鄧 展 王建民(華北理工大學(xué)電氣工程學(xué)院，河北 唐山 063210 )

隨著自動化技術(shù)的進(jìn)步，自動化控制在工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。工業(yè)生產(chǎn)中組態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)是典型的工業(yè)自動化系統(tǒng)，它是將計算機、儀器儀表、控制理論和其他信息技術(shù)進(jìn)行綜合應(yīng)用的技術(shù)，可實現(xiàn)生產(chǎn)過程的監(jiān)測、控制與管理，提高生產(chǎn)效率、產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)安全性，減少生產(chǎn)過程中原料與能源的消耗。目前工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的是由西門子公司開發(fā)的Wincc組態(tài)軟件。Wincc內(nèi)部嵌入了支持OPC的組件以及PLC的驅(qū)動軟件[1]，這使得底層設(shè)備和上位機之間的數(shù)據(jù)傳輸更加簡單方便，因此得到廣泛應(yīng)用。但是OPC接口技術(shù)是在網(wǎng)絡(luò)下的協(xié)議，為了保證自動化網(wǎng)絡(luò)不被企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的病毒所攻擊，必須加網(wǎng)關(guān)和防火墻等設(shè)備，成本較高，需要較高的技術(shù)支持[2]。為了解決數(shù)據(jù)傳輸過程中的弊端，本研究根據(jù)選礦廠的實際情況，在用磨機控制柜控制現(xiàn)場設(shè)備的基礎(chǔ)上，采用C#編程軟件設(shè)計了磨礦系統(tǒng)人機交互的監(jiān)控界面。C#設(shè)計的監(jiān)控系統(tǒng)可以使用串行通信技術(shù)，直接與底層設(shè)備和管理計算機進(jìn)行實時數(shù)據(jù)傳輸[3]。串行通信技術(shù)的數(shù)據(jù)傳輸只需要通訊線即可，成本低，自動化網(wǎng)絡(luò)不會被企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的病毒所攻擊，安全性高，克服了OPC接口技術(shù)的弊端。在磨礦自動控制系統(tǒng)中，用C#語言編寫磨機智能控制算法，通過串行通信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以實現(xiàn)對磨機的智能控制[4]。

1 選礦廠磨礦工藝流程

磨礦是原礦破碎的繼續(xù)，是選別前的準(zhǔn)備工作。磨礦的目的是使礦石中的有用礦物盡可能與脈石礦物分離，同時避免過磨現(xiàn)象的發(fā)生，為分選作業(yè)提供合適的粒度[5]。磨礦分級過程的工藝流程見圖1。儲存在礦倉內(nèi)的破碎產(chǎn)品經(jīng)調(diào)速皮帶機(裝有電子稱)送至球磨機，在連續(xù)加水和定期加鋼球狀態(tài)下磨礦，磨礦產(chǎn)品排至螺旋分級機分級，粗粒級返回再磨，合格粒級(即分級機溢流)進(jìn)入選別作業(yè)[6]。

圖1 磨礦分級工藝流程Fig.1 Grind grading process flow diagram

2 磨機控制系統(tǒng)的工作原理

根據(jù)磨礦分級過程中磨機的運行特性和控制要求，采用串級控制方式對磨機的運行過程進(jìn)行控制，磨機運行控制原理見圖2。

3 磨機監(jiān)控系統(tǒng)的功能與結(jié)構(gòu)

為了滿足生產(chǎn)需要，更方便地對磨機進(jìn)行實時監(jiān)控，本監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計了7方面的功能：①記錄并顯示皮帶給料機的實時給礦量，以便可及時調(diào)整給料量，使磨機穩(wěn)定運行。②記錄并顯示實時給水量，關(guān)聯(lián)流量和電磁閥門的開度信息，以便及時調(diào)整磨礦濃度。③實時顯示磨機電流和磨機磨音數(shù)據(jù)，以便間接判斷磨機負(fù)荷，消除不正常的運行狀態(tài)。④顯示礦石和水控制量，設(shè)置礦石和水檢測量超上下限的自動報警功能，提醒操作人員在必要時配合自控系統(tǒng)對礦石量和水量進(jìn)行調(diào)整。⑤將磨機礦量、水量、負(fù)荷及電流變化情況以曲線的形式顯示出來，以便使數(shù)據(jù)變化更直觀。⑥實現(xiàn)磨機運行數(shù)據(jù)檢測系統(tǒng)與磨機控制柜和管理機的串行通信。⑦設(shè)計現(xiàn)場運行狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)的匯總功能，以便快速了解某個時段的生產(chǎn)情況。

圖2 磨機運行控制結(jié)構(gòu)Fig.2 Mill operation and control structure

磨機監(jiān)控系統(tǒng)通過工業(yè)以太網(wǎng)連接，共分3個結(jié)構(gòu)層，其中，生產(chǎn)管理層設(shè)在廠辦公室，方便廠領(lǐng)導(dǎo)了解現(xiàn)場運行情況；監(jiān)控操作層，操作人員在監(jiān)控室實時監(jiān)視和調(diào)整現(xiàn)場的運行情況。過程控制層，磨機控制柜與現(xiàn)場設(shè)備連接，接收操作層的指令，對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行控制，并且將采集到的設(shè)備數(shù)據(jù)在監(jiān)控計算機上顯示出來[7]，見圖3。

4 磨機監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)設(shè)計是在VS2010環(huán)境下研究開發(fā)的。根據(jù)生產(chǎn)需要，按各模塊的功能進(jìn)行設(shè)計，使用戶可以方便、快捷地了解現(xiàn)場設(shè)備的運行情況，及時解決實際問題。

4.1 設(shè)備運行狀態(tài)顯示

現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)通過模擬的方式形象、生動地顯示在監(jiān)控界面上(圖4)，以便操作人員更容易掌握現(xiàn)場運行狀態(tài)。通過監(jiān)控界面與現(xiàn)場設(shè)備間的通訊，可以實時獲取給料機的控制量以及傳輸皮帶的檢測量，使操作人員可以實時掌握磨機給料量。還可以實時獲取磨機的給水量和電流、磨機磨音的數(shù)據(jù)，方便操作人員實時判斷磨機的負(fù)荷狀態(tài)。

圖3 磨機監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of monitoring system for mill

4.2 實時數(shù)據(jù)運行曲線

將獲取的設(shè)備數(shù)據(jù)(主要是磨機礦量、水量、負(fù)荷及電流)通過曲線的方式呈現(xiàn)在監(jiān)控界面上，以便操作人員更直觀地掌握磨機的運行狀況，及時進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。

由于現(xiàn)場數(shù)據(jù)每秒傳輸1次，數(shù)據(jù)量很大，難以準(zhǔn)確表現(xiàn)磨機的運行狀態(tài)，因此，在繪圖時每10 s畫1次運行曲線。

4.3 現(xiàn)場數(shù)據(jù)的實時顯示

為了實時掌握現(xiàn)場設(shè)備的運行數(shù)據(jù)，需在監(jiān)控界面上進(jìn)行數(shù)據(jù)的實時顯示，見圖5。與在Wincc環(huán)境下設(shè)計的監(jiān)控界面相比，C#環(huán)境下的監(jiān)控界面無需來回切換[8]。

圖5 實時數(shù)據(jù)顯示Fig.5 Real time data display

4.4 控制方式設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)共有停止、手動、自動、專家和優(yōu)化5種控制方式。每種控制方式既可以通過通信傳輸來獲取現(xiàn)場設(shè)備的控制模式，也可以在監(jiān)控系統(tǒng)中進(jìn)行點擊操作來實時控制現(xiàn)場設(shè)備的運行狀態(tài)。設(shè)計中，每種控制方式間可以進(jìn)行實時切換，以達(dá)到提高磨機工作效率的目的。

(1)手動控制。讓設(shè)備按恒定參數(shù)工作會影響磨礦效率，增大人工和物料成本。

(2)自動控制。參考現(xiàn)場生產(chǎn)數(shù)據(jù)，結(jié)合現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗，設(shè)定合適的給料量范圍和給水量范圍。礦物和水通過PID控制器進(jìn)行控制、調(diào)整，防止過調(diào)節(jié)而造成磨機的不穩(wěn)定。

(3)專家控制。由于磨機的控制具有非線性、純滯后等特點，磨機負(fù)荷難以直接檢測，傳統(tǒng)的控制方式很容易造成系統(tǒng)的不穩(wěn)定，因此設(shè)計了專家控制方式。結(jié)合現(xiàn)場操作人員的經(jīng)驗，分析現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)，給出一般狀況下磨機負(fù)荷控制的大小。通過設(shè)定磨機負(fù)荷的大小來間接設(shè)置給料量。通常磨機負(fù)荷的大小通過磨音的大小來表征，但是工作現(xiàn)場噪音干擾較大，單一靠磨音的變化來判斷磨機負(fù)荷的大小準(zhǔn)確性不高。因此，綜合考慮了磨機電流的變化，綜合這2個信號的變化能夠較精確判斷磨機負(fù)荷的變化。由于這種控制方式是通過直接設(shè)置磨機負(fù)荷大小來進(jìn)行控制的，因此會出現(xiàn)“欠磨”和“飽磨”的狀態(tài)，根據(jù)專家經(jīng)驗，“欠磨”時增加給料量，“飽磨”時減少給料量[9]，同時將“欠磨”和“飽磨”分別劃分3個級別，重欠磨、中欠磨、輕欠磨、重飽磨、中飽磨、輕飽磨，不同的級別對應(yīng)不同的給料量[10]。磨機負(fù)荷專家運行流程見圖6。

(4)優(yōu)化控制。前面實現(xiàn)了磨機負(fù)荷的自動控制，但是此時的負(fù)荷控制并不一定是最佳控制，為了提高磨機的工作效率和產(chǎn)量，設(shè)計了優(yōu)化控制方式。磨機負(fù)荷與磨機功率之間存在極值關(guān)系(圖7)，因此，可以通過自尋優(yōu)方式來尋找負(fù)荷最佳點。

尋優(yōu)的目的就是，不論當(dāng)前的工作點在最佳工作點的左側(cè)還是右側(cè)，最終都需要讓其工作在B點附近。若當(dāng)前工作點在b點，而下一刻運行到c點，則表明尋優(yōu)方向正確，此時的磨機負(fù)荷增加量ΔM>0，磨機功率增加量ΔP>0。若當(dāng)前工作點在B點的右側(cè)e點，而下一刻運行到d點，則表明尋優(yōu)方向正確，此時的磨機負(fù)荷增加量ΔM<0，磨機功率增加量ΔP>0。由以上分析可知，只要存在ΔP>0，尋優(yōu)方向正確，可以增加一個步長[11]。優(yōu)化控制方式就是通過專家和現(xiàn)場操作人員的工作經(jīng)驗，設(shè)定一個最優(yōu)負(fù)荷值，利用自尋優(yōu)方式在這個設(shè)定值附近尋找出最佳負(fù)荷，并將這個最佳負(fù)荷作為負(fù)荷的設(shè)定值控制磨機的給料量，給水量通過水料比進(jìn)行控制。這樣不僅能夠?qū)崿F(xiàn)磨機的穩(wěn)定運行，而且可以使產(chǎn)量最高、生產(chǎn)成本最低。

4.5 數(shù)據(jù)輸入菜單的實現(xiàn)

在實際操作中，有時需要根據(jù)現(xiàn)場的運行情況適當(dāng)進(jìn)行一些參數(shù)調(diào)整，使磨機能夠穩(wěn)定運行。因此就需要操作人員通過監(jiān)控界面進(jìn)行參數(shù)輸入。設(shè)計的方式是通過下拉菜單彈出對話框，再通過對話框把數(shù)據(jù)輸入到系統(tǒng)中。這種方式能夠很好地實現(xiàn)人機交互過程。在輸入菜單中設(shè)置了礦物、水、負(fù)荷PID控制參數(shù)，這些參數(shù)的設(shè)定，實現(xiàn)了與磨機運行相關(guān)參數(shù)的實時調(diào)整，輸入的參數(shù)還會自動保存在自己創(chuàng)建的文件中，方便以后讀取。圖8為磨機飽、欠磨參數(shù)的輸入對話框。

圖6 磨機負(fù)荷專家運行流程Fig.6 Operation process of expert control of mill load

圖7 磨機負(fù)荷尋優(yōu)曲線Fig.7 Load optimizing curve of mill

4.6 數(shù)據(jù)的保存和讀取

由于監(jiān)控界面的數(shù)據(jù)顯示都是實時的，而有時候需要查看歷史數(shù)據(jù)，因此需要把實時運行數(shù)據(jù)存儲起來。在Wincc組態(tài)界面中，通常是把數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)庫中，而數(shù)據(jù)庫是經(jīng)過加密封裝的，用戶無法從外部直接訪問，這給數(shù)據(jù)共享帶來了困難。在C#設(shè)計的組態(tài)系統(tǒng)中，通過建立文件夾將數(shù)據(jù)儲存到文件中，這樣用戶可以直接讀取或者寫入數(shù)據(jù)。

5 應(yīng)用實踐

河北承德某選礦廠共有4條磨礦分級生產(chǎn)線，采用φ2.7 m×3.6 m的球磨機，DCS控制系統(tǒng)是由華北理工大學(xué)開發(fā)的磨機控制儀和工業(yè)控制計算機組成，使用Modbus通信協(xié)議來完成磨機控制儀與工控機間的通信和數(shù)據(jù)傳輸，由磨機控制儀控制現(xiàn)場設(shè)備，利用監(jiān)控計算機來控制儀表柜。為了實現(xiàn)磨機負(fù)荷的自動控制，選擇了專家控制方式。將磨機負(fù)荷設(shè)定為40 t/h，水料比設(shè)定為15%，礦物的PID調(diào)節(jié)參數(shù)分別為1、5、0，水的PID調(diào)節(jié)參數(shù)分別為1、3、0，磨機負(fù)荷的PID調(diào)節(jié)參數(shù)分別為1、20、5。該系統(tǒng)運行顯示見圖9。從運行情況看，該控制系統(tǒng)磨機臺時處理量約提高了6%，避免了磨機“飽磨”或“欠磨”現(xiàn)象的發(fā)生，減少了磨機故障的概率，大大提高了磨機工作效率。

圖8 數(shù)據(jù)輸入對話框Fig.8 Data input dialog box

圖9 河北承德某選礦廠的運行狀況Fig.9 Operation status of a concentrating mill in Hebei Chengde

6 結(jié) 語

本磨機監(jiān)控系統(tǒng)利用了C#強大的編程功能以及友好的人機交互界面。采用串行通訊方式實現(xiàn)了監(jiān)控界面與磨機控制儀間的數(shù)據(jù)交換，解決了用OPC接口技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)谋锥?，運行成本低，易于維護(hù)。在C#里編寫專家和優(yōu)化智能控制算法，實現(xiàn)了磨機的智能優(yōu)化控制和穩(wěn)定運行的目標(biāo)。在河北承德某選礦廠的運行表明，該控制系統(tǒng)能夠在保證磨機穩(wěn)定運行的前提下達(dá)到節(jié)能、降耗、增產(chǎn)的目標(biāo)。

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