王德燕，黃宋魏，童 雄

（1.昆明理工大學(xué) 城市學(xué)院，昆明 650051；2.昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，昆明 650093）

0 引言

磨礦監(jiān)控系統(tǒng)是磨礦生產(chǎn)的一個重要組成部分，是保證磨礦生產(chǎn)安全、提高磨礦生產(chǎn)效率的有效工具。由于磨礦過程是復(fù)雜而又多變的生產(chǎn)系統(tǒng)，磨機在磨礦過程中參變數(shù)眾多，問題錯綜復(fù)雜，因而對磨礦監(jiān)控系統(tǒng)軟件的要求特殊，一般的工控組態(tài)軟件難以適用。所以有必要開發(fā)一種通用的磨礦監(jiān)控系統(tǒng)軟件——磨礦組態(tài)軟件，使用戶不需具備編寫程序的能力，只要根據(jù)具體磨礦監(jiān)控系統(tǒng)的要求，靈活配置、組合各功能模塊，即可生成相應(yīng)的磨礦監(jiān)控系統(tǒng)軟件。這樣不僅極大地縮短了系統(tǒng)開發(fā)時間，而且有利于實現(xiàn)各種不同磨礦監(jiān)控系統(tǒng)的高度綜合與統(tǒng)一。

1 磨礦工業(yè)流程簡介

選礦一般采用一段或兩段磨礦，便可經(jīng)濟地把礦石磨至選礦所需要的任何粒度。兩段以上的磨礦，通常是由進行階段選別的要求決定的。目前，國內(nèi)選礦行業(yè)磨礦過程基本采用兩段閉路磨礦工藝流程，如圖1所示。

圖1 磨礦工藝流程圖

對磨礦進行監(jiān)控，其控制要求如下[1]：在一段磨機給礦皮帶上配置稱重儀WT，用于在線測量磨機給礦量Wo；在一段磨機入口、出口管路以及旋流器給礦管路上各配置一個流量計FT，用于在線測量一段磨機入口水量FM、螺旋分級機補加水量FF以及旋流器給礦流量FG；在分級機出口、旋流器入口管路分別配置一個密度計DT，用于在線測量分級機溢流濃度DF、旋流器給礦濃度DG；在旋流器入口管路配置一個壓力計PT，用于在線測量旋流器給礦壓力PG；在二段泵池配置一個液位計LT，用于在線測量二段泵池液位LE；在一段和二段磨機及分級機配置電流計ET，用于在線測量一段和二段磨機電流EM1、EM2以及分級機電流EF；在一段給料處和二段底流泵處配置變頻器BP，用于調(diào)節(jié)一段給料機振動頻率和二段底流泵泵速；另外有3個調(diào)節(jié)閥門，分別用于調(diào)節(jié)一段磨機人口加水、分級機補加水以及二段泵池補加水量。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)礦磨礦生產(chǎn)過程的特殊性及系統(tǒng)需求，以使用的工作階段劃分,磨礦組態(tài)軟件由兩大部分組成:編輯環(huán)境與運行環(huán)境。在編輯環(huán)境通過建立一系列用戶數(shù)據(jù)文件，生成最終的磨礦過程圖形組態(tài)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)。在運行環(huán)境下，磨礦過程圖形組態(tài)監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)被裝入計算機內(nèi)存并投入實時運行。按成員構(gòu)成劃分，包括六個功能模塊：1)畫面編輯模塊；2）I/O設(shè)備驅(qū)動模塊；3）報警設(shè)置模塊；4）事件設(shè)置模塊；5）實時數(shù)據(jù)庫模塊；6）WEB發(fā)布模塊；7）磨礦流程計算模塊。

1）畫面編輯功能模塊用于采用基本的線、矩形、圓角矩形、圓和橢圓等圖形及圖庫文件方式可隨意靈活布置磨礦監(jiān)控畫面。各個畫面具有各種動畫屬性：如顏色、位置、尺寸、可見性和旋轉(zhuǎn)等。 可按照y=f(x)軌跡自由設(shè)定圖片運行軌跡或更改圖形尺寸。

2）I/O設(shè)備驅(qū)動功能模塊是磨礦組態(tài)軟件與PLC、智能儀表等I/O設(shè)備相互通信、交換數(shù)據(jù)的橋梁。設(shè)備驅(qū)動程序直接負責(zé)從磨礦監(jiān)控設(shè)備采集實時數(shù)據(jù)并將操作命令下達給設(shè)備，驅(qū)動程序的執(zhí)行效率與穩(wěn)定性將直接影響到磨礦組態(tài)軟件的實時性能與可靠性[2]；

3）報警設(shè)置模塊用戶可指定報警數(shù)據(jù)項，該項數(shù)據(jù)的報警發(fā)生時，能在報警控件中自動顯示聲、光等信息。

4）事件設(shè)置模塊用戶指定事件發(fā)生時的事件動作，如播放聲音，打開畫面，執(zhí)行*.exe可執(zhí)行程序等。

5）實時數(shù)據(jù)庫用于用戶指定數(shù)據(jù)存儲方式，可按定時、報警或事件存儲方式存入access數(shù)據(jù)庫。

6）WEB發(fā)布應(yīng)用Web技術(shù)實現(xiàn)磨礦過程的遠程監(jiān)測。

7）磨礦流程計算模塊用于計算磨礦過程中的控制量，可輸入已知數(shù)據(jù)，計算出控制量的值。

上述功能模塊以實時數(shù)據(jù)庫為內(nèi)在連接橋梁。因此磨礦組態(tài)軟件在總體上由畫面編輯、設(shè)備管理、報警設(shè)置、事件設(shè)置和數(shù)據(jù)庫五大部分組成，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 磨礦組態(tài)軟件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 磨礦組態(tài)軟件實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)

采用Visual C++ 編程語言開發(fā)磨礦組態(tài)軟件的各功能模塊。將磨礦組態(tài)軟件劃分為兩大操作對象類：系統(tǒng)編輯對象類和系統(tǒng)運行對象類。其中系統(tǒng)編輯對象類包括對磨礦過程實際應(yīng)用系統(tǒng)的監(jiān)測量進行各種功能處理的對象類，如曲線、報表和報警等；系統(tǒng)運行對象類是指在實際應(yīng)用系統(tǒng)的實時運行平臺上所進行的操作對象。這些對象的集合組成磨礦組態(tài)軟件的完整程序，構(gòu)成其系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)中的各個相互獨立的功能模塊。下面就系統(tǒng)各個模塊的主要軟件實現(xiàn)技術(shù)加以介紹。

3.1 圖形界面系統(tǒng)

圖形界面系統(tǒng)就是圖形顯示，圖形繪制、報警、曲線，報表等,即工況模擬動畫。在工控組態(tài)軟件中進行工程組態(tài)的第一步即是制作能反映實際生產(chǎn)的工況模擬動畫, 生成最終的圖形目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)。目標(biāo)應(yīng)用系統(tǒng)包括圖形的組合功能和圖形的動畫效果兩個過程。圖形的組合是指利用圖形控件單元的組合，快速生成工況畫面。一個監(jiān)控畫面由多個圖元組成，圖元可由用戶使用基本圖形繪制的到。在畫面開發(fā)過程中，經(jīng)常會用到如磨機、分級機等圖符對象，這些對象其他組態(tài)軟件都只能使用基本圖元繪制，難度也較大，精度不夠，很難達到用戶要求的界面設(shè)計效果。為了滿足界面設(shè)計的要求，同時使界面更美觀，該磨礦組態(tài)軟件借助于外部軟件Photoshop輔助設(shè)計磨機、分級機等圖庫。Photoshop軟件功能強大，可以設(shè)計出符合實際工程要求的圖形，為磨礦組態(tài)軟件提供磨礦設(shè)備圖庫圖形。常用的磨礦設(shè)備圖符可從磨礦組態(tài)軟件提供的圖庫中獲得，也可以由用戶使用基本圖形繪制后組合而成。

圖形的動畫效果主要是通過圖元位置、大小、顏色等的動態(tài)變化來實現(xiàn)的。所謂動態(tài)變化主要是根據(jù)用戶設(shè)定的條件來實現(xiàn)圖元動態(tài)效果，這些條件一般都是與系統(tǒng)變量相關(guān)，包括由系統(tǒng)變量組成的計算公式，或者是一段包含系統(tǒng)變量的腳本。

圖形界面系統(tǒng)的設(shè)計還包括報警組態(tài)及輸出、報表組態(tài)及打印、歷史數(shù)據(jù)顯示與檢索等功能。各種報警、報表和歷史數(shù)據(jù)源都可以通過組態(tài)作為動畫鏈接的對象。

3.2 實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

實時數(shù)據(jù)庫是磨礦組態(tài)軟件的核心,是處理和存儲實時數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)庫。執(zhí)行預(yù)定的各種數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)處理任務(wù)以及歷史數(shù)據(jù)的查詢、檢索、報警的管理等。實時數(shù)據(jù)庫及時、準(zhǔn)確地獲取現(xiàn)場數(shù)據(jù)是整個監(jiān)控系統(tǒng)正常工作的基本前提。同時實時數(shù)據(jù)庫也是連接圖形界面系統(tǒng)、報表系統(tǒng)、報警系統(tǒng)、事件處理系統(tǒng)的橋梁和紐帶。在系統(tǒng)運行過程中，各個部件獨立地向?qū)崟r數(shù)據(jù)庫輸入和輸出數(shù)據(jù)，通過實時數(shù)據(jù)庫交換數(shù)據(jù)，形成相互關(guān)聯(lián)的整體。由于實時數(shù)據(jù)庫的核心問題在于事物處理既要確保數(shù)據(jù)的及時性，又要保證事物的準(zhǔn)確性，因此實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的規(guī)劃和管理系統(tǒng)具體的實現(xiàn)方法是設(shè)計磨礦組態(tài)軟件的核心和難點，直接關(guān)系到監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定性與可靠性。實時數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的設(shè)計要求可靠、精簡。

3.3 設(shè)備管理系統(tǒng)

設(shè)備管理系統(tǒng)是磨礦組態(tài)軟件必不可少的組成部分，用于和I/O設(shè)備通訊，互相交換數(shù)據(jù)，實現(xiàn)磨礦組態(tài)軟件與儀器設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換。磨礦組態(tài)軟件通過設(shè)備驅(qū)動程序與I/O設(shè)備進行數(shù)據(jù)交換，包括從下位機采集數(shù)據(jù)和發(fā)送來自上位機的設(shè)備指令。驅(qū)動由兩部分組成，第一部分就是接口，另外一部分就是協(xié)議，接口對于組態(tài)軟件的生存平臺PC來說，接口其實就是USB，TCP/IP（wifi）和板卡等，因為設(shè)備廠商多，協(xié)議也就比較多， 如 modbusrtu/asci/tcp，profibus，opc，s7等。本組態(tài)軟件設(shè)備驅(qū)動程序主要有以下六種：OPC驅(qū)動，支持注冊表通用OPC服務(wù)器數(shù)據(jù)讀寫規(guī)范，同時為了圖形的動畫顯示效果，加入了虛擬設(shè)備驅(qū)動；PLC驅(qū)動，PLC可作為磨礦系統(tǒng)下位機，配以稱重儀、密度計等檢測儀表和執(zhí)行儀表，負責(zé)磨礦數(shù)據(jù)采集和控制；串口驅(qū)動，串行接口是測控設(shè)備所采用的最常見的一種通信接口；以太網(wǎng)驅(qū)動，可支持多個IP地址的同時連接通信；虛擬設(shè)備驅(qū)動：有多種虛擬數(shù)據(jù)源可選，如sin曲線，x^2曲線，循環(huán)變化，閃爍變化等，初值和終值及變化時間參數(shù)可自由設(shè)定；復(fù)合設(shè)備驅(qū)動：該驅(qū)動用來完成復(fù)雜數(shù)學(xué)表達式的邏輯運算，可以把虛擬驅(qū)動及OPC驅(qū)動，串口驅(qū)動的數(shù)據(jù)進行數(shù)學(xué)邏輯運算，包括加減乘除，求余，取反和各種三角函數(shù)運算，達到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化的目的，同時支持大于><=等邏輯操作。這些變化在復(fù)合變量中非常有用，可以用于報警和事件觸發(fā)。

3.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是整個磨礦組態(tài)軟件設(shè)計的核心內(nèi)容。控制策略由一些基本的功能模塊組成，一個功能模塊代表一種操作、算法或者變量。功能模塊是策略的基本執(zhí)行原素?？刂撇呗詷?gòu)件由一些基本的功能模塊組成，一個功能模塊代表一個操作、一種算法或一個變量。在很多工控組態(tài)軟件中，控制策略是通過動態(tài)創(chuàng)建功能模塊類的對象實現(xiàn)的[3]。功能模塊是策略的基本執(zhí)行元素，一個功能模塊可以被反復(fù)調(diào)用，控制策略之間也可以相互調(diào)用?？刂撇呗砸怨δ苣K的形式來完成預(yù)定的各種數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)處理、與實時數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)交換和現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備的控制等功能。在設(shè)計各控制策略構(gòu)件的時候，把對數(shù)據(jù)的操作和處理等封裝在控制策略構(gòu)件內(nèi)部，提供給用戶的只是控制策略構(gòu)件的屬性和操作方法。用戶只需在控制策略構(gòu)件的屬性中正確設(shè)置其屬性值和選定操作方法即可。

3.5 WEB發(fā)布系統(tǒng)

近年來廠級化管理越來越流行，web發(fā)布系統(tǒng)，可以讓用戶利用普通PC的IE瀏覽器就可以看到工控組態(tài)軟件的圖形界面系統(tǒng)和實時數(shù)據(jù)。磨礦組態(tài)軟件的web發(fā)布是通過activeX方式，就是封裝一個圖形瀏覽的exe文件在com組件中，當(dāng)用戶使用ie進行瀏覽時會提示安裝一個插件，這個exe文件就安裝在用戶的pc上，通過IE瀏覽器調(diào)用exe，就可以看到磨礦的組態(tài)界面，它的優(yōu)點是速度快，缺點是必須開用戶指定端口,一旦遇到路由器就不能看到。

3.6 磨礦流程計算系統(tǒng)

磨礦過程中的檢測量主要有磨機給礦量、給水量、旋流器給礦量、返砂流量、返砂濃度、分級機補加水量、溢流濃度、泵池液位、磨機內(nèi)濃度等變量；控制量主要為磨機給礦量、給水量，泵池內(nèi)濃度、液位；設(shè)定值為給礦量和磨機內(nèi)濃度。磨礦過程中需嚴格控制磨機給水量、分級機補加水量、泵池補加水量等控制量，磨礦生產(chǎn)率才能達到最高。各控制量根據(jù)生產(chǎn)工藝物料平衡方程可計算確定，如磨機給水量的計算如下：

式中:W1為磨機給水量，L/s；Q1為磨機給礦量，kg/s；Q2為返砂量，kg/s；P1為磨機給礦濃度；P3為磨機要求的濃度；P2為返砂濃度。

式中:W1為磨機給水量，L/s；Q1為磨機給礦礦漿量，kg/s；Q2為返砂礦漿量，kg/s；P1為磨機給礦濃度；P3為磨機要求的濃度；P2為返砂濃度。

圖3 磨機給水量計算

磨礦組態(tài)軟件根據(jù)生產(chǎn)工藝物料平衡方程，推導(dǎo)出各控制量計算公式，將各控制量的計算公式獨立組態(tài)成一個功能模塊，不同的控制量只需選擇相應(yīng)的計算，輸入已知數(shù)據(jù)，即可計算出控制量的值，如磨機的給水量計算如圖3所示。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)組態(tài)軟件的原理提出了磨礦組態(tài)軟件中最具普遍意義的功能模塊的設(shè)計方法。 磨礦組態(tài)軟件不僅為磨礦監(jiān)控系統(tǒng)提供了一套通用的無需用戶編程的軟件生成工具，而且具有操作簡單、組態(tài)靈活、界面美觀、功能全面等優(yōu)點。

[1] 趙大勇, 岳恒, 周平, 等. 基于智能優(yōu)化控制的磨礦過程綜合自動化系統(tǒng)[J]. 山東大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版), 2005. 35(3):119, 124.

[2] 馬國華. 監(jiān)控組態(tài)軟件及其應(yīng)用[M]. 清華大學(xué)出版社,2001.

[3] 鹿玲杰, 田燕燕等. 組態(tài)軟件的設(shè)計與實現(xiàn)方法[J]. 大慶石油學(xué)院學(xué)報, 2001, (1).

[4] 李啟衡. 碎礦與磨礦[M]. 北京: 冶金工業(yè)出版社, 1983.