基于智能儀表的磨礦自動化與信息化研究與開發(fā)

王美燕，王建民

(1.華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.曹妃甸發(fā)展投資公司，河北 唐山 063200)

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基于智能儀表的磨礦自動化與信息化研究與開發(fā)

王美燕1,2，王建民1

(1.華北理工大學(xué) 電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063009；2.曹妃甸發(fā)展投資公司，河北 唐山 063200)

選礦自動化；信息化；磨機(jī)控制儀；互聯(lián)網(wǎng)+

本文論述一種基于磨機(jī)控制儀表的磨礦自動化與信息化系統(tǒng)。實現(xiàn)了嵌入式磨礦智能控制儀的設(shè)計，介紹了監(jiān)控軟件系統(tǒng)的設(shè)計方法，說明了基于以太網(wǎng)與Internet的信息化解決方案，說明了基于數(shù)據(jù)庫及網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管軟件的設(shè)計，實現(xiàn)了選礦自動化與信息化的結(jié)合。

我國礦企中，大型選礦企業(yè)數(shù)量約占3%，產(chǎn)量約占25%，中小型選礦企業(yè)產(chǎn)量約占75%。除了大型選礦企業(yè)實現(xiàn)了自動化，大部分中小選礦廠沒有實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化[1]。即使大型礦企，早期建設(shè)的生產(chǎn)線，也有相當(dāng)一部分還是手動操作。我國選礦自動化特別是中小選礦廠自動化的潛力還遠(yuǎn)沒有挖掘出來。

從選礦自動化的水平來看，磨礦是選礦生產(chǎn)過程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，現(xiàn)在的選礦自動化基本上停留在料、水局部參數(shù)的控制上，能夠?qū)崿F(xiàn)磨機(jī)負(fù)荷控制[2]等智能控制的企業(yè)很少。所以采用自動化提升生產(chǎn)效益的潛力有待進(jìn)一步提高。

另外，我國的大部分選礦自動化相對于企業(yè)的信息系統(tǒng)[3]是一個孤島，除了少數(shù)大型企業(yè)，大部分企業(yè)的自動化與企業(yè)信息化沒有聯(lián)系，企業(yè)的管理水平有待提高。

因此，需要開發(fā)出一套適合于中小選礦廠的自動化與互聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合的系統(tǒng)。該項目開發(fā)了一套基于專用智能儀表的，用C++進(jìn)行監(jiān)控界面設(shè)計，用C#進(jìn)行管理軟件設(shè)計的互聯(lián)網(wǎng)+磨礦自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有投資少、見效快、安裝簡單、操作方便、可靠性高、網(wǎng)絡(luò)化的特點(diǎn)。

1磨礦自動化與信息化的總體設(shè)計

中小型選礦廠實現(xiàn)磨礦自動化要求投入少、見效快、易于使用、便于維護(hù)。傳統(tǒng)的PLC構(gòu)成的磨礦集散控制系統(tǒng)[4]往往接線復(fù)雜、需要專業(yè)人員維護(hù)、投資高、與管理系統(tǒng)不容易結(jié)合，不能滿足中小選礦廠的要求。因此，采用專用磨機(jī)智能控制儀為基礎(chǔ)構(gòu)建的磨礦自動化系統(tǒng)，操作計算機(jī)軟件采用高級語言編程，一般現(xiàn)場人員就可掌握，可靠性高，便于維護(hù)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

磨機(jī)控制儀采用ARM單片機(jī)實現(xiàn)，液晶顯示，實現(xiàn)料與水的檢測與控制，實現(xiàn)磨音檢測、磨機(jī)電流檢測、礦漿濃度4～20 mA檢測接口，同時實現(xiàn)按鍵、指示燈、磨機(jī)等設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)輸入、連鎖等開關(guān)量輸入輸出接口。

操作計算機(jī)實現(xiàn)現(xiàn)場運(yùn)行的操作，具有工況圖顯示、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)顯示、運(yùn)行曲線等人機(jī)界面，并具有磨機(jī)負(fù)荷智能控制等功能。與磨機(jī)控制儀采用RS485通訊、MODBUS協(xié)議。軟件采用VC++編程。

礦內(nèi)管理信息系統(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)模式。服務(wù)器通過RS485及MODBUS協(xié)議與操作計算機(jī)實現(xiàn)通訊，數(shù)據(jù)存入SQL Server數(shù)據(jù)庫中，客戶機(jī)通過以太網(wǎng)讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，完成畫面顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)挖掘、報表打印等管理功能，采用VC#編程。

公司一級管理信息系統(tǒng)采用游覽器/服務(wù)器(B/S)模式,與操作計算機(jī)相連的GPRS模塊將運(yùn)行信號發(fā)送到通訊網(wǎng)絡(luò)，通過Internet傳輸?shù)竭h(yuǎn)程公司管理信息系統(tǒng)服務(wù)器。終端通過Internet游覽數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，完成畫面顯示、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、遠(yuǎn)程故障診斷等功能。

圖1　基于儀表的磨礦自動化與信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2磨礦控制儀的設(shè)計

2.1磨礦控制儀的硬件設(shè)計

磨礦控制儀采用功能強(qiáng)大的ARM系列單片機(jī)STM32F103ZET6實現(xiàn)。采用128×64點(diǎn)陣液晶顯示，15個按鍵，2個RS485通訊接口，11個光隔開關(guān)量輸入，4個用于指示的晶體管開關(guān)量輸出接口，3個用于設(shè)備驅(qū)動的繼電器輸出接口，檢測量包含皮帶秤重量、皮帶秤速度、水流量、磨機(jī)電流、磨音等。模擬輸出包含4路給料機(jī)、2路電動水閥門控制量。

為提高皮帶秤檢測精度，采用24位高精度無偽碼A/D轉(zhuǎn)換器CS5560芯片，壓力的差壓信號通過AD620放大。

皮帶秤速度檢測利用皮帶測速裝置的碼盤輸出的脈沖，通過單片機(jī)計數(shù)器在1s中的個數(shù)的計算實現(xiàn)。

其它模擬量信號的檢測采用A/D轉(zhuǎn)換器TCL2543實現(xiàn)，該轉(zhuǎn)換器12位精度，11路通道，0～5 V輸入。外部輸入的4～20 mA信號經(jīng)精密250 Ω電阻轉(zhuǎn)換成1～5 V信號接到A/D轉(zhuǎn)換器的輸入端。

磨音信號經(jīng)濾波、放大，轉(zhuǎn)換為0～5 V信號，接入A/D轉(zhuǎn)換器TCL2543輸入端。

模擬量輸出采用D/A轉(zhuǎn)換器TLC5615，輸出10位精度的1～5 V信號，再通過V/I轉(zhuǎn)換電路輸出4～20 mA電流信號。

兩路RS485輸出電路，采用具有抗雷擊保護(hù)的SN75LBC184芯片實現(xiàn)。

2.2磨礦控制儀的軟件設(shè)計

磨礦控制儀采用C語言編程，為了實現(xiàn)鍵盤輸入、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集、控制運(yùn)算、輸出控制、串行通訊等多任務(wù)功能，設(shè)計了等鍵函數(shù)getcha()。主程序在需要的地方調(diào)用等鍵函數(shù)，其基本框架如圖2所示，等鍵函數(shù)流程圖如圖3所示。

料水的控制采用PID算法，磨機(jī)負(fù)荷采用專家控制方法[4]。根據(jù)專家經(jīng)驗飽磨或欠磨情況各采用3級響應(yīng)處理，磨機(jī)負(fù)荷正常時，采用模糊PID控制。

圖2　主程序基本框架流程圖　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖3　等鍵函數(shù)流程圖

3監(jiān)控計算機(jī)的軟件設(shè)計

3.1實時監(jiān)控的實現(xiàn)

工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)大多數(shù)要求"實時"地檢測、顯示與控制。使用CWin：：SetTime()函數(shù)允許指定靜態(tài)函數(shù)，在定時器超時的情況下調(diào)用，每過50 ms向窗口類發(fā)送一個WM_TIMER消息，窗口類調(diào)用一次OnTimer 函數(shù)。在OnTimer 函數(shù)中，可以調(diào)用數(shù)據(jù)檢測、控制算法、控制輸出等函數(shù)。OnTimer 函數(shù)構(gòu)造為如下形式：

void CMjzdhView::OnTimer(UINT nIDEvent)

數(shù)據(jù)通訊；輸入檢測；控制算法；輸出刷新；報警輸出；畫面顯示；數(shù)據(jù)累計；

OnTimer實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的實時控制。

3.2命令及數(shù)據(jù)的輸入

Windows操作系統(tǒng)提供了方便的命令及數(shù)據(jù)輸入方法，菜單功能可以作為命令輸入，如運(yùn)行、暫停、打印等，對話框可用來進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入。

3.3工況圖的動態(tài)顯示

工況圖的動態(tài)顯示可以用位圖方法加以實現(xiàn)。程序通過周期調(diào)用不同畫面產(chǎn)生動畫效果，表現(xiàn)工況圖的動畫效果。

3.4數(shù)據(jù)通訊的實現(xiàn)

串行通訊使用MFC CFile類，采用多線程實現(xiàn)。為打開一個串行端口，需使用：

CFile file；

CFileException e；

file.Open(portName, CFile::modeReadWrite, &e );

從該端口進(jìn)行讀寫操作，需使用：

UINT nBytees = Read( Void * lpBuf, UINT nCount );

file.Write( void *lpBuf, UINT nCount ) ;

端口的波特率、奇偶位和停止位等，可以用Windows API 中的SetCommState()函數(shù)來設(shè)置。

通訊協(xié)議采用MODBUS協(xié)議，主從方式。與磨機(jī)控制儀的通訊，監(jiān)控計算機(jī)為主機(jī)。與管理計算機(jī)的通訊，監(jiān)控計算機(jī)為從機(jī)。監(jiān)控界面如圖4所示。

圖4　監(jiān)控計算機(jī)工況圖與運(yùn)行曲線

4管理計算機(jī)的軟件設(shè)計

管理計算機(jī)包含兩部分，一部分為在局域網(wǎng)基礎(chǔ)上由客戶端/服務(wù)器(C/S)模式組成的管理信息系統(tǒng)，用于職能科室如生產(chǎn)科、財務(wù)科的日常管理。一部分由游覽器/服務(wù)器(B/S)模式構(gòu)成的因特網(wǎng)管理系統(tǒng)，用于公司領(lǐng)導(dǎo)及遠(yuǎn)端工作人員使用。

4.1C/S模式內(nèi)部管理信息系統(tǒng)

C/S模式服務(wù)器的數(shù)據(jù)來源于監(jiān)控計算機(jī)。為了保證控制層的可靠性，服務(wù)器與監(jiān)控計算機(jī)采用RS485及MODBUS協(xié)議，從而保證了管理計算機(jī)的病毒不會侵入到控制級。

由監(jiān)控計算機(jī)傳送來的數(shù)據(jù)存入SQL2005數(shù)據(jù)庫，同時對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、運(yùn)行曲線顯示、報警輸出、打印等功能?？蛻魴C(jī)從數(shù)據(jù)庫取得數(shù)據(jù)，完成相應(yīng)的顯示、數(shù)據(jù)綜合、報表打印等工作。

管理計算機(jī)客戶端與服務(wù)器都采用C#語言編程，C#具有編程簡單、功能強(qiáng)、適合于網(wǎng)絡(luò)編程的特點(diǎn)。對數(shù)據(jù)庫的讀寫采用ADO技術(shù)，通過連接(connection)、命令(command)、數(shù)據(jù)讀取器(DataReader)、數(shù)據(jù)適配器(DataAdapter)、數(shù)據(jù)集(DataSet)實現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)操作。

為保證運(yùn)行的可靠性，管理界面只能顯示，不能對運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。

4.2B/S模式遠(yuǎn)程管理信息系統(tǒng)

B/S模式管理系統(tǒng)的服務(wù)器數(shù)據(jù)，由監(jiān)控計算機(jī)通過GPRS發(fā)送到無線通訊網(wǎng)絡(luò)，再由無線通訊網(wǎng)絡(luò)經(jīng)由Internet傳輸?shù)街付↖P地址的B/S模式管理系統(tǒng)的服務(wù)器，該服務(wù)器將信息接收并存入數(shù)據(jù)庫中。

監(jiān)控界面Web應(yīng)用程序由VS2010中的C#語言編寫，其類型為asp.net文件。 C#與SQL Server2005連接并讀取數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，一方面用于數(shù)據(jù)顯示，另一方面用于運(yùn)行曲線描點(diǎn)作圖數(shù)據(jù)并繪制圖形曲線，最后將其發(fā)布。遠(yuǎn)程公司管理人員在本地計算機(jī)打開指定IP地址的網(wǎng)頁就可以看到現(xiàn)場運(yùn)行的實時畫面。該系統(tǒng)初步實現(xiàn)了Internet與選礦自動化的結(jié)合，界面如圖5所示。

圖5　B/S模式管理計算機(jī)服務(wù)器發(fā)布界面

5結(jié)論

(1)該系統(tǒng)采用專用磨機(jī)智能控制儀表，現(xiàn)場安裝簡單，由儀表構(gòu)成的系統(tǒng)更接近現(xiàn)場，現(xiàn)場布線大大減少，維護(hù)簡單，一般技術(shù)人員就可維護(hù)，使得自動化可以在技術(shù)力量相對薄弱的中小選礦廠得以應(yīng)用。

(2)該系統(tǒng)的磨礦控制采用專家控制算法，該算法在承德興隆礦業(yè)公司磨礦自動化的試驗表明，操作簡單可靠，產(chǎn)量可提高10%左右。

(3)自動化與信息化的信息連接采用RS485通訊，既投資少，又可起到防火墻的作用，且可靠性高。

(4)信息化提升了管理水平，管理人員不用到現(xiàn)場即可通過網(wǎng)絡(luò)了解現(xiàn)場的運(yùn)行情況。該系統(tǒng)適合在中小選礦廠推廣應(yīng)用。

[1]楊琳琳,唐秀英,寧旺云.選礦自動化發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢[J]. 現(xiàn)代礦業(yè), 2012,516(4):116-118.

[2]鄒金慧,黃宋魏,許江淳.基于PLC的磨礦分級智能控制系統(tǒng)[J].自動化儀表,2007,28(11):43-45.

[3]辛智娟,梁銘力.綜合自動化在包鋼(集團(tuán))公司白云西礦選礦中的應(yīng)用[J].中國礦業(yè),2010,19(8):185-186.

[4]周平,柴天佑.磨礦過程磨機(jī)負(fù)荷的智能檢測與控制[J].控制理論與控制應(yīng)用,2008,25(6):1095-1098.

Research and Development of Grinding Automation and Informatization Based on Intelligent Instrument

WANG Mei-yan1,2，WANG Jian-min1

(1.College of Electrical Engineering, North China University of Science and Technology,Tangshan Hebei 063009, China;2.Tangshan Caofeidian Development Investment Group Co.Ltd,Tangshan Hebei 063200,China)

grinding automation;informatization;grinding controller;internet+

A kind of grinding automation and information system based on the grinding mill control instrument were discussed in this paper. Embedded grinding intelligent control instrument was designed. The design method of monitoring software system was introduced. The solutions based on Ethernet and internet informatization were illustrated, and the supervision software design based on database and network was illustrated. The combination of automation of mineral separation and information technology was realized.

2095-2716(2015)04-0059-06

TP212

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