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

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)時過程控制，資源實(shí)時管理，礦山信息網(wǎng)建設(shè)，新機(jī)械應(yīng)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(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(luò)監(jiān)控進(jìn)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(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、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(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(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(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)，即將整個字符串(不包括最后兩個字節(jié))按規(guī)定的方式進(jìn)行移位并進(jìn)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(jìn)行校驗(yàn)是否一致。這種校驗(yàn)方法對隨機(jī)或突發(fā)差錯造成的幀破壞有很好的檢驗(yàn)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(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 小時準(zhǔn)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(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(jī)不能處理，則會導(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 小時準(zhǔn)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(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算濃度。這樣的人工方法實(shí)時性太差，而且礦料流量有時變化相當(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(jìn)行多點(diǎn)計量監(jiān)控，且一個計量點(diǎn)出現(xiàn)故障時，不影響其他計量點(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）。主控計算機(jī)采用工控機(jī)，現(xiàn)場主控計算機(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(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(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,不對原設(shè)備進(jìn)行改造,即可在線安裝。
(4) 秤體近乎免維護(hù)。