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，近年來運用新技術改造提升傳統(tǒng)生產水平，以技術進步調整產品結構，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，提高產品質量， 拓寬產品市場， 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
現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)是隨著控制技術、 計算機技術、 通訊技術和網(wǎng)絡技術等的成熟與發(fā)展,在實際生產需求的驅動下,基于現(xiàn)場總線技術的新型控制系統(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。現(xiàn)場總線技術不僅是一種通信技術，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)結構高度分散，使系統(tǒng)的危險性得到分散。同時系統(tǒng)結構的大大簡化，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)幀結構，獨立于物理層介質，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，計算結果存在字符串的最后兩個字節(jié)內，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以及現(xiàn)代傳感技術研制一套新型的、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)結構（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量厚度和質量吸收系數(shù)有關的原理工作的。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) 它的結構簡單,不對原設備進行改造,即可在線安裝。
(4) 秤體近乎免維護。