基于MODBUS總線的選礦計量網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)

1.引言 

    二十一世紀是信息主導的世紀，“數(shù)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，涉及采選礦實時過程控制，資源實時管理，礦山信息網(wǎng)建設，新機械應用和自動控制等28個專題。我國絕大多數(shù)礦山企業(yè)還處在勞動密集型階段，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(xiàn)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，近年來運用新技術(shù)改造提升傳統(tǒng)生產(chǎn)水平，以技術(shù)進步調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，更新采場鉆機、鏟裝、運輸設備，引入選礦自動化系統(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。 本文對宜春鉭鈮礦選礦計量網(wǎng)絡監(jiān)控進行研究。

  
    2.總線控制技術(shù) 
    現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是隨著控制技術(shù)、 計算機技術(shù)、 通訊技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)等的成熟與發(fā)展,在實際生產(chǎn)需求的驅(qū)動下,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
    現(xiàn)場總線也被稱為開放式、數(shù)字化、多點通信的底層控制網(wǎng)絡。20世紀 90 年代以來，各種現(xiàn)場總線的標準陸續(xù)形成，其中主要有Lonworks、CAN、PROFIBUS、MODBUS、FF、HART等協(xié)議標準?，F(xiàn)場總線技術(shù)不僅是一種通信技術(shù)，它實際上融入了智能化儀表、計算機網(wǎng)絡和開放系統(tǒng)互聯(lián)(OSI)等技術(shù)的精粹。具有以下傳統(tǒng)設備無法比擬的優(yōu)點：
    (1)  數(shù)字信號取代模擬信號，提高了抗干擾能力及對現(xiàn)場環(huán)境的適應性，提高了系統(tǒng)檢測精度，縮短了控制周期。
    (2)  實現(xiàn)現(xiàn)場設備智能化及功能自治，使基本過程控制、計算、處理等功能分散到現(xiàn)場設備中完成。
    (3)  開放的總線系統(tǒng)使不同廠家的設備之間可實現(xiàn)互聯(lián)與信息交換，提高了系統(tǒng)的互用性。
    (4)  互聯(lián)設備及系統(tǒng)間可實現(xiàn)一點對多點的數(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)的危險性得到分散。同時系統(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)及補償信息等，實現(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
    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)出的請求幀和從方所發(fā)出的應答幀都是以從方地址開頭的。從方只讀發(fā)給自己的指令，對以其他從方地址開頭的報文不予理睬，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)議相對來說比較簡單。MODBUS 協(xié)議也成了一種事實上的通用標準，因此大部分組態(tài)監(jiān)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，即將整個字符串(不包括最后兩個字節(jié))按規(guī)定的方式進行移位并進行異或計算，計算結(jié)果存在字符串的最后兩個字節(jié)內(nèi)，并由接收方按同樣的計算方法進行校驗是否一致。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(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，以便進行內(nèi)部的計量與考核，同時控制好皮帶上物料的流量，若流量過大，棒磨機不能處理，則會導致物料堵塞，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)加工過程中，要求能 24 小時準確測量管道 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的開口大小。傳統(tǒng)的做法是每隔一定的時間（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(jù)重量體積比的方法來計算濃度。這樣的人工方法實時性太差，而且礦料流量有時變化相當大，因而不能準確測量出各種參數(shù)，重要的是不能在遠程監(jiān)控室中監(jiān)控現(xiàn)場的流量，而生產(chǎn)線距離拉得很遠（測點間距離近千米）以及現(xiàn)場的各種機器嘈雜聲，各測點與控制點之間聯(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(xiàn)代傳感技術(shù)研制一套新型的、功能完善的計量監(jiān)控系統(tǒng)非常必要。需求的計量監(jiān)控系統(tǒng)除完成上述檢測與控制功能外，還要求：
    1)  能同時進行多點計量監(jiān)控，且一個計量點出現(xiàn)故障時，不影響其他計量點工作。
    2)  能方便地進行系統(tǒng)的擴展；可以實現(xiàn)遠距離通訊。
    3)  能以 WEB 方式發(fā)布在礦局域網(wǎng)上，實現(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，采用了基于 MODBUS 總線的監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（如圖3）。主控計算機采用工控機，現(xiàn)場主控計算機通過以態(tài)網(wǎng)連接到局域網(wǎng)，實現(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 個總線節(jié)點，系統(tǒng)可接最大 I/O 點數(shù)為 6000 點，通訊速率為 0.15Kbps~19.2Kbps，最大傳輸距離為 1200m。要準確地實現(xiàn)過程自動控制，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,同時現(xiàn)場各數(shù)據(jù)采集點還提供二次儀表顯示。主要數(shù)據(jù)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(xiàn)場空間狹小、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在線測量固態(tài)礦料的流量和累計量。核子稱是根據(jù)物料對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：
    (1) 可進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、強磁、強腐蝕環(huán)境中長期穩(wěn)定運行。
    (3) 它的結(jié)構(gòu)簡單,不對原設備進行改造,即可在線安裝。
    (4) 秤體近乎免維護。
    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， 在一定水分范圍內(nèi)測量結(jié)果比較準確，主要用于煙草、茶葉行業(yè)。但也有其突出的缺點，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， 由于水鏡面的形成反而使特殊波長近紅外光反射增強，水分儀反而會認為水分很少，此時就要考慮水分補償?shù)膯栴}，而且在生產(chǎn)中需要嚴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
    要測控的對象液態(tài)礦料屬于具有導電性的泥漿類流體，故選用襯里為聚氨酯橡膠的電磁流量計檢測其流量。電磁流量計所依據(jù)的基本理論是法拉第電磁感應定律，當導體切割磁力線運動時，導體內(nèi)將產(chǎn)生電動勢。導管內(nèi)導體平均流速V 或流量Q_v (Q_v =VπD² /4)與感應電動勢的大小成正比例關(guān)系，從而可測量管內(nèi)流動的導體流體的流量。
    電磁流量計的優(yōu)點主要有：
    (1) 接觸流體的部分結(jié)構(gòu)簡單，不會改變流場分布，不會引起堵塞、無機械零件的損壞。
    (2) 電磁流量計的輸出信號正比于流體的體積流量，只要流體具有一定的導電性，就可以不受被測流體的溫度、密度、粘度以及導電率(在一定范圍內(nèi))的影響。
    (3) 線性范圍寬，無慣性，反應靈敏，可測量脈動流量和正、反方向流量。
    但是，流體內(nèi)氣泡對檢測結(jié)果影響較大。如果在流體內(nèi)含有大量氣泡，會阻斷磁力線的正常分布，出現(xiàn)流量擺動很大的情況，導致計量不準。目前有消氣閥可以排除氣泡，但我們在實踐中發(fā)現(xiàn)它并不能完全排除氣泡。于是跟據(jù)計量點的特殊地理位置，我們把管道切斷，中間加入了一個敞開的蓄料池，使得液態(tài)物料在經(jīng)過計量點時能將氣泡排除。試驗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)律減弱特性來對被測介質(zhì)進行連續(xù)性測量。核子密度計可在線測量密封罐、槽、管道內(nèi)各種流體、半流體或混合物等的密度、濃度等。 

    5.通信實現(xiàn) 
    監(jiān)控系統(tǒng)主控計算機與各從控制器之間通過 MODBUS 總線實現(xiàn)通信，主控計算機與局域網(wǎng)之間通過以太網(wǎng)實現(xiàn)通信，主控計算機及局域網(wǎng)終端計算機上的監(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
    主控計算機與各總線控制器之間以設備管理的形式實現(xiàn)， 組態(tài)王對設備的管理是通過對邏輯設備名的管理實現(xiàn)的，邏輯設備可以是DDE（動態(tài)數(shù)據(jù)交換）設備、智能板卡類設備、串口類設備、人機界面卡、網(wǎng)絡設備等，本文采用串口形式的MODBUS總線設備，一個串口可以連接多個總線設備，但必須在組態(tài)王中為每一個實際I/O設備指定唯一的邏輯名稱，此邏輯設備名對應著該設備的生產(chǎn)廠家、實際設備名稱、設備通訊方式、設備地址、與上位PC機的通訊方式等信息內(nèi)容。一個邏輯設備,可與一個I/O設備中的多個I/O變量對應。因此，定義一個變量時需要指定具體設備的具體寄存器地址。
    如：原生泥體積流量計信號由 3 號總線控制器采集，在 3 號總線控制器中的變量地址為“%QW258” ，主控計算機通過串口 COM1 與 MODBUS 總線設備進行通信，如果需要將原生泥體積流量定義為主控計算機中組態(tài)王變量 AA，則需設置實型變量 AA指向接在 COM1上的 MODBUS 總線地址為 3 的總線設備 3 中的寄存器地址 80259，于是變量 AA 實時反應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)存變量或臨時變量， 如賦值給組態(tài)王的內(nèi)存實型變量 BB 的表達式為：\本站點BB=\本站點AA；
    5.2  以太網(wǎng)通信方式
    組態(tài)王支持 TCP/IP 協(xié)議，網(wǎng)絡上其它計算機能通過局域網(wǎng)實時訪問主控計算機上的數(shù)據(jù)，并可以以與主控計算機上完全一樣的動畫界面進行實時監(jiān)控。遠程訪問組態(tài)王的實時數(shù)據(jù)有兩種方式：其一是在客戶端上定義服務器站點為一個網(wǎng)絡站點設備，然后在客戶端上定義變量指向網(wǎng)絡站點上的變量，訪問實時數(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上直接進行歷史數(shù)據(jù)記錄、產(chǎn)生報警等。第二種是使用組態(tài)王的網(wǎng)絡功能在程序中直接引用遠程站點上的變量，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)服務器上獲得。本文采用第二種方式，主控計算機上將網(wǎng)絡設置為“連網(wǎng)類型” ，而其他客戶機則設置為“遠程節(jié)點” 。
    例如：需要在局域網(wǎng)客戶機上顯示主控計算機上的變量AA的值，可設主控計算機的網(wǎng)絡節(jié)點名定義為jxtnk1，則客戶機界面上或程序中可直接引用變量“\jxtnk1AA”。
    網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)主控計算機與客戶機上的主界面之一如圖 4 所示。 

    6. 結(jié)束語 
    采用 MODBUS 總線協(xié)議的選礦計量網(wǎng)絡監(jiān)控系統(tǒng)，更好地體現(xiàn)了分散控制、集中管理的思想；一個節(jié)點出現(xiàn)問題，并不會影響其他的節(jié)點的工作，上位機即使關(guān)機，也不會影響下位機的工作?？梢詫崿F(xiàn)多節(jié)點遠距離的集中監(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)點都易于擴展。同時，配合上位機組態(tài)監(jiān)控軟件，配置現(xiàn)場攝像頭，能實現(xiàn) WEB 訪問與監(jiān)控，改善了工作效率。