基于MODBUS總線(xiàn)的選礦計量網(wǎng)絡(luò )監控系統開(kāi)發(fā)

1.引言

二十一世紀是信息主導的世紀，“數字化生存”已成為知識經(jīng)濟的標志。發(fā)達采礦國家的礦山信息化改造已邁出了堅實(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(guò)程控制，資源實(shí)時(shí)管理，礦山信息網(wǎng)建設，新機械應用和自動(dòng)控制等28個(gè)專(zhuān)題。我國絕大多數礦山企業(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?，F今計算機的精密部件、關(guān)鍵部位，都是鉭在獨當一面，鉭鈮也是“空間時(shí)代”的重要原料，在化工、機械、精密儀器、電子、電氣、超導、國防科技領(lǐng)域，都離不開(kāi)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(lái)運用新技術(shù)改造提升傳統生產(chǎn)水平，以技術(shù)進(jìn)步調整產(chǎn)品結構，更新采場(chǎng)鉆機、鏟裝、運輸設備，引入選礦自動(dòng)化系統，從而降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量， 拓寬產(chǎn)品市場(chǎng)， 使企業(yè)出現新的活力。 本文對宜春鉭鈮礦選礦計量網(wǎng)絡(luò )監控進(jìn)行研究。

2.總線(xiàn)控制技術(shù)
現場(chǎng)總線(xiàn)控制系統是隨著(zhù)控制技術(shù)、 計算機技術(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)需求的驅動(dòng)下,基于現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的新型控制系統。
2.1現場(chǎng)總線(xiàn)的特點(diǎn)
現場(chǎng)總線(xiàn)也被稱(chēng)為開(kāi)放式、數字化、多點(diǎn)通信的底層控制網(wǎng)絡(luò )。20世紀 90 年代以來(lái)，各種現場(chǎng)總線(xiàn)的標準陸續形成，其中主要有Lonworks、CAN、PROFIBUS、MODBUS、FF、HART等協(xié)議標準?，F場(chǎng)總線(xiàn)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、計算機網(wǎng)絡(luò )和開(kāi)放系統互聯(lián)(OSI)等技術(shù)的精粹。具有以下傳統設備無(wú)法比擬的優(yōu)點(diǎn)：
(1) 數字信號取代模擬信號，提高了抗干擾能力及對現場(chǎng)環(huán)境的適應性，提高了系統檢測精度，縮短了控制周期。
(2) 實(shí)現現場(chǎng)設備智能化及功能自治，使基本過(guò)程控制、計算、處理等功能分散到現場(chǎng)設備中完成。
(3) 開(kāi)放的總線(xiàn)系統使不同廠(chǎng)家的設備之間可實(shí)現互聯(lián)與信息交換，提高了系統的互用性。
(4) 互聯(lián)設備及系統間可實(shí)現一點(diǎn)對多點(diǎn)的數字通信，作到信息共享。
(5) 系統結構高度分散，使系統的危險性得到分散。同時(shí)系統結構的大大簡(jiǎn)化，降低了成本。
(6) 增加了非控制信息，如自診斷、組態(tài)及補償信息等，實(shí)現了現場(chǎng)管理與控制的統一。
(7) 只需采用一根二芯通訊電纜，減少大量信號電纜、端子、控制柜等安裝附件。從而使安裝、維護難度與費用大大降低。
2.2 MODBUS總線(xiàn)
MODBUS是一種工業(yè)通信和分布式控制系統協(xié)議，由美國莫迪康公司(MODICON Inc. ) 推出。MODBUS協(xié)議定義的是一種數據幀結構，獨立于物理層介質(zhì)，所有控制器能夠識別和使用，而不管設備通信的網(wǎng)絡(luò )類(lèi)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)出的請求幀和從方所發(fā)出的應答幀都是以從方地址開(kāi)頭的。從方只讀發(fā)給自己的指令，對以其他從方地址開(kāi)頭的報文不予理睬，并對接受到的正確的報文予以應答，這種一問(wèn)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)議相對來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單。MODBUS 協(xié)議也成了一種事實(shí)上的通用標準，因此大部分組態(tài)監控軟件都免費支持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，即將整個(gè)字符串(不包括最后兩個(gè)字節)按規定的方式進(jìn)行移位并進(jìn)行異或計算，計算結果存在字符串的最后兩個(gè)字節內，并由接收方按同樣的計算方法進(jìn)行校驗是否一致。這種校驗方法對隨機或突發(fā)差錯造成的幀破壞有很好的檢驗效果。
3.計量監控系統的要求
宜春鉭鈮礦包括采礦廠(chǎng)和選礦廠(chǎng)，采礦廠(chǎng)將原礦石經(jīng)初步破碎后運輸到選礦廠(chǎng)，選礦廠(chǎng)通過(guò)棒磨，球磨，磁選，篩選等工藝最終將鉭鈮礦選出來(lái)（流程圖如圖 1） 。還有一種礦料是液態(tài)的，它直接通過(guò)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(guò)程中，要求能 24 小時(shí)準確測量皮帶 2、3 上物料的流量、含水量及累計干重量等信息，以便進(jìn)行內部的計量與考核，同時(shí)控制好皮帶上物料的流量，若流量過(guò)大，棒磨機不能處理，則會(huì )導致物料堵塞，太小則降低棒磨機的生產(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(guò)程中，要求能 24 小時(shí)準確測量管道 1 中液態(tài)礦料的濃度和流量以及累計干礦量，以便控制緩沖池閥門(mén)的開(kāi)口大小。傳統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)驗公式分析礦料流量。而若是液態(tài)礦漿則根據重量體積比的方法來(lái)計算濃度。這樣的人工方法實(shí)時(shí)性太差，而且礦料流量有時(shí)變化相當大，因而不能準確測量出各種參數，重要的是不能在遠程監控室中監控現場(chǎng)的流量，而生產(chǎn)線(xiàn)距離拉得很遠（測點(diǎn)間距離近千米）以及現場(chǎng)的各種機器嘈雜聲，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差。所以利用計算機測控技術(shù)以及現代傳感技術(shù)研制一套新型的、功能完善的計量監控系統非常必要。需求的計量監控系統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)計量監控，且一個(gè)計量點(diǎn)出現故障時(shí)，不影響其他計量點(diǎn)工作。
2) 能方便地進(jìn)行系統的擴展；可以實(shí)現遠距離通訊。
3) 能以 WEB 方式發(fā)布在礦局域網(wǎng)上，實(shí)現局域網(wǎng)監視。

4.監控系統構成

考慮到系統要求以及現場(chǎng)總線(xiàn)監控系統的優(yōu)點(diǎn)，采用了基于 MODBUS 總線(xiàn)的監控系統結構（如圖3）。主控計算機采用工控機，現場(chǎng)主控計算機通過(guò)以態(tài)網(wǎng)連接到局域網(wǎng)，實(shí)現局域網(wǎng)上的監視。各現場(chǎng)站采用德國 WAGO 公司的 750-815 可編程 MODBUS 現場(chǎng)總線(xiàn)控制器，750-815 總線(xiàn)控制器系統最多可連接 99 個(gè)總線(xiàn)節點(diǎn)，系統可接最大 I/O 點(diǎn)數為 6000 點(diǎn)，通訊速率為 0.15Kbps~19.2Kbps，最大傳輸距離為 1200m。要準確地實(shí)現過(guò)程自動(dòng)控制，系統要求數據的精確采集必不可少，系統中主要涉及的數據有固態(tài)礦料流量、水分，液態(tài)礦料濃度、流量，水流量,同時(shí)現場(chǎng)各數據采集點(diǎn)還提供二次儀表顯示。主要數據采集設備分述如下：
4.1 固態(tài)礦料流量檢測
考慮到鉭鈮礦固態(tài)礦料選礦現場(chǎng)空間狹小、濕度大，溫度變化大、粉塵多、大功率電機電磁干擾嚴重、而礦料單一的情況，選用非接觸式的核子稱(chēng)在線(xiàn)測量固態(tài)礦料的流量和累計量。核子稱(chēng)是根據物料對γ射線(xiàn)的吸收與物料質(zhì)量厚度和質(zhì)量吸收系數有關(guān)的原理工作的。與使用普遍的電子稱(chēng)相比，核子稱(chēng)有如下優(yōu)點(diǎn)：
(1) 可進(jìn)行非接觸式在線(xiàn)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、強磁、強腐蝕環(huán)境中長(cháng)期穩定運行。
(3) 它的結構簡(jiǎn)單,不對原設備進(jìn)行改造,即可在線(xiàn)安裝。
(4) 秤體近乎免維護。