無線通信電臺在選礦廠DCS中的設(shè)計與應用

余冰

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

無線通信電臺在選礦廠DCS中的設(shè)計與應用

余冰

（江西瑞林電氣自動化有限公司，江西南昌 330031）

選礦廠DCS是數(shù)字化礦山的重要組成部分，本文綜合考慮紫金集團某礦業(yè)大型選礦廠的工業(yè)環(huán)境，設(shè)計了基于Atmega1281和CC1100無線通信電臺的硬件電路，并成功應用于該選礦廠DCS的Profibus DP總線網(wǎng)絡(luò)中，解決了周邊傳動型濃密機無法敷設(shè)通信線纜的難題。實踐表明，該無線通信電臺誤碼率、可靠性及實時性滿足現(xiàn)場需求。

無線通信電臺；DCS；Profibus DP；CC1100

隨著自動化技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)、視頻圖像技術(shù)及通訊技術(shù)的迅速發(fā)展，工業(yè)設(shè)備的自動化程度不斷提高，選礦廠全流程自動化系統(tǒng)越來越多地應用在各類金屬非金屬礦山中[1]。選礦流程的智能化、數(shù)字化極大地提高了生產(chǎn)效率，也減少了耗能成本與人力成本。選礦廠的全流程自動化系統(tǒng)包括破碎連鎖控制、磨礦分級優(yōu)化控制、浮選控制、精礦脫水控制及尾礦泵房控制。其常規(guī)設(shè)計包括1個車間級中控室和1個廠級調(diào)度中心。AS控制站與各車間遠程I/O站之間通常采用總線通信方式，但由于選礦工藝分散、工況復雜及布線困難等情況，常常導致諸如周邊傳動型濃密機類型的第三方通信設(shè)備等無法進行總線電纜的敷設(shè)。本文結(jié)合某大型選礦廠的實際情況，設(shè)計了一套基于Profibus總線通信的無線傳輸電臺，解決了第三方通信設(shè)備無法布線的難題。

1　無線通信電臺的硬件設(shè)計

通過比較TI公司與Nodic公司所產(chǎn)無線芯片的工作頻段、調(diào)制方式、傳輸速率、切換時間及工作模式等參數(shù)[2]，本文最終選用TI公司的CC1100。CC1100是一種低成本單片UHF收發(fā)器，電路主要設(shè)定為315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz等頻段，在低傳輸速率時，傳輸距離可達300~400 m。其主要操作參數(shù)和FIFO（先進先出堆棧）可通過SPI接口進行控制。CC1100的應用電路如圖1所示。

由圖1可以看出，C131、C121、L131和L121形成一個平衡轉(zhuǎn)換器，將CC1100上的微分RF端口轉(zhuǎn)換成單端RF信號，調(diào)節(jié)LC網(wǎng)絡(luò)阻抗值與平衡轉(zhuǎn)換器值以匹配50 Ω的天線，晶體振蕩器附帶有2個C81和C101的負載電容，各元器件的設(shè)定值如表1所示。

圖1　CC1100應用電路

表1　CC1100應用電路圖中各元器件值

CC1100通過四線 SPI接口（SI、SO、SCLK和CSn）進行配置，該接口同時用來讀寫緩存數(shù)據(jù)。CC1100的配置寄存器地址為0x00到0x2F之間，所有寄存器均能讀和寫。寫寄存器時，待寫字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊I引腳后，狀態(tài)字節(jié)將被送至SO引腳。CC1100的TX FIFO與RX FIFO的存儲容量為64 kb，地址均為0x3F。當讀/寫位為0時，單片機訪問TX FIFO；當讀/寫位為1時，單片機訪問RX FIFO。發(fā)送數(shù)據(jù)時，發(fā)射端要對緩沖區(qū)設(shè)置單次發(fā)送的數(shù)據(jù)包個數(shù)，并寫入要發(fā)送的數(shù)據(jù)包，數(shù)據(jù)自動加前導碼和校驗，接著進入發(fā)送模式，等待本次發(fā)送結(jié)束后沖洗緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)發(fā)送。接收數(shù)據(jù)時，接收端進入接收模式，等待接收信息完成后分解所收到的數(shù)據(jù)包并存儲，最后清洗緩沖區(qū)，完成數(shù)據(jù)接收。相對于其他的無線收發(fā)芯片，CC1100具有包處理機制、發(fā)送FIF0、接收FIF0、WOR模式等特點。當需要發(fā)射數(shù)據(jù)時，只需將發(fā)射的數(shù)據(jù)按照既定格式通過SPI口寫入到發(fā)射FIF0，然后把CC1100配置成發(fā)射狀態(tài)，數(shù)據(jù)就會按照要求進行發(fā)送；當需要接收數(shù)據(jù)時，首先將CC1100配置成接收狀態(tài)，一旦收到既定格式的數(shù)據(jù)，CC1100就會把收到的數(shù)據(jù)存入接收FIF0，同時引腳GD01或GD02會有一個脈沖出現(xiàn)，該脈沖用以告知Atmega1281單片機有數(shù)據(jù)包已接收完成，以便單片機通過SPI口讀取CC1100收到的數(shù)據(jù)。

2　選礦廠DCS系統(tǒng)設(shè)計

本文所提到的DCS系統(tǒng)應用在紫金集團某大型礦山中,主要由設(shè)于磨浮車間低配室的1套416 H冗余CPU、設(shè)于破碎配電室的414 H冗余CPU及設(shè)于各流程車間的遠程I/O站組成，如圓錐破碎機、球磨機、濃密機、壓縮過濾機及尾礦高壓泵等第三方設(shè)備通過有線或無線Profibus DP總線方式傳輸至DCS系統(tǒng)，并在磨浮中央控制室設(shè)置1臺工程師站及2臺操作員站，在破碎操作室設(shè)置1臺操作員站。其中，磨浮車間的416 H冗余CPU主要負責磨礦分級、浮選機、精礦脫水、尾礦泵房及回水池中各類電氣設(shè)備、儀表設(shè)備及第三方通訊的設(shè)備的集中、連鎖控制，圖2為該416 H冗余CPU及對應精礦車間、尾礦車間及藥劑添加等遠程I/O站的硬件組態(tài)及網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。破碎配電室的414 H冗余CPU主要負責破碎篩分車間中1~9#轉(zhuǎn)運站皮帶、圓錐破碎機、給料機等電氣儀表設(shè)備的集中、連鎖控制。

圖2　磨浮車間416 H冗余CPU硬件組態(tài)

該DCS系統(tǒng)的變成組態(tài)軟件采用西門子PCS7中文版本V8.0,每臺工程師站與操作員站配置2000PO授權(quán),滿足對該選礦廠生產(chǎn)過程中所有設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制、計量以及存儲等方面的需求。操作人員可通過鍵盤或鼠標對畫面中的任何被控裝置進行手動控制[3]。當現(xiàn)場設(shè)備處于自動程控狀態(tài)時,模擬圖標上將反映出運行設(shè)備的最新狀態(tài)及自動程序當前精度。若自動程序失敗或現(xiàn)場設(shè)備發(fā)生故障，則有報警并顯示故障信息,同時對現(xiàn)場所有電氣儀表設(shè)備運行狀態(tài)進行歸檔,方便操作人員隨時進行設(shè)備狀態(tài)的跟蹤查詢。

3　數(shù)傳電臺在該DCS系統(tǒng)中的應用

本文所提到的DCS系統(tǒng)中，精礦脫水、尾礦泵房、藥劑制備等子車間遠程I/O站點通過光纖媒介以Profibus總線方式連接至上述對應的冗余CPU，各遠程I/O站點就近的電氣儀表設(shè)備通過控制電纜連接。

在選礦廠的各類設(shè)備中，濃密機是濃縮礦漿的重要設(shè)備，在選礦廠中的應用極為廣泛。濃密機多為戶外選址，且較為分散，生產(chǎn)過程主要以現(xiàn)場手動操作為主，自動化水平較低，操作極為不便。本文以實現(xiàn)該選礦廠5臺濃密機的集中控制、減輕操作工人勞動強度、簡化人員配置、提高濃密機生產(chǎn)效率及實現(xiàn)底流濃度自動控制為目的，以該選礦廠DCS為平臺，綜合考慮周邊驅(qū)動型濃密機（尾礦濃密機）無法進行線纜敷設(shè)的特點，設(shè)計了1套無線通信電臺并成功應用于尾礦濃密機的Profibus總線通信中。濃密機網(wǎng)絡(luò)拓撲圖見圖3。

圖3　濃密機網(wǎng)絡(luò)拓撲

從圖3可以看出,銅、鉛、鋅、硫精礦濃密機通過有線Profibus總線方式連接至就近的精礦脫水遠程I/O站點，而周邊驅(qū)動型尾礦濃密機控制站通過在硫濃密機平臺設(shè)置1臺無線傳輸電臺進行數(shù)據(jù)傳輸。DCS分配1段8字輸入、8字輸出的地址空間與尾礦濃密機本體的315 PN/DP控制系統(tǒng)進行通信，雙方通信格式參考表2。

4　工程數(shù)據(jù)

精礦脫水遠程I/O站柜體內(nèi)設(shè)置1套西門子Y-Link通信設(shè)備，與銅、鉛、鋅、硫精礦及尾礦濃密機的西門子300系列控制系統(tǒng)進行通信，站點地址分別為3、4、5、6，其中硫精礦與尾礦濃密機之間通過無線傳輸電臺進行通信。其工程應用數(shù)據(jù)詳見圖4，其中IW地址保存濃密機開關(guān)量狀態(tài)、模擬量狀態(tài)的實時數(shù)據(jù)，QW地址保存DCS集中控制命令，具體含義參考表2。

表2　尾礦濃密機無線DP站點數(shù)據(jù)

圖4　銅、鉛、鋅、硫精礦及尾礦濃密機數(shù)據(jù)監(jiān)控

5　結(jié)論

本文設(shè)計提出的無線傳輸電臺成功應用于紫金集團某大型礦山選礦廠全流程自動化系統(tǒng)中，解決了周邊驅(qū)動型濃密機無法進行線纜敷設(shè)的難題。該無線通信電臺誤碼率、可靠性及實時性滿足現(xiàn)場需求，實現(xiàn)了該選礦廠共5臺濃密機的集中控制，達到了減員簡配、提高生產(chǎn)效率的效果。

[1]劉偉軍.無線現(xiàn)場總線系統(tǒng)的開發(fā)與應用[J].自動化與儀器儀表, 2010(2):41-42.

[2]關(guān)可,盛惠興,王海濱,等.基于nRF905的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設(shè)計[J].信息安全與通信保密,2009(3):85-88.

[3]梁強.西門子PLC控制系統(tǒng)設(shè)計及應用[M].北京：中國電力出版社,2011.

Design and Application of Wireless Communication Station in Concentrator DCS

YU Bing
(Jiangxi Nerin Electric Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Concentrator DCS is important component of digital mine,industrial environment of a large concentrator in Zijin Group should be taken into consideration in this paper,hardware circuit based on Atmega1281and CC1100 wireless communication station has been designed and successfully applied in Profibus DP busbar network of concentrator DCS,and it can solve the problems that communication cables of drive thickener cannot be laid.The practice shows that error rate,reliability and real-time of the wireless communication station can meet site requirements.

wireless communication station;DCS;Profibus DP;CC1100

TP273

B

1004-4345(2015)04-0046-03

2015-03-03

余冰（1985—），男，主要從事儀表自動化的設(shè)計與實施工作。