基于C#的磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

鄧 展 王建民(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210 )

隨著自動(dòng)化技術(shù)的進(jìn)步，自動(dòng)化控制在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)中組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是典型的工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)，它是將計(jì)算機(jī)、儀器儀表、控制理論和其他信息技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用的技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)測(cè)、控制與管理，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)安全性，減少生產(chǎn)過程中原料與能源的消耗。目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的是由西門子公司開發(fā)的Wincc組態(tài)軟件。Wincc內(nèi)部嵌入了支持OPC的組件以及PLC的驅(qū)動(dòng)軟件[1]，這使得底層設(shè)備和上位機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸更加簡(jiǎn)單方便，因此得到廣泛應(yīng)用。但是OPC接口技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)下的協(xié)議，為了保證自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)不被企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的病毒所攻擊，必須加網(wǎng)關(guān)和防火墻等設(shè)備，成本較高，需要較高的技術(shù)支持[2]。為了解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的弊端，本研究根據(jù)選礦廠的實(shí)際情況，在用磨機(jī)控制柜控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用C#編程軟件設(shè)計(jì)了磨礦系統(tǒng)人機(jī)交互的監(jiān)控界面。C#設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)可以使用串行通信技術(shù)，直接與底層設(shè)備和管理計(jì)算機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸[3]。串行通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸只需要通訊線即可，成本低，自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)不會(huì)被企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的病毒所攻擊，安全性高，克服了OPC接口技術(shù)的弊端。在磨礦自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用C#語言編寫磨機(jī)智能控制算法，通過串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)磨機(jī)的智能控制[4]。

1 選礦廠磨礦工藝流程

磨礦是原礦破碎的繼續(xù)，是選別前的準(zhǔn)備工作。磨礦的目的是使礦石中的有用礦物盡可能與脈石礦物分離，同時(shí)避免過磨現(xiàn)象的發(fā)生，為分選作業(yè)提供合適的粒度[5]。磨礦分級(jí)過程的工藝流程見圖1。儲(chǔ)存在礦倉內(nèi)的破碎產(chǎn)品經(jīng)調(diào)速皮帶機(jī)(裝有電子稱)送至球磨機(jī)，在連續(xù)加水和定期加鋼球狀態(tài)下磨礦，磨礦產(chǎn)品排至螺旋分級(jí)機(jī)分級(jí)，粗粒級(jí)返回再磨，合格粒級(jí)(即分級(jí)機(jī)溢流)進(jìn)入選別作業(yè)[6]。

圖1 磨礦分級(jí)工藝流程Fig.1 Grind grading process flow diagram

2 磨機(jī)控制系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)磨礦分級(jí)過程中磨機(jī)的運(yùn)行特性和控制要求，采用串級(jí)控制方式對(duì)磨機(jī)的運(yùn)行過程進(jìn)行控制，磨機(jī)運(yùn)行控制原理見圖2。

3 磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

為了滿足生產(chǎn)需要，更方便地對(duì)磨機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了7方面的功能：①記錄并顯示皮帶給料機(jī)的實(shí)時(shí)給礦量，以便可及時(shí)調(diào)整給料量，使磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。②記錄并顯示實(shí)時(shí)給水量，關(guān)聯(lián)流量和電磁閥門的開度信息，以便及時(shí)調(diào)整磨礦濃度。③實(shí)時(shí)顯示磨機(jī)電流和磨機(jī)磨音數(shù)據(jù)，以便間接判斷磨機(jī)負(fù)荷，消除不正常的運(yùn)行狀態(tài)。④顯示礦石和水控制量，設(shè)置礦石和水檢測(cè)量超上下限的自動(dòng)報(bào)警功能，提醒操作人員在必要時(shí)配合自控系統(tǒng)對(duì)礦石量和水量進(jìn)行調(diào)整。⑤將磨機(jī)礦量、水量、負(fù)荷及電流變化情況以曲線的形式顯示出來，以便使數(shù)據(jù)變化更直觀。⑥實(shí)現(xiàn)磨機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)與磨機(jī)控制柜和管理機(jī)的串行通信。⑦設(shè)計(jì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)和運(yùn)行數(shù)據(jù)的匯總功能，以便快速了解某個(gè)時(shí)段的生產(chǎn)情況。

圖2 磨機(jī)運(yùn)行控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Mill operation and control structure

磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，共分3個(gè)結(jié)構(gòu)層，其中，生產(chǎn)管理層設(shè)在廠辦公室，方便廠領(lǐng)導(dǎo)了解現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行情況；監(jiān)控操作層，操作人員在監(jiān)控室實(shí)時(shí)監(jiān)視和調(diào)整現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況。過程控制層，磨機(jī)控制柜與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備連接，接收操作層的指令，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制，并且將采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)在監(jiān)控計(jì)算機(jī)上顯示出來[7]，見圖3。

4 磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)是在VS2010環(huán)境下研究開發(fā)的。根據(jù)生產(chǎn)需要，按各模塊的功能進(jìn)行設(shè)計(jì)，使用戶可以方便、快捷地了解現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行情況，及時(shí)解決實(shí)際問題。

4.1 設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)通過模擬的方式形象、生動(dòng)地顯示在監(jiān)控界面上(圖4)，以便操作人員更容易掌握現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。通過監(jiān)控界面與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備間的通訊，可以實(shí)時(shí)獲取給料機(jī)的控制量以及傳輸皮帶的檢測(cè)量，使操作人員可以實(shí)時(shí)掌握磨機(jī)給料量。還可以實(shí)時(shí)獲取磨機(jī)的給水量和電流、磨機(jī)磨音的數(shù)據(jù)，方便操作人員實(shí)時(shí)判斷磨機(jī)的負(fù)荷狀態(tài)。

圖3 磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of monitoring system for mill

4.2 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)運(yùn)行曲線

將獲取的設(shè)備數(shù)據(jù)(主要是磨機(jī)礦量、水量、負(fù)荷及電流)通過曲線的方式呈現(xiàn)在監(jiān)控界面上，以便操作人員更直觀地掌握磨機(jī)的運(yùn)行狀況，及時(shí)進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

由于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)每秒傳輸1次，數(shù)據(jù)量很大，難以準(zhǔn)確表現(xiàn)磨機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，因此，在繪圖時(shí)每10 s畫1次運(yùn)行曲線。

4.3 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示

為了實(shí)時(shí)掌握現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，需在監(jiān)控界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，見圖5。與在Wincc環(huán)境下設(shè)計(jì)的監(jiān)控界面相比，C#環(huán)境下的監(jiān)控界面無需來回切換[8]。

圖5 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示Fig.5 Real time data display

4.4 控制方式設(shè)計(jì)

本監(jiān)控系統(tǒng)共有停止、手動(dòng)、自動(dòng)、專家和優(yōu)化5種控制方式。每種控制方式既可以通過通信傳輸來獲取現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制模式，也可以在監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行點(diǎn)擊操作來實(shí)時(shí)控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。設(shè)計(jì)中，每種控制方式間可以進(jìn)行實(shí)時(shí)切換，以達(dá)到提高磨機(jī)工作效率的目的。

(1)手動(dòng)控制。讓設(shè)備按恒定參數(shù)工作會(huì)影響磨礦效率，增大人工和物料成本。

(2)自動(dòng)控制。參考現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定合適的給料量范圍和給水量范圍。礦物和水通過PID控制器進(jìn)行控制、調(diào)整，防止過調(diào)節(jié)而造成磨機(jī)的不穩(wěn)定。

(3)專家控制。由于磨機(jī)的控制具有非線性、純滯后等特點(diǎn)，磨機(jī)負(fù)荷難以直接檢測(cè)，傳統(tǒng)的控制方式很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)了專家控制方式。結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)操作人員的經(jīng)驗(yàn)，分析現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行數(shù)據(jù)，給出一般狀況下磨機(jī)負(fù)荷控制的大小。通過設(shè)定磨機(jī)負(fù)荷的大小來間接設(shè)置給料量。通常磨機(jī)負(fù)荷的大小通過磨音的大小來表征，但是工作現(xiàn)場(chǎng)噪音干擾較大，單一靠磨音的變化來判斷磨機(jī)負(fù)荷的大小準(zhǔn)確性不高。因此，綜合考慮了磨機(jī)電流的變化，綜合這2個(gè)信號(hào)的變化能夠較精確判斷磨機(jī)負(fù)荷的變化。由于這種控制方式是通過直接設(shè)置磨機(jī)負(fù)荷大小來進(jìn)行控制的，因此會(huì)出現(xiàn)“欠磨”和“飽磨”的狀態(tài)，根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)，“欠磨”時(shí)增加給料量，“飽磨”時(shí)減少給料量[9]，同時(shí)將“欠磨”和“飽磨”分別劃分3個(gè)級(jí)別，重欠磨、中欠磨、輕欠磨、重飽磨、中飽磨、輕飽磨，不同的級(jí)別對(duì)應(yīng)不同的給料量[10]。磨機(jī)負(fù)荷專家運(yùn)行流程見圖6。

(4)優(yōu)化控制。前面實(shí)現(xiàn)了磨機(jī)負(fù)荷的自動(dòng)控制，但是此時(shí)的負(fù)荷控制并不一定是最佳控制，為了提高磨機(jī)的工作效率和產(chǎn)量，設(shè)計(jì)了優(yōu)化控制方式。磨機(jī)負(fù)荷與磨機(jī)功率之間存在極值關(guān)系(圖7)，因此，可以通過自尋優(yōu)方式來尋找負(fù)荷最佳點(diǎn)。

尋優(yōu)的目的就是，不論當(dāng)前的工作點(diǎn)在最佳工作點(diǎn)的左側(cè)還是右側(cè)，最終都需要讓其工作在B點(diǎn)附近。若當(dāng)前工作點(diǎn)在b點(diǎn)，而下一刻運(yùn)行到c點(diǎn)，則表明尋優(yōu)方向正確，此時(shí)的磨機(jī)負(fù)荷增加量ΔM>0，磨機(jī)功率增加量ΔP>0。若當(dāng)前工作點(diǎn)在B點(diǎn)的右側(cè)e點(diǎn)，而下一刻運(yùn)行到d點(diǎn)，則表明尋優(yōu)方向正確，此時(shí)的磨機(jī)負(fù)荷增加量ΔM<0，磨機(jī)功率增加量ΔP>0。由以上分析可知，只要存在ΔP>0，尋優(yōu)方向正確，可以增加一個(gè)步長(zhǎng)[11]。優(yōu)化控制方式就是通過專家和現(xiàn)場(chǎng)操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定一個(gè)最優(yōu)負(fù)荷值，利用自尋優(yōu)方式在這個(gè)設(shè)定值附近尋找出最佳負(fù)荷，并將這個(gè)最佳負(fù)荷作為負(fù)荷的設(shè)定值控制磨機(jī)的給料量，給水量通過水料比進(jìn)行控制。這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)磨機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行，而且可以使產(chǎn)量最高、生產(chǎn)成本最低。

4.5 數(shù)據(jù)輸入菜單的實(shí)現(xiàn)

在實(shí)際操作中，有時(shí)需要根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)行情況適當(dāng)進(jìn)行一些參數(shù)調(diào)整，使磨機(jī)能夠穩(wěn)定運(yùn)行。因此就需要操作人員通過監(jiān)控界面進(jìn)行參數(shù)輸入。設(shè)計(jì)的方式是通過下拉菜單彈出對(duì)話框，再通過對(duì)話框把數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中。這種方式能夠很好地實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互過程。在輸入菜單中設(shè)置了礦物、水、負(fù)荷PID控制參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)定，實(shí)現(xiàn)了與磨機(jī)運(yùn)行相關(guān)參數(shù)的實(shí)時(shí)調(diào)整，輸入的參數(shù)還會(huì)自動(dòng)保存在自己創(chuàng)建的文件中，方便以后讀取。圖8為磨機(jī)飽、欠磨參數(shù)的輸入對(duì)話框。

圖6 磨機(jī)負(fù)荷專家運(yùn)行流程Fig.6 Operation process of expert control of mill load

圖7 磨機(jī)負(fù)荷尋優(yōu)曲線Fig.7 Load optimizing curve of mill

4.6 數(shù)據(jù)的保存和讀取

由于監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)顯示都是實(shí)時(shí)的，而有時(shí)候需要查看歷史數(shù)據(jù)，因此需要把實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來。在Wincc組態(tài)界面中，通常是把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)庫中，而數(shù)據(jù)庫是經(jīng)過加密封裝的，用戶無法從外部直接訪問，這給數(shù)據(jù)共享帶來了困難。在C#設(shè)計(jì)的組態(tài)系統(tǒng)中，通過建立文件夾將數(shù)據(jù)儲(chǔ)存到文件中，這樣用戶可以直接讀取或者寫入數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用實(shí)踐

河北承德某選礦廠共有4條磨礦分級(jí)生產(chǎn)線，采用φ2.7 m×3.6 m的球磨機(jī)，DCS控制系統(tǒng)是由華北理工大學(xué)開發(fā)的磨機(jī)控制儀和工業(yè)控制計(jì)算機(jī)組成，使用Modbus通信協(xié)議來完成磨機(jī)控制儀與工控機(jī)間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，由磨機(jī)控制儀控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備，利用監(jiān)控計(jì)算機(jī)來控制儀表柜。為了實(shí)現(xiàn)磨機(jī)負(fù)荷的自動(dòng)控制，選擇了專家控制方式。將磨機(jī)負(fù)荷設(shè)定為40 t/h，水料比設(shè)定為15%，礦物的PID調(diào)節(jié)參數(shù)分別為1、5、0，水的PID調(diào)節(jié)參數(shù)分別為1、3、0，磨機(jī)負(fù)荷的PID調(diào)節(jié)參數(shù)分別為1、20、5。該系統(tǒng)運(yùn)行顯示見圖9。從運(yùn)行情況看，該控制系統(tǒng)磨機(jī)臺(tái)時(shí)處理量約提高了6%，避免了磨機(jī)“飽磨”或“欠磨”現(xiàn)象的發(fā)生，減少了磨機(jī)故障的概率，大大提高了磨機(jī)工作效率。

圖8 數(shù)據(jù)輸入對(duì)話框Fig.8 Data input dialog box

圖9 河北承德某選礦廠的運(yùn)行狀況Fig.9 Operation status of a concentrating mill in Hebei Chengde

6 結(jié) 語

本磨機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)利用了C#強(qiáng)大的編程功能以及友好的人機(jī)交互界面。采用串行通訊方式實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控界面與磨機(jī)控制儀間的數(shù)據(jù)交換，解決了用OPC接口技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋锥?，運(yùn)行成本低，易于維護(hù)。在C#里編寫專家和優(yōu)化智能控制算法，實(shí)現(xiàn)了磨機(jī)的智能優(yōu)化控制和穩(wěn)定運(yùn)行的目標(biāo)。在河北承德某選礦廠的運(yùn)行表明，該控制系統(tǒng)能夠在保證磨機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下達(dá)到節(jié)能、降耗、增產(chǎn)的目標(biāo)。

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