基于MODBUS总线的选矿计量网络监控系统开发

1.引言 

    二十一世纪是信息主导的世纪，“数字化生存”已成为知识经济的标志。发达采矿国家的矿山信息化改造已迈出了坚实的步伐，如芬兰采矿业于1992年宣布的智能采矿技术方案，涉及采选矿实时过程控制，资源实时管理，矿山信息网建设，新机械应用和自动控制等28个专题。我国绝大多数矿山企业还处在劳动密集型阶段，信息化改造势在必行。钽是金属工业中的贵族，在抗腐蚀性、硬度、伸展性等方面都是金属中的佼佼者。现今计算机的精密部件、关键部位，都是钽在独当一面，钽铌也是“空间时代”的重要原料，在化工、机械、精密仪器、电子、电气、超导、国防科技领域，都离不开耐热、耐腐蚀的钽。江西宜春钽铌矿作为全国最大的钽铌原生矿，近年来运用新技术改造提升传统生产水平，以技术进步调整产品结构，更新采场钻机、铲装、运输设备，引入选矿自动化系统，从而降低成本，提高产品质量， 拓宽产品市场， 使企业出现新的活力。 本文对宜春钽铌矿选矿计量网络监控进行研究。

  
    2.总线控制技术 
    现场总线控制系统是随着控制技术、 计算机技术、 通讯技术和网络技术等的成熟与发展,在实际生产需求的驱动下,基于现场总线技术的新型控制系统。 
    2.1现场总线的特点
    现场总线也被称为开放式、数字化、多点通信的底层控制网络。20世纪 90 年代以来，各种现场总线的标准陆续形成，其中主要有Lonworks、CAN、PROFIBUS、MODBUS、FF、HART等协议标准。现场总线技术不仅是一种通信技术，它实际上融入了智能化仪表、计算机网络和开放系统互联(OSI)等技术的精粹。具有以下传统设备无法比拟的优点：
    (1)  数字信号取代模拟信号，提高了抗干扰能力及对现场环境的适应性，提高了系统检测精度，缩短了控制周期。
    (2)  实现现场设备智能化及功能自治，使基本过程控制、计算、处理等功能分散到现场设备中完成。
    (3)  开放的总线系统使不同厂家的设备之间可实现互联与信息交换，提高了系统的互用性。
    (4)  互联设备及系统间可实现一点对多点的数字通信，作到信息共享。
    (5)  系统结构高度分散，使系统的危险性得到分散。同时系统结构的大大简化，降低了成本。 
    (6)  增加了非控制信息，如自诊断、组态及补偿信息等，实现了现场管理与控制的统一。
    (7)  只需采用一根二芯通讯电缆，减少大量信号电缆、端子、控制柜等安装附件。从而使安装、维护难度与费用大大降低。
    2.2 MODBUS总线
    MODBUS是一种工业通信和分布式控制系统协议，由美国莫迪康公司(MODICON Inc. ) 推出。MODBUS协议定义的是一种数据帧结构，独立于物理层介质，所有控制器能够识别和使用，而不管设备通信的网络类型，因而具有非常良好的适用性。
    MODBUS 的通信方式为主从方式。主方所发出的请求帧和从方所发出的应答帧都是以从方地址开头的。从方只读发给自己的指令，对以其他从方地址开头的报文不予理睬，并对接受到的正确的报文予以应答，这种一问一答的通信模式，大大提高了通信的正确率，而且使得 MODBUS 协议相对来说比较简单。MODBUS 协议也成了一种事实上的通用标准，因此大部分组态监控软件都免费支持MODNUS协议。 MODBUS有RTU(Remote Terminal Unit)和 ASCII 两种传送方式。本文采用的 RTU通信方式采用 CRC－16 位循环码冗余校验，即将整个字符串(不包括最后两个字节)按规定的方式进行移位并进行异或计算，计算结果存在字符串的最后两个字节内，并由接收方按同样的计算方法进行校验是否一致。这种校验方法对随机或突发差错造成的帧破坏有很好的检验效果。 
    3.计量监控系统的要求 
    宜春钽铌矿包括采矿厂和选矿厂，采矿厂将原矿石经初步破碎后运输到选矿厂，选矿厂通过棒磨，球磨，磁选，筛选等工艺最终将钽铌矿选出来（流程图如图 1） 。还有一种矿料是液态的，它直接通过烘干再进行筛选（流程图如图 2） 。 

    在固体矿料生产加工过程中，要求能 24 小时准确测量皮带 2、3 上物料的流量、含水量及累计干重量等信息，以便进行内部的计量与考核，同时控制好皮带上物料的流量，若流量过大，棒磨机不能处理，则会导致物料堵塞，太小则降低棒磨机的生产效率，而且为了保证棒磨效率与出矿品位，需要控制加水量。而在液态矿料的生产加工过程中，要求能 24 小时准确测量管道 1 中液态矿料的浓度和流量以及累计干矿量，以便控制缓冲池阀门的开口大小。传统的做法是每隔一定的时间（如 30 分钟）取样烘干得到矿料的含水量，再用经验公式分析矿料流量。而若是液态矿浆则根据重量体积比的方法来计算浓度。这样的人工方法实时性太差，而且矿料流量有时变化相当大，因而不能准确测量出各种参数，重要的是不能在远程监控室中监控现场的流量，而生产线距离拉得很远（测点间距离近千米）以及现场的各种机器嘈杂声，各测点与控制点之间联系很困难，工人的工作条件也相当差。所以利用计算机测控技术以及现代传感技术研制一套新型的、功能完善的计量监控系统非常必要。需求的计量监控系统除完成上述检测与控制功能外，还要求：
    1)  能同时进行多点计量监控，且一个计量点出现故障时，不影响其他计量点工作。
    2)  能方便地进行系统的扩展；可以实现远距离通讯。
    3)  能以 WEB 方式发布在矿局域网上，实现局域网监视。

    4.监控系统构成 

    考虑到系统要求以及现场总线监控系统的优点，采用了基于 MODBUS 总线的监控系统结构（如图3）。主控计算机采用工控机，现场主控计算机通过以态网连接到局域网，实现局域网上的监视。各现场站采用德国 WAGO 公司的 750-815 可编程 MODBUS 现场总线控制器，750-815 总线控制器系统最多可连接 99 个总线节点，系统可接最大 I/O 点数为 6000 点，通讯速率为 0.15Kbps~19.2Kbps，最大传输距离为 1200m。要准确地实现过程自动控制，系统要求数据的精确采集必不可少，系统中主要涉及的数据有固态矿料流量、水分，液态矿料浓度、流量，水流量,同时现场各数据采集点还提供二次仪表显示。主要数据采集设备分述如下：
    4.1 固态矿料流量检测
    考虑到钽铌矿固态矿料选矿现场空间狭小、湿度大，温度变化大、粉尘多、大功率电机电磁干扰严重、而矿料单一的情况，选用非接触式的核子称在线测量固态矿料的流量和累计量。核子称是根据物料对γ射线的吸收与物料质量厚度和质量吸收系数有关的原理工作的。与使用普遍的电子称相比，核子称有如下优点：
    (1) 可进行非接触式在线测量,不受皮带磨损、张力、跑偏、冲击等因素的影响。
    (2) 可在高温、多尘、强磁、强腐蚀环境中长期稳定运行。
    (3) 它的结构简单,不对原设备进行改造,即可在线安装。
    (4) 秤体近乎免维护。
    4.2 水分检测
    水分在线检测是本系统中特别重要的一环。水分检测的方法有很多种，目前主要有：红外水分检测技术、微波测湿技术、中子测湿技术等等。
    红外水分仪是利用水分子吸收特殊波长近红外光的能量， 而基本不吸收另外波长近红外光的能量这一原理工作的。
    红外水分检测仪具有不接触物料能在线测量的优点， 在一定水分范围内测量结果比较准确，主要用于烟草、茶叶行业。但也有其突出的缺点，主要在于一旦含水量超过一定的范围，将出现误检结果。 如物料被水掩盖时， 由于水镜面的形成反而使特殊波长近红外光反射增强，水分仪反而会认为水分很少，此时就要考虑水分补偿的问题，而且在生产中需要严格保证含水量在水分仪的检测范围内。
    4.3 矿浆流量检测
    要测控的对象液态矿料属于具有导电性的泥浆类流体，故选用衬里为聚氨酯橡胶的电磁流量计检测其流量。电磁流量计所依据的基本理论是法拉第电磁感应定律，当导体切割磁力线运动时，导体内将产生电动势。导管内导体平均流速V 或流量Q_v (Q_v =VπD² /4)与感应电动势的大小成正比例关系，从而可测量管内流动的导体流体的流量。
    电磁流量计的优点主要有：
    (1) 接触流体的部分结构简单，不会改变流场分布，不会引起堵塞、无机械零件的损坏。
    (2) 电磁流量计的输出信号正比于流体的体积流量，只要流体具有一定的导电性，就可以不受被测流体的温度、密度、粘度以及导电率(在一定范围内)的影响。
    (3) 线性范围宽，无惯性，反应灵敏，可测量脉动流量和正、反方向流量。
    但是，流体内气泡对检测结果影响较大。如果在流体内含有大量气泡，会阻断磁力线的正常分布，出现流量摆动很大的情况，导致计量不准。目前有消气阀可以排除气泡，但我们在实践中发现它并不能完全排除气泡。于是跟据计量点的特殊地理位置，我们把管道切断，中间加入了一个敞开的蓄料池，使得液态物料在经过计量点时能将气泡排除。试验证明这是一种有效的方法。
    4.4  浓度采集
    根据现场的条件，采用γ射线核子密度（浓度）计来测矿浆浓度，它也是根据γ射线穿过被测介质后， 其强度由于被测介质的吸收而呈现按指数规律减弱特性来对被测介质进行连续性测量。核子密度计可在线测量密封罐、槽、管道内各种流体、半流体或混合物等的密度、浓度等。 

    5.通信实现 
    监控系统主控计算机与各从控制器之间通过 MODBUS 总线实现通信，主控计算机与局域网之间通过以太网实现通信，主控计算机及局域网终端计算机上的监控软件基于组态王6.5 软件开发。
    5.1  MODBUS总线通信方式
    主控计算机与各总线控制器之间以设备管理的形式实现， 组态王对设备的管理是通过对逻辑设备名的管理实现的，逻辑设备可以是DDE（动态数据交换）设备、智能板卡类设备、串口类设备、人机界面卡、网络设备等，本文采用串口形式的MODBUS总线设备，一个串口可以连接多个总线设备，但必须在组态王中为每一个实际I/O设备指定唯一的逻辑名称，此逻辑设备名对应着该设备的生产厂家、实际设备名称、设备通讯方式、设备地址、与上位PC机的通讯方式等信息内容。一个逻辑设备,可与一个I/O设备中的多个I/O变量对应。因此，定义一个变量时需要指定具体设备的具体寄存器地址。
    如：原生泥体积流量计信号由 3 号总线控制器采集，在 3 号总线控制器中的变量地址为“%QW258” ，主控计算机通过串口 COM1 与 MODBUS 总线设备进行通信，如果需要将原生泥体积流量定义为主控计算机中组态王变量 AA，则需设置实型变量 AA指向接在 COM1上的 MODBUS 总线地址为 3 的总线设备 3 中的寄存器地址 80259，于是变量 AA 实时反应原生泥体积流量的变化。
    变量 AA的值可以赋值给组态王的内存变量或临时变量， 如赋值给组态王的内存实型变量 BB 的表达式为：\本站点BB=\本站点AA；
    5.2  以太网通信方式
    组态王支持 TCP/IP 协议，网络上其它计算机能通过局域网实时访问主控计算机上的数据，并可以以与主控计算机上完全一样的动画界面进行实时监控。远程访问组态王的实时数据有两种方式：其一是在客户端上定义服务器站点为一个网络站点设备，然后在客户端上定义变量指向网络站点上的变量，访问实时数据，这与主从控制器之间的通讯方式一样，这种方式可以在本机上直接进行历史数据记录、产生报警等。第二种是使用组态王的网络功能在程序中直接引用远程站点上的变量，而无需在客户端上定义变量，但历史数据的访问只能从历史数据服务器上获得。本文采用第二种方式，主控计算机上将网络设置为“连网类型” ，而其他客户机则设置为“远程节点” 。
    例如：需要在局域网客户机上显示主控计算机上的变量AA的值，可设主控计算机的网络节点名定义为jxtnk1，则客户机界面上或程序中可直接引用变量“\jxtnk1AA”。
    网络监控系统主控计算机与客户机上的主界面之一如图 4 所示。 

    6. 结束语 
    采用 MODBUS 总线协议的选矿计量网络监控系统，更好地体现了分散控制、集中管理的思想；一个节点出现问题，并不会影响其他的节点的工作，上位机即使关机，也不会影响下位机的工作。可以实现多节点远距离的集中监控与协调，减少接线，减少故障率，提高可靠性；基于总线与以太网的系统，WEB 监控终端与 PLC 节点都易于扩展。同时，配合上位机组态监控软件，配置现场摄像头，能实现 WEB 访问与监控，改善了工作效率。