软件的总体框架和各分功能进行具体的描述，并介绍人机交互界面的设计和联调的方法及测试结果，最后总结利用Keil uVision4 MDK设计的针对矿浆在线取样控制应用程序的开发方法，并应用此方法指导同类型取样器的设计，同时为实时取样控制软件的开发提供借鉴。

1 总体设计

矿浆在线取样系统主要包含控制箱、取样器，以及其他协同工作的仪器设备等。控制箱是整个取样系统的核心部分，由控制器、人机交互界面、输入输出接口及通讯线缆等组成。本文采用BSCS(BGRIMM Sampler Control System)取样器控制箱，负责与各采样点取样器和BOXA在线荧光分析仪或BPSM粒度分析仪等其他仪器设备的通讯连接，并控制各取样器的IO(输入输出)点。BSCS取样器控制箱的组成[2]及通讯方式如图1所示。

图1 BSCS取样器控制箱Fig.1 BSCS sampler controller

根据取样系统的各部分组成，所设计的软件系统主要是指控制器(BGRIMM Controller)和人机交互界面的开发，以保证取样器和其他设备的协同工作。首先需要了解取样器的工作机制，以及选矿厂各采样点(原矿、精矿、尾矿等)对取样器逻辑时序的具体要求，同时考虑其他相关设备的工作情况进行综合设计。

选用的取样器为矿冶科技集团有限公司与加拿大H&S公司合作，联合推广的新一代产品，针对国内传统取样器代表性差、取样量难以控制、取样管路易堵塞等问题开发。其独特的结构能够保证良好的取样代表性，取样间隔和取样时间等参数调节方便，可以定时清理取样管道和取样刀口，使用方便、可靠。具体选用型号为M系列(M1350、M1500等)和TMC系列(TMC14、TMC18等)，属于目前矿山企业中较为通用的几种类型。M系列可用于大流量工况的在线分析或冶金学工艺参数计算，也可用于管道、软管或流槽的间歇取样、一次取样或二次取样。TMC系列用于工艺过程监视，适用于流槽，用于在线分析仪器取样，采用自流管道在线取样的最新技术，可进行取样刀口的反冲洗。

取样器具有：1)可实现在矿浆管道上在线自动取样；2)取样量大小可在不停矿情况下，由用户根据实际情况进行调节；3)取样时间和间隔可以自由调节，使用安全，便于操作；4)占用空间少，便于安装，对矿浆管道无任何落差损失；5)取样管道可以进行自动定时冲洗，保证取样管道畅通；6)独特的取样结构，使得取样管截取的矿样具有良好的代表性；7)箱体与矿浆接触表面全部衬胶，取样刀口采用聚氨酯特制材料加工，使得取样器具有良好的耐磨性、耐腐蚀性，使用寿命长。

基于M系列和TMC系列的取样器控制方法不同，控制器中应用程序的设计也不一样，差异较大。人机交互界面的设计相对灵活，但要依据应用程序所涉及的参数、IO点地址以及逻辑时序等仔细规划，才能开发出既满足工况需求又有个性化配置的软件系统。软件总体架构如图2所示。

图2 软件总体设计图Fig.2 The overall design of software

其中，应用程序和人机界面的开发设计最好在单独测试通过的情况下进行联调，再针对联调过程中出现的问题进行修改，最终完成全部设计。这种开发思路能够快速定位故障点，排查问题较为高效，可供参考借鉴。

2 软件功能设计与实现

基于ARM开发技术，首先利用嵌入式控制器的相关特性搭建了取样控制系统软件框架，然后根据取样器控制需求进行功能定制，最后总结提出了基于Keil uVision4的取样控制软件开发方法，并配合此方法开发了触摸屏界面软件，旨在为同类型取样控制软件的开发提供借鉴。

采用的Keil uVision4开发平台，引入灵活的窗口管理系统，使开发人员能够使用多台监视器，新的用户界面可以更好地利用屏幕空间和更有效地组织多个窗口，提供一个整洁、高效的环境开发应用程序。新版本支持更多的ARM芯片，还添加了其他的新功能，同时ARM公司发布的最新集成开发环境RealView MDK的开发工具中集成了Keil uVision4，其编译器、调试工具可实现与ARM器件的最完美匹配。本文选用Keil uVision4，旨在提高开发人员的生产力，实现更快、更有效的程序开发。

2.1 取样器功能分析

2.1.1 TMC系列取样器

TMC系列取样器用于工艺过程监视，本文涉及型号有TMC12、TMC14和TMC18等，适用于流槽，用于在线分析仪器取样，采用自流管道在线取样的最新技术，可进行取样刀口的反冲洗。在无任何外界干扰，取样器与分析仪或粒度仪等协同仪器设备都正常工作的情况下，自动取样流程如图3所示。

图3 TMC系列取样器自动取样流程Fig.3 Automatic sampling process of TMC series sampler

TMC系列取样器的刀口动作相对简单，根据取样信号，控制胶管阀的开关，同时配合上冲洗和下冲洗的时间，整个流程比较顺畅，但是如果与其他设备协同工作，就要考虑不同时间点的逻辑控制情况，软件设计方法在后面介绍。其中的具体细节不在流程图中表示，包括强制退出、各IO点在对应时刻的动作及需配合BOXA分析仪或BPSM粒度仪之间的通讯等。

2.1.2 M系列取样器

M系列取样器主要应用有M1350、M1500和M1880三种型号。M1350取样刀口对全部矿浆的垂直切割保证具有良好的取样代表性，通过对浮选原矿、总尾矿和精矿的精确取样来提高效益；M1500用于大流量工况的在线分析仪或冶金学工艺参数计算的取样器，通过对关键流程的精确取样可以增加经济效益；M1880可用于管道、软管或流槽的间歇取样、一次取样或二次取样。

在无任何外界干扰，取样器与分析仪或粒度仪等协同仪器设备都正常工作的情况下，自动取样流程如图4所示。

图4 M系列取样器自动取样流程Fig.4 Automatic sampling process of M series sampler

M系列取样器控制逻辑比较复杂，需要考虑气缸摆动、故障判断、报警回传等，其中具体细节不在流程图中表示，包括强制退出、各IO点在对应时刻的动作及需配合BOXA分析仪或BPSM粒度仪等协同设备之间的通讯。M系列之间不同型号的取样器功能也不完全一致，具体差异不赘述。

2.2 取样点程序设计

根据不同矿浆采样点(原矿、精矿、尾矿等)的需求，确定所使用的取样器型号，分析对应型号取样器的功能，程序的设计才能有的放矢。由2.1节的分析可知，每种型号的取样器控制逻辑都不一样，但总体架构是一样的，只需分为单独的模块进行处理。在系统模式中一个工程可以分解成若干子工程同时开发，最后统一集成到操作系统中[3]。

本文采用C语言进行编写，在ARM开发平台上，利用Keil uVision4 MDK进行设计。首先确定所使用的参数及数据类型，根据通讯配置等规划对应的地址区域，如控制胶管阀和冲洗水阀的DO点，应放在地址0区，供输入输出操作，气缸动作是否到位的DI点，应放在地址1区，供传感器输入操作，还有其他数值型的参数变量等，要区分只读或读写的范围，完成参数分配后进行各功能模块的设计，即程序中相对独立的函数部分，如原矿点取样过程函数、常开函数等，其中具体选用C语言的哪种函数没有限制，依据个人习惯及最优方式选取即可。这种编写方法可以快速有效的完成设计，而不会因为后续某个部分的错误导致前期的设计全部修改。

各功能模块组成程序的主体部分，具体函数之间的关系再由其他的函数模块进行控制。这里主要是指异常情况，如模式切换，从自动取样模式切换到常开模式，或者进入到维护模式等，取样器应如何动作；多协同设备同时工作时，如何依据各自的取样信号来控制取样器的动作；故障情况下，如何判断并给出正确的报警信息，以及控制取样器的动作。对于函数之间的设计，注意优先级的使用，为保证控制的实时性，延时的时间要计算准确。各函数的编写根据实际取样过程进行，时序和逻辑判断符合需求，具体不再描述。

2.3 取样点测试

控制器的应用程序开发完成后，编译通过，即可进入测试环节。此时的测试属于模拟测试，因为控制器并未连接取样器及人机界面，但是对于代码的时序逻辑正确与否却是必要的，取样点测试主要是针对不同型号的取样器及其逻辑功能，进行打点测试，根据控制器各IO点的输入输出情况，确保控制器实现对取样器的实时有效控制。测试主要分硬件和软件两部分。

硬件测试主要是对控制器进行检测，确保控制器的硬件完整性，如与其他仪器设备的通讯连接是否正常，与人机交互界面的接口是否正常，输入输出的各IO功能是否符合要求，需要说明的是，测试中的各IO口必须全部检测通过，即使对于特定型号的取样器没有使用到该IO点，也要测试通过以保证备用或者其他需求。

软件测试最好在硬件测试通过的基础上进行，在排除硬件问题后，软件测试会更有针对性，也会更高效[4]。软件测试主要是依据原矿、精矿、尾矿等各采样点所使用的取样器型号，检查控制逻辑时序是否满足工艺需求，程序是否正确和合理，根据时序流程图，同时考虑各种可能的情况，逐一进行测试，不要遗漏任何异常情况，包括各种可能发生的故障状态，以保证测试中全面的排查各种问题。

3 界面设计与测试

人机交互界面的开发与测试，可以与控制器的应用程序并行进行，也可以在其之后。双方需要互相提供程序调用和运算的对象，即参数。为此要完成两个工作，为参数分配内存空间和实现参数在前后台的传递[5]。建议在控制器的应用程序开发完成并测试通过后开始人机交互界面的设计，主要原因是应用程序开发后，各IO口、通讯口以及对应的地址区都已确定，避免并行开发时双方同时修改参数带来的工作量。

人机交互界面的设计主要是对触摸屏，触摸屏是取样控制系统的显示部分，通常根据控制显示需求，进行定制化界面的开发。针对取样控制系统嵌入式单元人机界面，采用性价比较高的昆仑通态10.2英寸触摸屏，型号为TPC1061Ti。这种设计方法也适用于其他型号的昆仑通态触摸屏。

3.1 界面模块划分

人机交互界面主要负责控制取样器运行时序，实时显示取样器状态数据信息，对取样器进行时序参数设定、班取样相关操作以及报警历史记录查询等。触摸屏的界面设计根据实际需求进行，要充分考虑输入和输出各点的功能，以及需要配置的各类参数。

触摸屏操作大体包括以下几类，分别为：

1)状态信息，显示所连接各设备(取样器)的状态数据等；

2)用户权限管理，用于登陆、退出、添加删除用户等；

3)系统时间设置，用于设置取样控制系统的时间；

4)参数设置，用于设置各类参数及操作详细说明；

5)报警说明，用于报警记录查询及操作详细说明；

6)取样模式设置，用于设置取样器的工作模式，如自动、常开、维护等。

虽然不同类型的取样器，功能各不相同，但是在触摸屏的操作界面上，需要显示的内容基本是一致的，根据触摸屏操作的大致分类，将界面划分为图5所示的8个模块。

图5 人机交互界面模块划分Fig.5 Display modules of human-machine interface

3.2 界面功能设计

不同型号的取样器均可根据界面的模块划分进行设计，只是具体模块内容不同，选用TPC1061Ti型号的MCGS触摸屏，将原矿、精矿和尾矿等取样点的设计集成于一体进行介绍。根据3.1中模块的划分情况，介绍各显示界面模块内容。

启动窗口是指系统开机后显示的主界面，主界面列示出取样点名称和取样器状态，同时可滚动显示报警信息，方便用户查看。

开始菜单可以从主界面点击进入，包含用户登录、用户注销，以及各取样点参数设置、取样点详细信息、报警记录、用户管理、系统时间和调试界面，也可以从其他的任意界面进入，方便用户的跳转。从主界面登录后，系统默认的是最低权限的操作，只有通过用户登录后，才能根据不用的权限进入到不同的界面，此处建议最好设置不同层级的权限以保证使用安全，同时确保一定时间不操作，系统自动退出该用户。

取样点参数设置，主要是对取样器的各种参数进行配置，如前冲洗时间、后冲洗时间、气缸动作时间等。

取样点详细信息，主要显示对应取样点的IO状态，同时在此界面可以调试取样器，如自动、常开和维护等，在不同的模式下控制取样器的动作。

报警记录界面可以查看近期发生的所有报警信息，包括日期、时间、详细信息及结束时间等，还可进行报警清除。

用户管理主要是设置用户的权限，根据不用层级的用户，设置账号和密码，用于登录使用。

系统时间主要是设置取样系统的时间，一般情况下不需要修改，如果偏差较大时可以手动调整。

调试界面可以分别对取样器的DI和DO点进行调试，在维护模式下使用，主要用于检测设备运行或故障排查。

模块划分后，根据触摸屏的编程语言进行开发，设计基于MCGS组态软件，类似于Labview，但整体设计相对简单，先将参数等分配好，注意各模块的关联关系，开发会更高效。取样器除了可以单独工作外，还可以和其他在线仪器设备协同工作，如矿浆在线分析仪、粒度分析仪等，需要在控制器程序中加入对应的线程函数，同时在触摸屏上配置好参数，就可以完成多台设备的同时运行。

3.3 联调

人机交互界面不单单是一个显示屏，实际上一台可编程的控制器，有单独的IO接口，有输入输出的功能，在系统联调之前，必须对触摸屏进行测试。触摸屏的测试主要是硬件测试，可以设计简单的程序，对DI点、DO点、AI点、AO点以及通讯接口进行测试，保证输入输出功能的正常使用。

在控制器和触摸屏单独测试完成后，可以进行联调，最优的调试环境是能连接到取样器，如果实验室条件不允许，对取样器控制箱和触摸屏的联调必须保证没有问题[6]。

此时要严格按照取样器工作的逻辑时序以及其他可能的状况进行测试，不要遗漏任何可能的触发方式，以保证取样控制系统在矿山现场能够正常运行。

联调时要留有充足的时间进行拷机，通常为72 h，拷机过程中可以适当模拟真实的矿山现场工艺情况，同时注意观察整个系统各部分的运行情况，以达到验证的目的。本文所提的各种设计方法不仅使界面更美观协调，数据处理更高效，而且代码简单易懂，便于维护和扩展，达到了开发与设计的同步，缩短了开发周期。同时，方法有很大的灵活性，可根据实际情况修改调整。

4 结论

基于矿浆在线取样控制系统设计开发的软件，主要包括控制器软件和触摸屏软件两大部分。控制器软件在ARM开发平台上，利用Keil uVision4 MDK设计了针对不同类型取样器的在线控制应用程序，触摸屏软件是基于MCGS组态软件的人机交互界面，用于状态的显示和参数的配置等。用户可以根据实际情况进行调节，使用安全，便于操作，具有很好的可维护性和可扩展性，针对不同的采样点涉及M系列和TMC系列的多种型号取样器，还可配合BOXA在线分析仪和BPSM在线粒度仪等仪器设备协同工作。同时，系统保证取样器能发挥自身功效，具有良好的代表性，满足用户的工艺和工况需求。配备该软件的取样控制系统已经在沙溪铜矿、城门山铜矿等矿山企业得到应用，反应良好。