选矿自动化系统的设计

1、 第 38 卷 2010 年第 10 期本栏目编辑选矿自动化系统的设计魏国富 才静文洛阳栾川钼业集团股份 河南洛阳 471500 摘要：从硬件系统、软件设计和网络结构 3 个方面阐述了选矿行业自动化系统的设计全过程。该设计通过 PLC 控制器远程控制生产现场设备的启动、停止，采集生产现场数据，自动调整生产过程中的工艺参数，可使选矿能耗降低，产量提高。 关键词：自动化系统；硬件系统；软件设计；网络结构；监控功能 中图分类号：TD928.9 文献标识码：B论文编号：1001-3954(2010)10-0022-04 企业之窗Designing scheme of concentration aut

2、omation systemWEI GuofuChina Molybdenum Co., Ltd., Luoyang 471500, Henan, ChinaAbstract：The paper describes the designing procedure of hardware system, software system and network structure of the concentration automation system. PLC remote controller being used to control the start-up and stop of e

3、quipments in production fields, the system collects field data and automatically adjuct the technical parameters in course of production, which can bring about decrease in energy consumption during concentrion process and increase in yield.Keywords：automation system; hardware system; software design

4、; network structure; monitoring function国外，选矿行业的自动化控制技术正在被越来越多的选矿厂所采用，具有一次性投资少， (1) 信息层 由数据服务器、中央交换机 (OSM)和通讯介质组成，上端连接操作员站和 1 台数据服务器构成信息控制单元，采用 5 类双绞线接入中央交换机，中央交换机与分站交换机之间采用光纤连接，组成了信息层的骨干网。 (2) 操作员站 操作员站实时给信息控制人员提供第一手现场数据和工作状况，它赋予信息控制人员直接操作的权力，并可以将他们发出的调度信息分配到生产现场。 在见效快，一次投资多年受益的特点。自动化控制不仅节省劳动力，更重要的

5、是稳定操作，可将作业条件控制在最佳水平，以达到提高产量，降低消耗的目的。据国外报导，自动化控制可提高产量 2.5%10%，处理 1 t 矿石可节省电能 0.41.4 kWh1。 随着微电子信息技术的高速发展，以及各种功能强大的软件开发，许多未敢想的功能现在都已实现， 如现场设备运行诊断，控制方案模块化设计，管 控一体化设计等，现在的选矿自动化技术和前几 年相比，无论是稳定性、快速性还是自动化程度都已有大幅提高。 1硬件系统 以西门子产品为例进行讲述。选矿厂自动控 制网络结构流程见图 1。 综合控制系统为 DCS 控制系统，硬件网络采用 3 层网络结构：信息层、控制层和设备层。1.1 信息层 图

6、 1 自动控制网络流程 Fig 1 Process flow of automatically controlled network*作者简介：魏国富，男，1975年生，助理工程师，现从事选矿自动化工作。 22 第 38 卷 2010 年第 10 期(3) 服务器 制定生产最优调度策略：服务器将现场控制层的大量历史数据进行分析，综合评价设备状况、产品质量指标、能耗状态，结合计划管理、质量管理、设备管理、能源管理和成本管理，给出整个生产的最优调度策略，给控制层各控制分站分配最佳调度任务，使整个生产稳定在最佳状态； 网关：该服务器提供了控制网和企业局域网的接口， 同时成为整个控制网络与外界网络通信

7、的网关； 综合数据库：服务器将下层采集的数据以标准通用的SQL Sever 数据库的形式存储起来； 网站：在服务器上建立一个综合控制系统网站，将控制系统的数据信息发布到企业网或因特网上。 1.2 控制层 控制层是整个控制系统的核心部分，由于系统比较庞大，为提高运算速度和稳定性，可设计为 2 个独立的控制主站 破碎筛分控制主站和磨矿浮选控制主站，各站之间独立工作，可以通过交换机 (OSM) 互换信息。如果系统不大，可以设计为一个独立控制主站。 1.3 设备层 设备层是指现场的仪表，如网络结构图中的变频器、触摸屏、软启动、浓度计、电动阀、流量计和液位计等仪表。在程序设计过程中，全流程自动化系统可分

8、为破碎筛分、磨矿分级、浮选及浓缩干燥几个子系统，现以磨矿分级子系统为例讲述现场仪表的安装位置及其作用，见图 2。 流量计检测旋流器给矿流量；压力计检测旋流器给矿压力；2 号矿浆流量计检测旋流器溢流矿浆流量；电耳检测球磨机音频；功率变送器检测球磨机功率；粒度仪：检测旋流器溢流矿浆粒度。 (2) 磨矿分级系统控制内容 给料变频器：给矿流量控制；给矿水电动阀：给矿水流量控制 (最终控制磨矿浓度)；补加水电动阀：补加水流量控制 (最终控制旋流器给矿浓度)；渣浆泵变频器：旋流器给矿压力控制 (最终控制旋流器分级效率)。 本栏目编辑才静文22.1软件设计 人机界面 操作人员需要在计算机上观察设备运转状况，

9、需企业之窗要向计算机输入数据，调整工艺参数等，操作员站就是人和设备交流的窗口，叫人机界面。人机界面的制作采用组态软件 (如 WinCC)。组态软件是在计算机终端上显示现场设备的状态和运行参数的软件，设备的运行状态多采用图形方式和动画方式来显示，检测量采用统计曲线和柱状图的形式来表现，直观方便，在组态软件中可以对运行参数进行实时更改。因此，它是自动控制系统中重要的人机交流手段，也是自动化系统正常运行的重要组成部分。 在组态的选择上，将系统分为 2 个部分，现场控制部分和远程显示部分，分别置于 2 个网络中，现场控制部分要求时实性较高，控制参数能迅速传送到控制单元，控制单元返回的报警信号和控制反馈

10、信号能及时得到处理，因此现场控制部分的组态被集成到现场总线网络中；远程显示部分对实时性要求不高，为了减少现场总线的通信数据量，远程显示组态集成到管理网络中是最合理的。 (1) 现场控制部分 存在于工业以太网网络中， 拥有对自动化系统完全的控制权，采用西门子 PLC 系统控制。因此，采用专门针对西门子 PLC 控制开发的组态软件 WinCC，它能迅速方便地访问西门子 PLC 的所有资源，获得 PLC 运行数据，修改控制参数，从 PLC 中取得现场检测的数据，并提供了时间曲线图、统计饼状图、实时显示柱状图等多种显示方式，并为开发者提供了全面的组态图形库，开发出的组态画面能实时显示状态变化、能显示设

11、备运行动画、声音和图像报警等，还提供了键盘数字式、鼠标图形式等多种数据输入方式，具有良好的人机界面。其他组态软件也实现此功能，如组态王2。 (2) 远程显示部分 存在于局域网中，只保留有限的控制功能，同时增强了远程访问功能，远程访问采取 WEB 服务器的形式，利用 WinCC/WEB Navi- gartor 软件，它可以通过以太网提供远程网页浏览服务，这样有以下优点： 远程用户只要安装微软 IE1. 1 号矿浆流量计 2. 浓度计 3. 粒度仪 4. 压力计 5. 旋流器 6. 补加水流量计 7. 功率变送器 8. 核子秤 9. 给料变频器 10. 给矿水流量计 11. 给矿水电动阀 12.

12、 电耳 13. 补加水电动阀 14. 液位计 15. 渣浆泵变频器 16. 2 号矿浆流量计 图 2 磨矿分级闭环系统 Fig 2 Classified grinding closed-loop system(1) 磨矿分级闭环系统检测内容 核子秤 (电子秤)：检测给矿量；给矿水流量计检测给矿水流量； 液位计检测旋流器给矿泵池液位；补加水流量计检测补加水流量；浓度计检测旋流器给矿浓度；1 号矿浆23 第 38 卷 2010 年第 10 期浏览器，就能直接访问现场组态，在远程客户端无需安装任何软件，组态服务结构简单，维护方便。 对于多用户组态来说，采用 WEB 方式时，可以设置WEB 服务的权限

13、，防止非法访问生产原始数据，提高了系统和数据的的安全性。 采用 WEB 方式提供组态画面，在开发局域网软件时，可以将组态画面集成到软件中，为局域网功能扩展留有接口，提高了控制网络的扩展性。 2.2 数据库设计 数据库是存储生产数据和控制数据所必需的， 为系统查询和统计提供历史数据，为故障判断提供依据，也是总结控制经验，优化控制的重要手段和依据，数据库采用 SQL Sever 大型数据库，数据库装在WEB 服务器上，这样能提高网络计算机的数据查询速度，提高控制网络的安全性能。另外，SQL Sever大型数据库可以支持 WEB 组态服务器的数据访问，还要考虑物理线路铺设的可能性及运行成本，通常组建

14、网络要解决网络产品的类型、功能、网络产品 (现场总线/ 企业内部局域网) 之间的集成方法等问题。 企业内部网络由功能不同的 2 部分组成：计算机本地局域网 (工业以太网) 和设备控制网 (Profibus 现场总线网络)。工业以太网是把企业内部的计算机连 接起来，实现信息资源的共享。Profibus 现场总线网络是将企业的生产设备连接起来，达到对生产进行自动化控制的目的，这就要求组成设备控制网的通信单元具有极高的稳定性，抗恶劣环境的能力，对控制信息的高速反应能力。自控系统的管理网络和设备控制网络作为相对独立的网络存在，分别适应不同的网络要求。2 个网络相对独立具有如下优点： (1) 解决了控制

15、网络大量的数据传递对管理网络速度的影响； (2) 解决了管理网络数据突发性传递对设备控制网实时性的影响； (3) 杜绝了计算机病毒向控制网络的蔓延； (4) 可以防止大量的局域网用户对控制网络的访问，破坏设备的正常运行； (5) 网络独立，有利于网络的维护和各自独立地升级和改造。 3.2网络互连设计 网络互连是企业作为一个整体的管理要求，2 个网络的数据交流是必要的。统计人员能通过管理网及时查询生产情况，为生产计划提供可靠的统计数据。生产管理人员在企业任何地方都可以通过企业局域网获取生产设备及工艺参数的信息，例如产量、品位及粒度，极大地提高了管理效率和效果。如果企业局域网连接因特网，还可以通过

16、因特网来访问生产设备， 获得设备运行状态。 网际互联采用网关，网关可以连接 2 个不同传输介质、不同传输协议的 2 个不同的网络，实现 2 个网络的数据转换和双向传输，设置网关的更大的好处是可以利用它在 2 个网络中独特的位置，增加更多的功能。 将企业管理网和控制网络通过网关相连，管理网用户就能通过网关访问控制网络，为了限制非授权用户非法访问设备控制网络，提高控制网络的安全性，本栏目编辑才静文企业之窗起到 WEB 数据库的作用，进一步实现了生产数据的共享，为数据进一步挖掘创造条件。 2.3软件算法原理 操作人员通过操作员站发出指令，通过工业以太网传送到控制器，控制器经过程序运算以后，转换成电信

17、号 (数字或模拟信号) 控制现场仪表设备，在控制器中运行的软件算法是软件设计的核心 (采用 STEP7 等设计软件)。以磨矿分级子系统为例讲述软件设计原理，见图 3、4。 图 3 磨矿分级子系统的给矿控制原理 Fig 3 Control principle of feeding of classified grinding subsystem图 4 磨矿分级子系统的旋流器控制原理 Fig 4 Control principle of cyclone of classified grinding subsystem设置软件，一方面节约了单独设置的费用，另一方面提高了网络的访问速度。 3.3网络的

18、高性能设计 控制层与设备层间网络设计上采用 Profibus 灵活的现场总线方式，可以根据现场需要，将网络结构改变成主从方式、纯主方式、多主多从通信方式，体现3网络结构设计 3.1网络独立性设计 网络结构不仅要根据其性能优劣进行设计，同时24 第 38 卷 2010 年第 10 期了极强的现场控制适应能力，使得在任何应用场合都能发挥控制网络的最佳性能，也能适应多种控制方式；Profibus 作为现场级的控制网络，本身在通信协议中就具有很强的数据容错能力，在数据格式中为了适应现场恶劣的工作环境采用了超短数据帧和多连接等特殊处理，在线路上利用了差动电平数据传输方式，符合 RS485 标准，这样在线

19、路上保证了数据的可靠传输3。 将 WEB 组态服务器置于以太网层，减少了 Profi- bus 数据层的网络传输量，提高了现场设备的控制反应速度，同时，由于控制器 (PLC) 隔离了 Profibus 的数据传递，减少了 Profibus 层的数据传输量，提高了WEB 组态服务器和控制器 (PLC) 的数据传输速度。 历史数据库存在于现场组态控制计算机中，减少了管理局域网的资源占用，而且及时更新数据，提高了组态控制计算机查询历史数据的速度。 3.4 网络的可管理性设计 在企业中，由于性质不同，计算机管理网的维护通常是与生产自动化控制网相分离的，这样在结构上采用网关将控制网和企业内部局域网隔离，对于数据格式和数据意义完全不同的 2 个网络，可以分别采取不同的管理方法，由不同的维护人员来管理，减轻了网络管理人员的工作强度，方便了上下 2 级网络的管理，另外在局域网中利用网络管理软件时，也不存在2 个网络相互干扰的情况。总之，通过网关的分离技术，减小了故障范围，利于网络维护，也缩小了网络风暴的产生的范围。 历史记录。本栏目编辑5结语 选矿厂全流程自动控制系统是直接应用于选矿生产和管理的一项新技