基于现场总线选矿物料计量监控系统研究.pdf

中南大学 硕士学位论文 基于现场总线选矿物料计量监控系统研究 姓名阳昶 申请学位级别硕士 专业机械电子工程 指导教师何清华 20050518 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 监控系统作为企业设备和生产过程检测、控制和调度的有效手 段，随着信息化发展而被广泛应用。我国矿山信息化发展落后，许 多矿山还在利用常规模拟仪表实现监控功能，参数采集准确性差， 实时性和控制性不强。因此，利用目前迅速发展的计算机技术、网 络技术为矿山自动化设计合适的监控系统就相当重要。 论文结合了中南大学智能机械所承担的宜春钽铌矿自动化改造 项目中子课题选矿计量监控系统，并根据选矿工艺具体情况和 生产控制要求，通过对现场总线技术和监控系统发展情况的分析， 提出了一种基于M O D B U S 总线的选矿计量监控系统的解决方案， 并进行了设计；同时根据工程要求采用了硬件抗干扰措施，同时通过 软件设计了分段式数据校正程序，以提高系统精度，并采用加权移 动平均算法对采集数据进行数字滤波；在流量控制方面，提出了一 种模糊控制、P I D 控制相结合的算法，并设计了F u z z y - P I D 控制器； 在组态王6 ．5 的环境下编写了上位机监控软件，通过与下位机P L C 的连接，实现了具有现场总线功能的集散监控系统。 在实际应用中表明选矿计量监控系统总体研究方案合理、数据 通信正确、系统运行稳定、数据处理方法正确、有效。该研究有较 大的实用价值，可以推广到其他矿山。 关键词选矿自动化；监控系统；M O D B U S ；F u z z y - P I D 控制 中南大学硕士学{ 奇论文A B S T R A C T A B S T R A C T A sa ne f f i c i e n tm e t h o dw h i c ht e s t 、C O n t r o la n d d i s p a t c h m a n u f a c t u r i n gf a c i l i t i e sa n dt h ep r o c e s so fp r o d u c t i o n ．M o n i t o r i n g S y s t e mi Sw i d e l y u s e di n i n d u s t r y w i t ht h ed e v e l o p m e n to f i n f b r m a t i o nt e c h n o l o g y ．C h i n af a I I sb e h i n dd e v e l o p e dc o u n t r i e si n d e v e l o p i n gm i n i n g i n f o r m a t i o nt e c h n i q u e s ．M a n ym i n e ss t i l Iu s e o r d i n a r ya n a l o gi n s t r u m e n t st om o n i t o rp r o d u c t i o np r o c e s s ，w h i c h h a sb a dr e a l - t i m ea n dc o n t r o lp e r f o r m a n c e ；b e s i d e s 。p a r a m e t e r s s a m p l e db yt h e s ei n s t r u m e n t sa r en o tS Oa c c u r a t e ．S 0i ti Sv e r y n e c e s s a r yt h a td e v e l o ps u i t a b l e m o n i t o rs y s t e m sf o rm i n e s a u t o m a t i o nb yt h ed e v e l o p i n gc o m p u t e ra n dn e t w o r k t e c h n o l o g y ． T h er e s e a r c ht o p i co ft h i sp a p e rs o u r c e df r o mt h ep r o j e c t M o n i t o r i n gS y s t e mo f M i n e r a IP r o c e s s i n g ，o n eo fa u t o m a t i o n p r o j e c t s o fY i C h u nT a n t a l u m N i o b i u mM i n et a k e nb yT h e I n t e l l i g e n tM e c h a n i s mI n s t i t u t eo fC e n t r a IS o u t hU n i v e r s i t y ．I nt h e f i r s tp l a c e ，a c c o r d i n gt ot h ep r o c e s so fm i n es e l e c t i o na n dt h e r e q u i r e m e n t so fp r o d u c i n gc o n t r o l 。a n db a s e do nt h ea n a l y s i so f F i e l d b u st e c h n o l o g ya n dt h es t a t u so fm o n i t o r i n gs y s t e m 。aM o d b u s f i e l d b u sb a s e dm o n i t o r i n gs y s t e mi S b r o u g h t f o r w a r df o rt h e s e l e c t i o na n dm e a s u r e m e n to fm i n e r a l s ．1 na d d i t i o n ，a c c o r d i n gt o e n g i n e e r i n ga c q u i r e m e n ta na n t i i n t e r f e r e n c es c h e m eb yu s i n g s p e c i a l h a r d w a r ei S d e s i g n e d 。a n dW e i g h t e dM o v eA v e r a g e A l g o r i t h mi sa p p l i e dt of i l t e ro r i g i n a ld a t a ．T h i r d l y ，aF u z z y P I D a l g o r i t h mi Sp u tf o r w a r da n daF u z z y P I Dc o n t r o l l e ri Sd e s i g n e df o r f l o wc O n t r o I ．A tI a s t ，b a s e do nK i n g v i e w6 。5s o f t w a r e ，m o n i t o r i n g s o f t w a r ei Sc o m p i l e d ．B yc o n n e c t i n gm o n i t o r i n gs o f t w a r ew i t hP L C 。 ad i s t r i b u t e dm o n i t o r i n gs y s t e mw i t hF i e l d b u sf u n c t i o ni Sr e a l i z e d ． F r o m p r a c t i c e ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sc a nb em a d e ．1 T h ef r a m e o fm o n i t o r i n gs y s t e mi Sr e a s o n a b l e ；2 d a t ac o m m u n i c a t i o na n d p r o c e s s i n gi Sc o r r e c t ；3 t h em o n i t o r i n gs y s t e mi Ss t a b l e ．T h e s e p r a c t i c e ss h o wt h a tt h ep a p e rd o e sav a l u a b l ei o ba n dr e s e a r c h c o n c l u s i o n so ft h i sp a p e rc a nb ea p p l i e dt oo t h e rm i n e s ． K e y w o r d s A u t o m a t i o no fm i n e r a lp r o c e s s i n g M o n i t o r i n gs y s t e m ； M o d b u s ；F u z z y - P I D ； I I 办 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名年显盘L 日期址继月盟日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 中南丈学硕t 学位论文第一章绪论 第一章绪论 1 ．1 矿山信息化发展与现状 二十一世纪是信息主导的世纪，“数字化生存”己成为知识经济的标志。信 息技术的飞速发展，给中外采矿业带来了巨大冲击。采矿业是以矿产资源为生产 对象的古老产业。发达采矿国家的矿山信息化改造已迈出了‘坚实的步伐，有的已 制定了长远发展规划【I 】。加拿大从二十世纪九十年代初开始研究遥控采矿和过程 控制技术，目标是实现整个采选矿过程的遥控操作。芬兰采矿业也于1 9 9 2 年宣 布了自己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2 8 个专题【2 - 3 I 。 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。特别 是对于国防和经济建设都有重大意义的有色金属矿山的改造尤为重要。按照国家 “信息产业化，产业信息化”的方针，自8 0 年代以来，我国矿业领域开始应用 信息技术，一些矿山、设计院开始探索计算机技术在矿山设计和生产中的应用， 国外一些矿业公司也到我国介绍有关的矿山信息技术与软件系统，国内一些研 究、设计单位和院校也开始开发一些矿山应用软件。例如，8 0 年代初在德兴铜 矿首次应用计算机进行了克里格法储量计算，并应用到其他的矿山中，在推动我 国矿山信息化方面起到了积极的作用。在矿山生产自动化方面，8 0 年代铜陵凤 凰山选矿厂就建立了选矿自动控制系统。9 0 年代以来，矿山信息化进程在我国 进一步深入。江西德兴铜矿、永平铜矿、山西孝义铝矿等一些矿山利用符合国际 矿业标准的系统进行采矿设计。德兴铜矿于1 9 9 8 年引进美国模块公司用G P S 定 位的D I S P A T c H 系统，实现了露天采矿生产的计算机调度，提高了设备利用率 和矿山生产管理水平。在选矿自动化方面，德兴铜矿大山选矿厂引进了选矿自动 化控制系统，以W i n d o w sN T 为平台，采用了现场总线系统，并可通过I n t e m e t 实现生产过程监控1 4 1 。 虽然我国矿山已开始使用信息技术，有的矿山的信息化起点还比较高，但也 应该看到，同矿业先进国家相比，我国矿业和矿山的信息化总体水平还很低，主 要表现在1 ．我国大部分矿山还处于信息化荒漠状态；2 ．现代矿山辅助设计系统 还没有在我国全面应用3 ．整体矿山自动化、智能化程度很低；4 ．以信息化提升 矿山生产水平的重要性还没有成为共识5 ．信息化技术队伍不足等【4 】。以第3 点 为例，许多矿山的自动化改进一般都停留在买入先进设备等方面，而采用智能化 监控系统的矿山却少之又少；现场总线作为工矿现场控制的利器，除在一些电厂、 中南大学硕} 学位论文第一章锗论 煤矿应用较多外，其他矿山应用并不多见。随着我国经济的飞速发展，信息化进 程的加快，矿山自动化、信息化的进程也在飞速发展当中。 1 ．2 监控组态软件发展概况 监控系统涉及监测与控制两方面，监测系统的构建涉及工业控制软件问题。 随着工业自动化技术的迅速发展及计算机在工业自动化领域的广泛应用，人们对 工业自动化的要求越来越高，种类繁多的控制设备和过程监控装置在工业领域的 应用，使得传统的工业控制软件己无法满足用户的各种需求。目前流行使用工控 组态软件来代替传统的工业控制软件。 组态软件作为用户可定制功能的软件平台工具，足随着分布式控制系统 D C S 及计算机控制技术的日趋成熟而发展起来的，足D C S 的商业化应用促进了 组态软件概念的普及。随着微处理器及个人计算机技术的飞速发展，自动化监控 设备的价格得以大幅度减低，体积也逐渐减小；另外，计算机网络技术的发展使 得监控设备之间的互联通信变得简单易行。所有这一切都促进了监控组态软件的 普及与推广，同时监控组态软件也促使自动化技术走向除工业应用外的其他自动 化领域，如楼宇自动化，家庭自动化，环境自动化等，加快了整个社会的信息化 步伐，提高自动化工程的工作效率，减少系统的维护和升级费用【5 】。 通用监控组态软件主要特点有【铺l 1 延续性和可扩充性 用通用组态软件开发的应用程序，当现场 包括硬件设备或系统结构 或用 户需求发生改变时，不需作很多修改就可方便地完成软件的更新和升级。 2 封装性 易学易用 通用组态软件所能完成的功能都用一种方便用户使用的方法包装起来，对于 用户，不需掌握太多的编程语言技术 甚至不需要编程技术 ，就能很好地 完成一个复杂工程所要求的所有功能。 3 通用性 每个用户根掘工程实际情况，利用通用组态软件提供的底层设备 P L C 、智 能仪表、智能模块，板卡、变频器等 的F OD r i v e r 、开放式的数掘库和画 面制作工具，就能完成一个具有动画效果、实时数据处理、历史数据和曲线 并存、具有多媒体功能和网络功能的工程，不受行业限制。 1 ．2 ．1 国外组态软件概述 国外监控组态软件是随着微软公司W i n d o w s 操作系统的普及而发展的，世 2 中南大学硕十学位论文第一章绪论 界上第一个把组态软件作为商品进行开发，销售的专业软件公司是美国的 W o n d e r w a r e 公司，它于8 0 年代末率先推出第一个商品化监控组态软件I n t o u c h 。 此后监控组态软件在全球得到了蓬勃发展。下表列出了国际上比较知名的1 2 种 监控组态软件。 表卜1 国际上较知名的监控组态软件嘲 公司名称产品名称国别公司名称 产品名称国别 I n t e l l u t i o n F I X ．i F I X美国 R o c k - Ⅵ，e l I R S V i e w 3 2美国 W o n d e r w a r eI n t o u c h 美国 信肯通1 1 l i r l k D O美国 N e n l aS o f t P a r a g o n T N T 美国 N a t i o n a IL a b v i e w美国 P a r a g o nT N T I n s t r u m e n t s T AE n g i n e e r i n gA n I A X 美国 I c o n i c sG e n e s i s美国 通用电子 C i m p l i c i t y 美国 P CS o f tW i z C o n 以色列 西门予 W i I l C C 德国 C i t e c hC i t e c h 澳大利亚 经过多年的发展，国外的监控组态软件在功能完备性、产品包装、市场推广 等方面都具有一定优势，特别是在图形界面的制作，I ／O 驱动，数据库冗余控制， 数据的运算处理等方面处理得很不错。但也不是尽善尽美。 如美国W o n d e r w a r e 公司的I n t o u c h 率先推出的1 6 位W i n d o w s 环境下的组态 软件，在国际上曾得到较高的市场占有率。I n t o u c h 软件的图形功能比较丰富， 使用较方便，但控制功能较弱。其t ／0 硬件驱动丰富，只是使用D D E 连接方式， 实时性较差；另外驱动程序须单独购买。在3 2 位W i n d o w s 环境下它已受到其他 产品的猛烈冲击。 I n t e l l u t i o n 公司新推出的i F E K 软件，其I ／o 硬件驱动丰富，只是驱动程序也 需单独购买。它是全新模式的组态软件，思想和体系结构都比较新，提供的功 能也较为完整。但也许过于“庞大”和“臃肿”，对系统资源耗费巨大。 此外，国外监控组态软件对于国内用户来说，还有使用界面不友好，价格昂 贵，技术支持不方便等因素，这就给国内的监控组态软件发展提供了机遇。 1 ．2 ．2 国内组态软件概述 组态软件产品在国外出现了近3 0 年，在中国也已有将近2 0 年的历史，但国 内组态软件的发展却是近十年的事情，事实上，在3 2 位W i n d o w s 环境出现以前， 国内组态软件并没有什么发展。主要可能是国内对组态软件的接受要一个过程， 随着时间的推移，国内很多厂家发现了国产组态软件的巨大市场，加入了组态软 件的开发队伍中。 中南大学硕十学位论文第一蕈绪论 近年来已有一定影响力的产品有组态王，S y n a l l ，M C G S ，天工．C o n t r o l X ，虎翼， 力控等。国产化的组态软件具有较强的价格竞争优势，同时组态界面友好，技术 支持方便等优点。但总的来讲，由于资金来源缺乏，软件工程的组织薄弱，因此 软件商品化的程度还比较差。目前国产化组态软件主要应用于一些小型的非重要 性的项目应用中。下面列举并介绍了一些有代表性的国内组态软件。 北京亚控公司的组态王。组态王是国内较早出现的组态软件产品之一，至今 也有7 年左右的历史了。早期的组态王仿造I n t o u c h ，只足个人机接口，到了5 ．1 版本，在数据管理和开放性方面有了一些改进，但体系结构却没有实质性地突破。 目前的版本是6 ．5 ，它摆脱了早期形成的不合理的程序构架。其网络功能和I ／0 驱动有了长足的进步，但感觉在画面的制作上和驱动支持上还有待提高。但相比 国内其他组态软件而言，其功能，驱动支持，通讯等各个方面均处于领先地位。 因此，它在电力行业、石油化工、邮电行业、钢铁行业、水处理、锅炉控制、食 品加工等行业都得到了广泛的应用。自9 7 年3 月“组态王”投放市场以来，在 五年左右的时间，共销售l 万余套，成为目前中国市场年销售套数最多、市场占 有率增长最快的工控组态软件。考虑到这些因素，本论文所涉及的系统也采用了 “组态王6 ．5 ”作为监控软件。 M C G S 是思想比较独特的产品，属于另类的产品，有很多特殊的概念和使 用方式，大多数使用过其他组态软件的人都会感觉有些不惯。据说早期的版本是 用V B 开发的1 7 1 。 S y n a l l 网络方面有独到之处，缺点足效率和稳定性还有待提高。 总之，随着国内工业控制系统中计算机系统的逐渐成熟和普及，进口软件的 缺点逐渐显露价格昂贵、非中文界面、技术服务困难等，国内组态软件将大有 可为。可以预见，在不久的将来，国产组态软件将占据更大的市场份额。 1 ．3 控制系统发展概况 我国的工业控制体系从基地式气动仪表控制系统、电动单元组合式模拟仪表 控制系统、集中式数字控制系统到集散控制系统 D C S ，D i s t r i b u t e dC o n t r o l S y a e m 峭J 、现场总线控制系统 F C S ，F i e l d B u sC o n t r o lS y s t e m 大约经历了五代。 每一代新控制系统的提出都是针对老一代控制系统存在的不足而给出的更完善 的解决方案，并最终在用户需求和市场竞争两大因素的推动下占领市场的主导地 位。前三种控制系统应用技术已经过时，目前流行的是D C S 和F C S ，这两种技 术在很长的时间内还会并存并相互促进1 9 】。 4 中南大学硕十学位论文第一章绪论 1 ．3 ．1 集散控制系统 集散型计算机控制系统又称分布式控蒂9 系统 D i s t r i b u t e dC o n t r o lS y s t e m ，简 称集散型控制系统 D C S ，它是利用计算机技术对生产过程进行集中监视、操作、 管理和分散控制的一种新型控制系统。集散型控制系统是由计算机技术、信号处 理技术、测量控制技术、通信网络技术和人机接口技术相互发展渗透而产生的。 D C S 既不同于分散的仪表控制，又不同于集中式计算机控制系统，而是克服了 二者的缺陷而集中了二者的优势。目前D C S 作为一个比较完善和成熟的工业控 制系统，已广泛应用于我国的化工、石油，电力等工业过程控制，占据着我国工 业控制领域的主导地位。经过多年的发展，传统集散控制系统已经很成熟了，传 统意义上的集散控制系统有如下特点【m 叫1 J ； 1 功能全 可完成从简单的回路控制到复杂的多变量模型优化控制；可进行串级，前馈 一反馈等各种复合调节；以及不问断的顺序控制，批量控制，逻辑控制，自 适应控制等各种控制，实现显示，监控，打印，输出，报警，数据储存等操 作要求。 2 采用网络通讯技术 D C S 的通讯网络一般采用双绞线，同轴电缆，光纤等构成，传输距离从几十 米到十几千米不等。有星形，环形和总线等多种结构，通讯协议向标准化方 向发展，D C S 的网络不同于一般的计算机网络，它更强调实时性，可靠性与 广泛的通用性。 3 实现了人一机对话技术，操作员可在任何时刻进行集中监控管理。 4 系统扩展灵活，可根据需要配置成大，中，小系统。 5 可靠性高 硬件上采用冗余配置，引入容错技术，使系统可靠性大大提高，即使发生故 障，修复时也不影响系统的操作使用。 6 管理能力强 很容易实现管理自动化，工厂自动化，实验室自动化，办公自动化的全自动 化管理目标。 7 使用方便 在系统调试完毕后，操作人员操作使用都很方便。 1 ．3 ．2 现场总线控制系统 现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节 中南大学硕士学位论文 第一鼋绪论 点数字通讯的系统，也被称为开放式，数字化，多点通信的底层控制网络。而现 场总线控制系统是随着现场总线的发展而发展起来的，它把单个分散的测龟控制 设备变成网络节点，以现场总线为纽带，把它们连接成可以相互沟通信息，共同 完成自控任务的网络系统和控制系统。现场总线控制系统既是一个开放通信网 络，又是一种全分布控制系统。它作为智能设备的联系纽带，把挂接在总线上， 作为网络节点的智能设备连接为网络系统，并进一步构成自动化系统，实现基本 控制，补偿计算，参数修改，报警，显示，监控，优化及控管一体化的综合自动 化功能。它是一项以智能传感器，控制，计算机，数字通信，网络为主要内容的 综合技术【1 1 一”1 。 进入2 0 世纪9 0 年代以来，各种现场总线的标准陆续形成。其中主要的有局部 操作网络L o n w o r k s 、控制局域网C A N 、过程现场总线P R O F I B U S 、M O D B U S ． 基金会现场F F 、H A R T 协议等。其中，M O D B U S 总线技术新出现不久，由荚国 M O D I C O N 公司开发。它定义的是一种数据帧结构，独立于物理层介质，所以控 制器能够识别和使用，因而M O D B U S 协议具有良好的适用性，得到了众多大公 司的支持，目前几乎所有的D C S 系统都提供了M O D B U S 通信接口。 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 O S I 等技术的精粹。具有传统设备无法比拟的优点【1 5 ．16 】 1 数字信号完全取代4 ～2 0 m A 模拟信号，提高了抗干扰能力，对现场环境的适 应性强。它可以支持双绞线、同轴电缆、光缆、红外线、电力线等。 2 实现现场设备智能化与功能自治，使基本过程控制、计算、处理等功能分散 到现场设备中完成。仅靠现场设备即可完成自动控制的基本功能，并可随时 诊断设备运行状态，提供报警信息。 3 实现系统的开放性、互操作性和互用性。系统的协议公开，不同厂家的设备 之间可实现互联与信息交换，用户可按自己的需要和考虑把来自不同供应商 的产品组织成一个系统。互联设备间、互联系统间的信息传送与沟通可实现 点对点、一点对多点的数字通信，作到信息共享。由于不同厂家的性能相似 的设备可进行互换互用，从而提高了系统的互用性。 4 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减化， 降低了成本，简化了系统的设计与改造。 5 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。 1 ．3 ．3D C S 与F C S 的未来探讨 过去很长一段时间，许多学者和厂商把D c s 集散控制系统 和F c s 现场总 6 中南大学硕十学位论文 第一窜绪论 线控制系统 对立起来，在他们眼中，D C S 是旧事物，而F C S 是代表潮流的新事 物。并认为F C S 取代D C S 是一个必然趋势．因此，诸如。基于现场总线的控制 系统。最后将取代传统的D C S ，而且一个统一的现场总线国际标准必将会出现。” [ 1 7 1 ；“F C S 的推广是逐渐取代D C S 的过程”【18 1 之类的话层出不穷。其主要的依 据就是D C S 在开放性、底层控制、总线技术的应用上远远不如F C S 。但作者 在参考很多关于实际工程项目中D C S 和F C S 应用的论文，以及在对国内各D C S 生产厂家的研究方向了解后发现，国内真正完全的F C S 系统可以说是没有，多 少都带有D C S 的色彩，究其原因，F C S 目前的主要优点在底层控制量，当要求 控制量很大时才能明显体现出F C S 的优点，而国内真正大的控制要求量的工程 是少之又少。今后，随着D C S 本身技术的提高，D C S 的生命力将远高于一些学 者所估计． 作者认为D C S 不会被F C S 所取代，反而D C S 在吸收F C S 的先进技术后将 融合F C S ，形成新的D C S 系统。或者说D C S 与F C S 相互融合形成新的系统。 主要原因有 1 第四代D C S 的出现提升了其自身的技术水平【1 9 1 第四代D C S 是受信息技术 网络通信技术、计算机硬件技术、嵌入式系统技 术、现场总线技术、各种组态软件技术、数据库技术等 发展的影响，以及用 户对先进的控制功能与管理功能需求的增加，各D C S 厂商提高其技术水平 而提出来的．充分体现信息化和集成化的要求。 在信息化方面信息化体现在各D C S 系统已经不是一个以控制功能为主的 控制系统，而是一个充分发挥信息管理功能的综合平台系统。D C S 提供了从 现场到设备，从设备到车间，从车问到工厂，从工厂到企业集团整个信息通 道。这些信息充分体现了全面性、准确性、实时性和系统性。 在集成化方面功能的集成和产品的集成。过去的D C S 厂商基本上是以自 主开发为主，提供的系统也是自己的系统。当今的D C S 厂商更强调系统的 集成性和解决方案能力，D C S 中除保留传统D C S 所实现的过程控制功能之 外，还集成了P L C ，R T U ，F C S ，各种多回路调节器，各种智能采集或控制 单元等， 2 D C S 变成真正的混合控制系统 几乎所有的第四代D C S 都包容了过程控制、逻辑控制和批处理控制，实现 了混合控制。这也适应了用户的真正控制需求。 3 D C S 包含F C S 功能并进一步分散化 F C S 系统是随着现场总线的出现而出现的，现场总线有很多的优点，如果一 个控制系统在现阶段还不能融合现场总线技术，那它必然是一个落后的系 7 中南大学硕七学位论文 第一章绪论 统。但D C S 也可以应用总线的技术，即便在底层设备使用模拟设各的情况 下，也可以应用总线来进行与上位机的通讯。总线标准种类繁多，对F C S 的 推广和D C S 应用总线技术都是一个问题，但如果有一天总线标准统一，那 D C S 也能很好地支持这样的标准。同时，以前D C S 的开放性确实不如F C S ， 但随着各厂家放弃了原来自己独立开发的工作模式，变成集成与合作的开发 模式。这个问题相信也会变得微不足道。 1 ．4 项目背景及研究意义 我国矿业信息化的目标是充分利用现代信息技术，开发利用矿业信息资源， 优化矿业活动全过程，用信息化改造我国传统矿业，提升我国矿业的管理水平和 技术水平，提高我国矿山企业的竞争能力，实现我国矿山的现代化1 4 1 。在这个目 标的指导下，江西省“十五”发展计划纲要中对其境内的各个有色金属矿山 提出了矿山信息化建设的要求。其中还专门提出关于“扩建宜春钽铌矿”的指示 精神“走科技兴矿之路，认真规划，不断提高矿山采选生产能力，提高产品技 术含量。并力图通过资产重组，境内上市，积极参与资本运作，推进现代企业管 理制度，发展规模经济”。【2 0 I 江西宜春钽铌矿是全国最大的钽铌原生矿，储量在全国乃至世界占举足轻重 的地位。钽足金属工业中的贵族，硬度位居所有金属的第三位，有很强的伸展性 而膨胀系数却很小，还具有极强的抗腐蚀性。它足制造高级电容器的最佳材料， 全球6 0 ％以上的钽用来制造电容器。钽的寿命又比不锈钢长数十倍。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。 同时钽铌也是“空间时代”的重要原料，钽的年消耗量达到1 5 0 0 吨，铌则上万 吨【2 I J 。但是，宜春钽铌矿钽铌的深加工力量薄弱，生产规模小，缺乏新产品的开 发与研究。2 0 0 3 年以来，根据信息化的要求，宜春钽铌矿更新采场钻机、铲装、 运输设备，引入采选矿自动化系统，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。 课题来源于江西宜春钽铌矿自动化改造项目中子课题选矿计量监控系 统，此计量监控系统由中南大学智能机械研究所承担研制。系统要求能对钽铌矿 在生产选矿的过程中进行实时在线监控，并能对流量等重要参数进行控制。本论 文结合该项目进行了一种新型选矿计量监测系统的开发研究，即基于M O D B U S 总线的选矿计量监控系统。 中南大学硕十学位论文第二鼋计量网络监控系统方案研究 第二章计量网络监控系统方案研究 2 ．1 选矿厂生产工艺简介 江西宜春钽铌矿是我国目前规模最大的钽铌锂原料生产基地，专业生产“银 岭牌”钽铌精矿、锂云母，高岭土，锂长石粉和白花岗岩等产品。2 0 0 3 年以来， 为了摆脱其生产过程中存在的采选回收率低、生产规模较小、技术装备水平较低、 劳动生产率低等问题。宜春钽铌矿对生产过程自动化加大了投入。 宜春钽铌矿内部分为采矿厂和选矿厂，采矿厂利用潜孔钻穿孔，炸药爆破， 电铲铲装，推土机自卸汽车与电机车联合运输等手段，从露天的矿区将含有钽铌 等稀有金属原矿石经初步破碎后运输到选矿厂。而钽铌选矿流程主要包括破碎、 洗矿及原生泥处理、麽矿重选、次生细泥处理等几个部分。矿料分别以固体矿料 和液态矿料的形式表现出来。对固态矿料，在选厂通过棒磨，球磨，磁选，筛选 等工艺最终将钽铌矿选出来；而对液态矿料则先通过风干的方式变成细料后再进 行处理。基本流程图如图2 ．1 ，2 - 2 所示，图2 - 3 ，2 ．4 则分别是在其加工过程中的 现场设备图片。 风 液 堰 千 杏 明渠1 一冲管道1 一 倚 r 地 进 料处 理 图2 - - 1 固体矿料加工流程图图2 - - 2 液态矿料加工流程图 目z j Ⅻ坪l 乙馕奇 9 中南大学硕七学位论文 第二牵计嚣刚络临柠系统方案研究 在固体矿料生产加工过程中，要求能2 4 小时准确测量皮带2 、3 上物料的 流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d , N 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2 4 小时准确测量管道1 中液态矿料的浓度和流量 以及累计千矿量，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3 0 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 若足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，各个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。 2 ．2 系统主要完成功能及系统结构分析 综合选矿工艺和现场实际情况，要求监控系统主要完成以下5 点要求 I 2 4 小时实时在线测量皮带l 矿料流量，含水量 节点1 ；皮带2 ，皮带3 上矿料流量，同时可以计算矿料累计量，并控制皮带上矿料的流量 节点2 。 2 2 4 小时实时在线测量管道l 中液态物料的浓度，流量，并计算累计量和控制 液态矿料的流量 节点3 。 3 当其中一个计量点出现故障时，不影响其他计量点的计量与控制。 4 人机界面友好，易于操作。可根据趋势曲线进行实时、历史数据的查询，能 产生各种不同形式的报表，能方便地进行系统的扩展。 5 能挂接在矿局域网上，成为公司网络管理系统的一部分。 针对系统要求和目I j { 『国内控制系统的发展状况，我们采用分布式控制系统结 构进行集散控制，将系统分为上位机和下位机，下位机负责数据采集，流量控制， 并将数据通过总线传输至上位机。而上位机则主要以人机界面的形式接收数据， 报表处理，同时在上位机上发出控制命令。 带总线功能的集散控制系统结合了D C S 和F C S 的优点，能跟好地满足宜春钽 铌矿的实际情况。其自动化架构可为现场控制层，通讯层，上位机监控层，以 及上位管理层。其结构框图如图2 ．5 所示。以下就现场控制层 保护数据采集设 备，执行机构 、通讯层、上位机监控层进行设计。 1 0 中南大学硕十学位论文 第二章计量网络监拧系统方案研究 2 ．3 现场控制层 图2 - 5 选矿厂自动化架构图 简单说来，现场控制层可分