1.引言
二十一世紀是信息主導(dǎo)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(shè),，新機械應(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。現(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(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(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" title="計量">計量網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控進行研究。
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(luò)。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" title="MODBUS">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(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：
(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(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(dǎo)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(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(shè)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(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(yīng)定律，當導(dǎo)體切割磁力線運動時,，導(dǎo)體內(nèi)將產(chǎn)生電動勢,。導(dǎo)管內(nèi)導(dǎo)體平均流速V 或流量Qv (Qv =VπD2 /4)與感應(yīng)電動勢的大小成正比例關(guān)系，從而可測量管內(nèi)流動的導(dǎo)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(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(dǎo)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(shè)備管理的形式實現(xiàn),， 組態(tài)王對設(shè)備的管理是通過對邏輯設(shè)備名的管理實現(xiàn)的,，邏輯設(shè)備可以是DDE（動態(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,，一個串口可以連接多個總線設(shè)備，但必須在組態(tài)王中為每一個實際I/O設(shè)備指定唯一的邏輯名稱,，此邏輯設(shè)備名對應(yīng)著該設(shè)備的生產(chǎn)廠家,、實際設(shè)備名稱、設(shè)備通訊方式,、設(shè)備地址,、與上位PC機的通訊方式等信息內(nèi)容。一個邏輯設(shè)備,可與一個I/O設(shè)備中的多個I/O變量對應(yīng),。因此,，定義一個變量時需要指定具體設(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(shè)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(shè)置實型變量 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 實時反應(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(luò)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(wù)器站點為一個網(wǎng)絡(luò)站點設(shè)備，然后在客戶端上定義變量指向網(wǎng)絡(luò)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(luò)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(wù)器上獲得,。本文采用第二種方式，主控計算機上將網(wǎng)絡(luò)設(shè)置為“連網(wǎng)類型” ,，而其他客戶機則設(shè)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(shè)主控計算機的網(wǎng)絡(luò)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“\\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(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。