1.引言
二十一世紀(jì)是信息主導(dǎo)的世紀(jì)，“數(shù)字化生存”已成為知識(shí)經(jīng)濟(jì)的標(biāo)志。發(fā)達(dá)采礦國家的礦山信息化改造已邁出了堅(jiān)實(shí)的步伐，如芬蘭采礦業(yè)于1992年宣布的智能采礦技術(shù)方案，涉及采選礦實(shí)時(shí)過程控制，資源實(shí)時(shí)管理，礦山信息網(wǎng)建設(shè)，新機(jī)械應(yīng)用和自動(dòng)控制等28個(gè)專題。我國絕大多數(shù)礦山企業(yè)還處在勞動(dòng)密集型階段，信息化改造勢在必行。鉭是金屬工業(yè)中的貴族，在抗腐蝕性、硬度、伸展性等方面都是金屬中的佼佼者。現(xiàn)今計(jì)算機(jī)的精密部件、關(guān)鍵部位，都是鉭在獨(dú)當(dāng)一面，鉭鈮也是“空間時(shí)代”的重要原料，在化工、機(jī)械、精密儀器、電子、電氣、超導(dǎo)、國防科技領(lǐng)域，都離不開耐熱、耐腐蝕的鉭。江西宜春鉭鈮礦作為全國最大的鉭鈮原生礦，近年來運(yùn)用新技術(shù)改造提升傳統(tǒng)生產(chǎn)水平，以技術(shù)進(jìn)步調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，更新采場鉆機(jī)、鏟裝、運(yùn)輸設(shè)備，引入選礦自動(dòng)化系統(tǒng)，從而降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量， 拓寬產(chǎn)品市場， 使企業(yè)出現(xiàn)新的活力。 本文對(duì)宜春鉭鈮礦選礦計(jì)量" title="計(jì)量">計(jì)量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控進(jìn)行研究。
2.總線控制技術(shù)
現(xiàn)場總線" title="現(xiàn)場總線">現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是隨著控制技術(shù)、 計(jì)算機(jī)技術(shù)、 通訊技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的成熟與發(fā)展,在實(shí)際生產(chǎn)需求的驅(qū)動(dòng)下,基于現(xiàn)場總線技術(shù)的新型控制系統(tǒng)。
2.1現(xiàn)場總線的特點(diǎn)
現(xiàn)場總線也被稱為開放式、數(shù)字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò)。20世紀(jì) 90 年代以來，各種現(xiàn)場總線的標(biāo)準(zhǔn)陸續(xù)形成，其中主要有Lonworks、CAN、PROFIBUS、MODBUS" title="MODBUS">MODBUS、FF、HART等協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)場總線技術(shù)不僅是一種通信技術(shù)，它實(shí)際上融入了智能化儀表、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)等技術(shù)的精粹。具有以下傳統(tǒng)設(shè)備無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 數(shù)字信號(hào)取代模擬信號(hào)，提高了抗干擾能力及對(duì)現(xiàn)場環(huán)境的適應(yīng)性，提高了系統(tǒng)檢測精度，縮短了控制周期。
(2) 實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場設(shè)備智能化及功能自治，使基本過程控制、計(jì)算、處理等功能分散到現(xiàn)場設(shè)備中完成。
(3) 開放的總線系統(tǒng)使不同廠家的設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)互聯(lián)與信息交換，提高了系統(tǒng)的互用性。
(4) 互聯(lián)設(shè)備及系統(tǒng)間可實(shí)現(xiàn)一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)字通信，作到信息共享。
(5) 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)高度分散，使系統(tǒng)的危險(xiǎn)性得到分散。同時(shí)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的大大簡化，降低了成本。
(6) 增加了非控制信息，如自診斷、組態(tài)及補(bǔ)償信息等，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場管理與控制的統(tǒng)一。
(7) 只需采用一根二芯通訊電纜，減少大量信號(hào)電纜、端子、控制柜等安裝附件。從而使安裝、維護(hù)難度與費(fèi)用大大降低。
2.2 MODBUS總線
MODBUS是一種工業(yè)通信和分布式控制系統(tǒng)協(xié)議，由美國莫迪康公司(MODICON Inc. ) 推出。MODBUS協(xié)議定義的是一種數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)，獨(dú)立于物理層介質(zhì)，所有控制器能夠識(shí)別和使用，而不管設(shè)備通信的網(wǎng)絡(luò)類型，因而具有非常良好的適用性。
MODBUS 的通信方式為主從方式。主方所發(fā)出的請(qǐng)求幀和從方所發(fā)出的應(yīng)答幀都是以從方地址開頭的。從方只讀發(fā)給自己的指令，對(duì)以其他從方地址開頭的報(bào)文不予理睬，并對(duì)接受到的正確的報(bào)文予以應(yīng)答，這種一問一答的通信模式，大大提高了通信的正確率，而且使得 MODBUS 協(xié)議相對(duì)來說比較簡單。MODBUS 協(xié)議也成了一種事實(shí)上的通用標(biāo)準(zhǔn)，因此大部分組態(tài)監(jiān)控軟件都免費(fèi)支持MODNUS協(xié)議。 MODBUS有RTU(Remote Terminal Unit)和 ASCII 兩種傳送方式。本文采用的 RTU通信方式采用 CRC－16 位循環(huán)碼冗余校驗(yàn)，即將整個(gè)字符串(不包括最后兩個(gè)字節(jié))按規(guī)定的方式進(jìn)行移位并進(jìn)行異或計(jì)算，計(jì)算結(jié)果存在字符串的最后兩個(gè)字節(jié)內(nèi)，并由接收方按同樣的計(jì)算方法進(jìn)行校驗(yàn)是否一致。這種校驗(yàn)方法對(duì)隨機(jī)或突發(fā)差錯(cuò)造成的幀破壞有很好的檢驗(yàn)效果。
3.計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)的要求
宜春鉭鈮礦包括采礦廠和選礦廠，采礦廠將原礦石經(jīng)初步破碎后運(yùn)輸?shù)竭x礦廠，選礦廠通過棒磨，球磨，磁選，篩選等工藝最終將鉭鈮礦選出來（流程圖如圖 1） 。還有一種礦料是液態(tài)的，它直接通過烘干再進(jìn)行篩選（流程圖如圖 2） 。
在固體礦料生產(chǎn)加工過程中，要求能 24 小時(shí)準(zhǔn)確測量皮帶 2、3 上物料的流量、含水量及累計(jì)干重量等信息，以便進(jìn)行內(nèi)部的計(jì)量與考核，同時(shí)控制好皮帶上物料的流量，若流量過大，棒磨機(jī)不能處理，則會(huì)導(dǎo)致物料堵塞，太小則降低棒磨機(jī)的生產(chǎn)效率，而且為了保證棒磨效率與出礦品位，需要控制加水量。而在液態(tài)礦料的生產(chǎn)加工過程中，要求能 24 小時(shí)準(zhǔn)確測量管道 1 中液態(tài)礦料的濃度和流量以及累計(jì)干礦量，以便控制緩沖池閥門的開口大小。傳統(tǒng)的做法是每隔一定的時(shí)間（如 30 分鐘）取樣烘干得到礦料的含水量，再用經(jīng)驗(yàn)公式分析礦料流量。而若是液態(tài)礦漿則根據(jù)重量體積比的方法來計(jì)算濃度。這樣的人工方法實(shí)時(shí)性太差，而且礦料流量有時(shí)變化相當(dāng)大，因而不能準(zhǔn)確測量出各種參數(shù)，重要的是不能在遠(yuǎn)程監(jiān)控室中監(jiān)控現(xiàn)場的流量，而生產(chǎn)線距離拉得很遠(yuǎn)（測點(diǎn)間距離近千米）以及現(xiàn)場的各種機(jī)器嘈雜聲，各測點(diǎn)與控制點(diǎn)之間聯(lián)系很困難，工人的工作條件也相當(dāng)差。所以利用計(jì)算機(jī)測控技術(shù)以及現(xiàn)代傳感技術(shù)研制一套新型的、功能完善的計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。需求的計(jì)量監(jiān)控系統(tǒng)除完成上述檢測與控制功能外，還要求：
1) 能同時(shí)進(jìn)行多點(diǎn)計(jì)量監(jiān)控，且一個(gè)計(jì)量點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，不影響其他計(jì)量點(diǎn)工作。
2) 能方便地進(jìn)行系統(tǒng)的擴(kuò)展；可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通訊。
3) 能以 WEB 方式發(fā)布在礦局域網(wǎng)上，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)監(jiān)視。
4.監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)成
考慮到系統(tǒng)要求以及現(xiàn)場總線監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，采用了基于 MODBUS 總線的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖3）。主控計(jì)算機(jī)采用工控機(jī)，現(xiàn)場主控計(jì)算機(jī)通過以態(tài)網(wǎng)連接到局域網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)局域網(wǎng)上的監(jiān)視。各現(xiàn)場站采用德國 WAGO 公司的 750-815 可編程 MODBUS 現(xiàn)場總線控制器，750-815 總線控制器系統(tǒng)最多可連接 99 個(gè)總線節(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可接最大 I/O 點(diǎn)數(shù)為 6000 點(diǎn)，通訊速率為 0.15Kbps~19.2Kbps，最大傳輸距離為 1200m。要準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)過程自動(dòng)控制，系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)的精確采集必不可少，系統(tǒng)中主要涉及的數(shù)據(jù)有固態(tài)礦料流量、水分，液態(tài)礦料濃度、流量，水流量,同時(shí)現(xiàn)場各數(shù)據(jù)采集點(diǎn)還提供二次儀表顯示。主要數(shù)據(jù)采集設(shè)備分述如下：
4.1 固態(tài)礦料流量檢測
考慮到鉭鈮礦固態(tài)礦料選礦現(xiàn)場空間狹小、濕度大，溫度變化大、粉塵多、大功率電機(jī)電磁干擾嚴(yán)重、而礦料單一的情況，選用非接觸式的核子稱在線測量固態(tài)礦料的流量和累計(jì)量。核子稱是根據(jù)物料對(duì)γ射線的吸收與物料質(zhì)量厚度和質(zhì)量吸收系數(shù)有關(guān)的原理工作的。與使用普遍的電子稱相比，核子稱有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 可進(jìn)行非接觸式在線測量,不受皮帶磨損、張力、跑偏、沖擊等因素的影響。
(2) 可在高溫、多塵、強(qiáng)磁、強(qiáng)腐蝕環(huán)境中長期穩(wěn)定運(yùn)行。
(3) 它的結(jié)構(gòu)簡單,不對(duì)原設(shè)備進(jìn)行改造,即可在線安裝。
(4) 秤體近乎免維護(hù)。
4.2 水分檢測
水分在線檢測是本系統(tǒng)中特別重要的一環(huán)。水分檢測的方法有很多種，目前主要有：紅外水分檢測技術(shù)、微波測濕技術(shù)、中子測濕技術(shù)等等。
紅外水分儀是利用水分子吸收特殊波長近紅外光的能量， 而基本不吸收另外波長近紅外光的能量這一原理工作的。
紅外水分檢測儀具有不接觸物料能在線測量的優(yōu)點(diǎn)， 在一定水分范圍內(nèi)測量結(jié)果比較準(zhǔn)確，主要用于煙草、茶葉行業(yè)。但也有其突出的缺點(diǎn)，主要在于一旦含水量超過一定的范圍，將出現(xiàn)誤檢結(jié)果。 如物料被水掩蓋時(shí)， 由于水鏡面的形成反而使特殊波長近紅外光反射增強(qiáng)，水分儀反而會(huì)認(rèn)為水分很少，此時(shí)就要考慮水分補(bǔ)償?shù)膯栴}，而且在生產(chǎn)中需要嚴(yán)格保證含水量在水分儀的檢測范圍內(nèi)。
4.3 礦漿流量檢測
要測控的對(duì)象液態(tài)礦料屬于具有導(dǎo)電性的泥漿類流體，故選用襯里為聚氨酯橡膠的電磁流量計(jì)檢測其流量。電磁流量計(jì)所依據(jù)的基本理論是法拉第電磁感應(yīng)定律，當(dāng)導(dǎo)體切割磁力線運(yùn)動(dòng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電動(dòng)勢。導(dǎo)管內(nèi)導(dǎo)體平均流速V 或流量Qv (Qv =VπD2 /4)與感應(yīng)電動(dòng)勢的大小成正比例關(guān)系，從而可測量管內(nèi)流動(dòng)的導(dǎo)體流體的流量。
電磁流量計(jì)的優(yōu)點(diǎn)主要有：
(1) 接觸流體的部分結(jié)構(gòu)簡單，不會(huì)改變流場分布，不會(huì)引起堵塞、無機(jī)械零件的損壞。
(2) 電磁流量計(jì)的輸出信號(hào)正比于流體的體積流量，只要流體具有一定的導(dǎo)電性，就可以不受被測流體的溫度、密度、粘度以及導(dǎo)電率(在一定范圍內(nèi))的影響。
(3) 線性范圍寬，無慣性，反應(yīng)靈敏，可測量脈動(dòng)流量和正、反方向流量。
但是，流體內(nèi)氣泡對(duì)檢測結(jié)果影響較大。如果在流體內(nèi)含有大量氣泡，會(huì)阻斷磁力線的正常分布，出現(xiàn)流量擺動(dòng)很大的情況，導(dǎo)致計(jì)量不準(zhǔn)。目前有消氣閥可以排除氣泡，但我們在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)它并不能完全排除氣泡。于是跟據(jù)計(jì)量點(diǎn)的特殊地理位置，我們把管道切斷，中間加入了一個(gè)敞開的蓄料池，使得液態(tài)物料在經(jīng)過計(jì)量點(diǎn)時(shí)能將氣泡排除。試驗(yàn)證明這是一種有效的方法。
4.4 濃度采集
根據(jù)現(xiàn)場的條件，采用γ射線核子密度（濃度）計(jì)來測礦漿濃度，它也是根據(jù)γ射線穿過被測介質(zhì)后， 其強(qiáng)度由于被測介質(zhì)的吸收而呈現(xiàn)按指數(shù)規(guī)律減弱特性來對(duì)被測介質(zhì)進(jìn)行連續(xù)性測量。核子密度計(jì)可在線測量密封罐、槽、管道內(nèi)各種流體、半流體或混合物等的密度、濃度等。
5.通信實(shí)現(xiàn)
監(jiān)控系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)與各從控制器之間通過 MODBUS 總線實(shí)現(xiàn)通信，主控計(jì)算機(jī)與局域網(wǎng)之間通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)通信，主控計(jì)算機(jī)及局域網(wǎng)終端計(jì)算機(jī)上的監(jiān)控軟件基于組態(tài)王6.5 軟件開發(fā)。
5.1 MODBUS總線通信方式
主控計(jì)算機(jī)與各總線控制器之間以設(shè)備管理的形式實(shí)現(xiàn)， 組態(tài)王對(duì)設(shè)備的管理是通過對(duì)邏輯設(shè)備名的管理實(shí)現(xiàn)的，邏輯設(shè)備可以是DDE（動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換）設(shè)備、智能板卡類設(shè)備、串口類設(shè)備、人機(jī)界面卡、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，本文采用串口形式的MODBUS總線設(shè)備，一個(gè)串口可以連接多個(gè)總線設(shè)備，但必須在組態(tài)王中為每一個(gè)實(shí)際I/O設(shè)備指定唯一的邏輯名稱，此邏輯設(shè)備名對(duì)應(yīng)著該設(shè)備的生產(chǎn)廠家、實(shí)際設(shè)備名稱、設(shè)備通訊方式、設(shè)備地址、與上位PC機(jī)的通訊方式等信息內(nèi)容。一個(gè)邏輯設(shè)備,可與一個(gè)I/O設(shè)備中的多個(gè)I/O變量對(duì)應(yīng)。因此，定義一個(gè)變量時(shí)需要指定具體設(shè)備的具體寄存器地址。
如：原生泥體積流量計(jì)信號(hào)由 3 號(hào)總線控制器采集，在 3 號(hào)總線控制器中的變量地址為“%QW258” ，主控計(jì)算機(jī)通過串口 COM1 與 MODBUS 總線設(shè)備進(jìn)行通信，如果需要將原生泥體積流量定義為主控計(jì)算機(jī)中組態(tài)王變量 AA，則需設(shè)置實(shí)型變量 AA指向接在 COM1上的 MODBUS 總線地址為 3 的總線設(shè)備 3 中的寄存器地址 80259，于是變量 AA 實(shí)時(shí)反應(yīng)原生泥體積流量的變化。
變量 AA的值可以賦值給組態(tài)王的內(nèi)存變量或臨時(shí)變量， 如賦值給組態(tài)王的內(nèi)存實(shí)型變量 BB 的表達(dá)式為：\\本站點(diǎn)\BB=\\本站點(diǎn)\AA；
5.2 以太網(wǎng)通信方式
組態(tài)王支持 TCP/IP 協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)上其它計(jì)算機(jī)能通過局域網(wǎng)實(shí)時(shí)訪問主控計(jì)算機(jī)上的數(shù)據(jù)，并可以以與主控計(jì)算機(jī)上完全一樣的動(dòng)畫界面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。遠(yuǎn)程訪問組態(tài)王的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)有兩種方式：其一是在客戶端上定義服務(wù)器站點(diǎn)為一個(gè)網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)設(shè)備，然后在客戶端上定義變量指向網(wǎng)絡(luò)站點(diǎn)上的變量，訪問實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，這與主從控制器之間的通訊方式一樣，這種方式可以在本機(jī)上直接進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)記錄、產(chǎn)生報(bào)警等。第二種是使用組態(tài)王的網(wǎng)絡(luò)功能在程序中直接引用遠(yuǎn)程站點(diǎn)上的變量，而無需在客戶端上定義變量，但歷史數(shù)據(jù)的訪問只能從歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器上獲得。本文采用第二種方式，主控計(jì)算機(jī)上將網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為“連網(wǎng)類型” ，而其他客戶機(jī)則設(shè)置為“遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)” 。
例如：需要在局域網(wǎng)客戶機(jī)上顯示主控計(jì)算機(jī)上的變量AA的值，可設(shè)主控計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)名定義為jxtnk1，則客戶機(jī)界面上或程序中可直接引用變量“\\jxtnk1\AA”。
網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)" title="網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)">網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主控計(jì)算機(jī)與客戶機(jī)上的主界面之一如圖 4 所示。
6. 結(jié)束語
采用 MODBUS 總線協(xié)議的選礦計(jì)量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，更好地體現(xiàn)了分散控制、集中管理的思想；一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題，并不會(huì)影響其他的節(jié)點(diǎn)的工作，上位機(jī)即使關(guān)機(jī)，也不會(huì)影響下位機(jī)的工作?？梢詫?shí)現(xiàn)多節(jié)點(diǎn)遠(yuǎn)距離的集中監(jiān)控與協(xié)調(diào)，減少接線，減少故障率，提高可靠性；基于總線與以太網(wǎng)的系統(tǒng)，WEB 監(jiān)控終端與 PLC 節(jié)點(diǎn)都易于擴(kuò)展。同時(shí)，配合上位機(jī)組態(tài)監(jiān)控軟件，配置現(xiàn)場攝像頭，能實(shí)現(xiàn) WEB 訪問與監(jiān)控，改善了工作效率。