基于CJ2M PLC的磨礦設(shè)備IoT-DCS自動化系統(tǒng)的設(shè)計

楊 帆，李 博，劉 水

1西北工業(yè)大學(xué)倫敦瑪麗女王大學(xué)工程學(xué)院 陜西西安 710072

2西安捷達(dá)測控有限公司 陜西西安 710199

某礦山企業(yè)的磨礦設(shè)備控制通?？恐蛋嗳藛T手動操作或通過儀器儀表、工控機輔助調(diào)節(jié)。這種控制方式的缺點是操作人員勞動強度大、滯后性強、穩(wěn)定性差，而且受主觀因素的影響，經(jīng)常出現(xiàn)磨礦生產(chǎn)的多個環(huán)節(jié) (如稱重、給料、加球、加水等) 不能高效配合，導(dǎo)致磨礦產(chǎn)能與效率低下，以及溢流細(xì)度合格率差等狀況[1]。另外，由于傳統(tǒng)的磨礦車間環(huán)境比較惡劣，磨礦設(shè)備產(chǎn)生的高濃度粉塵與大分貝噪聲對操作人員的健康危害極大。

1 PLC、DCS、IoT的技術(shù)特點

可編程控制器 (PLC) 在化工、機械、建筑及環(huán)保等行業(yè)設(shè)備電氣控制方面得到了廣泛的應(yīng)用，它由Power、CPU、ID、OD、AD 或者 DA 等功能模塊組成，具備強大的邏輯控制、時序控制、PID 控制、串口或者網(wǎng)絡(luò)通信等功能。CJ2M PLC 是日本 Omron 公司推出的一種新型的通用自動化模塊積木式控制裝置，它將現(xiàn)代的微電子精確控制技術(shù)、計算機復(fù)雜算法分析技術(shù)和以太網(wǎng)高速通信技術(shù)融為一體，具有適應(yīng)性廣、穩(wěn)定性高、壽命長以及易于擴展等優(yōu)點。由于磨礦設(shè)備的工作環(huán)境惡劣，干擾源眾多，如球磨機、分級機等大功率用電設(shè)備的啟動或停止，易引起電網(wǎng)電壓的波動，形成低頻干擾，如果用傳統(tǒng)的儀器儀表或者計算機直接控制，會使系統(tǒng)經(jīng)常受到嚴(yán)重干擾而不能正常地運行[2]。而 CJ2M PLC 在設(shè)計和制造過程中已采取多層次抗干擾措施，對惡劣工況有超強的免疫力，是理想的磨礦設(shè)備控制裝置。

分散控制系統(tǒng) (DCS) 采用分散控制、集中管理、本地自治的基本設(shè)計思想，是傳統(tǒng)工業(yè)自動化的主要形式，其最大優(yōu)點是可以本地自治閉環(huán)調(diào)節(jié)，不受外界干擾[3]。

物聯(lián)網(wǎng) (Internet of Things，IoT) 是萬物互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò)，其基本宏觀架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成。IoT 通過在感知層給被測對象布置傳感器進行實時測量，將獲取的數(shù)據(jù)進行算法控制并作用于目標(biāo)對象，然后通過網(wǎng)絡(luò)層發(fā)送到應(yīng)用層進行顯示、存儲、分析或者加工利用。

充分結(jié)合 DCS 技術(shù)與 IoT 技術(shù)設(shè)計開發(fā)的 IoTDCS自動化系統(tǒng)，可以發(fā)揮 DCS的強自治性、IoT的廣互聯(lián)性，實現(xiàn)磨礦設(shè)備本地自主自動智能調(diào)節(jié)，出現(xiàn)故障時可遠(yuǎn)程高效實時進行診斷干預(yù)，從而極大地降低了操作人員的勞動強度，提高了磨礦設(shè)備的產(chǎn)品質(zhì)量與產(chǎn)量。

2 IoT-DCS自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

通過調(diào)研大部分礦山企業(yè)用戶的自動化控制需求，遵循低成本、安全可靠的原則，結(jié)合 PLC、DCS、IoT的技術(shù)特點，設(shè)計出基于礦山企業(yè)局域網(wǎng)(LAN)的磨礦設(shè)備 IoT-DCS自動化系統(tǒng)。該系統(tǒng)從下至上分為 4 層，即感知執(zhí)行層、控制匯聚層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和操作應(yīng)用層，其硬件結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 磨礦設(shè)備 IoT-DCS自動化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)Fig.1 Hardware structure of IoT-DCS automation system for grinding equipment

其中感知執(zhí)行層、控制匯聚層構(gòu)成基本的 DCS自治系統(tǒng)，體現(xiàn)分散管理、集中控制的思想，所有的4 層架構(gòu)構(gòu)成一個完整的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

2.1 感知執(zhí)行層

感知執(zhí)行層位于整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最下層，它包含了稱重傳感器、稱重控制器、進水傳感器、進水控制器、礦漿傳感器、電流傳感器、電壓傳感器、加球控制器及開關(guān)控制器，它們的功能與接口信號如表 1所列。

表1 感知執(zhí)行層功能與接口信號Tab.1 Functions and interface signals of perceived executive layer

感知執(zhí)行層不是一成不變的，可以根據(jù)企業(yè)的實際需要增加或刪減一部分傳感器或控制器。比如很多礦山企業(yè)磨礦設(shè)備還要增加潤滑油油溫、球磨機裝載負(fù)荷、圓盤給料機電流和電壓等參數(shù)的實時測量或者控制。感知執(zhí)行層的傳感器或者控制器可以采用市場上標(biāo)準(zhǔn)的電子器件，但必須要符合表 1 中的接口電流電壓規(guī)格。

2.2 控制匯聚層

控制匯聚層為本系統(tǒng)的核心，采用 1 臺日本Omron 公司的 CJ2M PLC，也可以適配其他型號。CJ2M PLC 各個部分的主要選型與功能描述如表 2 所列。

表2 CJ2M PLC 各個部分的主要選型與功能描述Tab.2 Main model selection and function description of each part of CJ2M PLC

控制匯聚層的作用是實時采集感知層各個設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)信號與模擬量輸入信號，并根據(jù)磨礦工藝邏輯控制算法與 PID 算法，實時控制電子秤的變頻器頻率，滿足球磨機的產(chǎn)量要求。另外通過 PID 算法動態(tài)控制球磨機的進水量，使礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溢流質(zhì)量分?jǐn)?shù)符合產(chǎn)品質(zhì)量要求[4]?？刂茀R聚層將分散到磨礦車間的各個傳感器信號與輸出控制信號都匯聚到一個測量控制中心，其功能等于傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)器。它還可以通過其通信接口 (如 RS232/RS485/RJ45) 連接到上層，考慮到本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)具備遠(yuǎn)程測量與控制功能，通信接口限定為 RJ45 以太網(wǎng)，支持 TCP 協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口。

2.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸層

網(wǎng)絡(luò)傳輸層用于連接控制匯聚層和操作應(yīng)用層，它可以由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)等組成，相當(dāng)于人的神經(jīng)中樞系統(tǒng)，負(fù)責(zé)將終端設(shè)備的請求數(shù)據(jù)或者命令，安全可靠地傳輸?shù)娇刂茀R聚層，并將反饋數(shù)據(jù)或者執(zhí)行結(jié)果重新返回到操作應(yīng)用層[5]。

考慮到磨礦設(shè)備運行時常出現(xiàn)大電流、大功率的狀況，設(shè)備的啟停誤動作會威脅到現(xiàn)場維修人員的生命安全，一旦受到外網(wǎng)攻擊會產(chǎn)生很大的風(fēng)險。因此本系統(tǒng)只考慮在企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng) (LAN) 環(huán)境下運行，它可以是有線以太網(wǎng)或者無線 WiFi。

構(gòu)建該系統(tǒng)的時候，可以在磨礦設(shè)備本地操作室安裝交換機/路由器，使其接入企業(yè)內(nèi)部局域網(wǎng)。由于LAN 具有高速可靠網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奶匦?，使得遠(yuǎn)程操作指令下發(fā)到 PLC 沒有任何延遲，具備較高的實時性。

2.4 操作應(yīng)用層

操作應(yīng)用層作為本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的最高層，是多種類型終端設(shè)備的人機接口。本系統(tǒng)的操作應(yīng)用層包括3 種終端：觸摸屏人機界面 (HMI)、工業(yè)控制計算機(PC)、遠(yuǎn)程操作的手機 (Phone)。通過操作應(yīng)用層，用戶可以本地或者遠(yuǎn)程查看磨礦設(shè)備的實時工作畫面、設(shè)備的運行狀態(tài)和故障信息，記錄歷史數(shù)據(jù)、動態(tài)趨勢曲線等信息；還可以根據(jù)工藝規(guī)程開啟或者關(guān)閉各磨礦設(shè)備，用戶無須到現(xiàn)場操作，可遠(yuǎn)離噪聲和粉塵污染。更重要的是，技術(shù)人員可以通過遠(yuǎn)程 APP 實時查看、設(shè)置磨礦控制參數(shù)，如設(shè)定球磨機給礦量、進水量、PID 參數(shù)及報警參數(shù)等，提高了工作效率；一旦發(fā)生故障，還可以及時遠(yuǎn)程診斷、排查問題，提高了磨礦設(shè)備的安全性與可靠性。

如果網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)故障，操作應(yīng)用層處于失聯(lián)狀態(tài)，但整個系統(tǒng)仍可以正常工作，感知執(zhí)行層與控制匯聚層構(gòu)成的 DCS 單元可以本地自治穩(wěn)定工作。

3 IoT-DCS自動化系統(tǒng)軟件設(shè)計

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)除了感知執(zhí)行層采用標(biāo)準(zhǔn)成熟的電子傳感器或者執(zhí)行器件外，控制匯聚層和操作應(yīng)用層需要設(shè)計對應(yīng)的軟件。

3.1 控制匯聚層軟件設(shè)計

控制匯聚層主要是 CJ2M PLC 程序的設(shè)計與開發(fā)，它的集成開發(fā)環(huán)境為 CX-Programmer V9.6，支持豐富的邏輯控制、算術(shù)運算、串口通信、網(wǎng)絡(luò)通信等指令，擁有強大的仿真技術(shù)。CJ2M PLC 程序的語法包含傳統(tǒng)的梯形圖 LAD 代碼以及類似現(xiàn)代 C 語言的 ST 代碼。

3.1.1 加球機控制程序設(shè)計

鋼球是球磨機的研磨介質(zhì)，球磨機正常運行時鋼球與鋼球、鋼球與礦石、鋼球與球磨機襯板之間產(chǎn)生摩擦，使鋼球磨耗增大。為了保持球荷充填率和球的合理配比，必須進行合理補加球。本系統(tǒng)需要周期性地自動給球磨機加入鋼球，其控制算法流程如圖 2 所示。

圖2 自動補加球控制算法流程Fig.2 Process flow of algorithm for automatic ball addition

流程圖采用 ST 語法代碼編寫。bPV為鋼球?qū)崟r計數(shù)值，bSV為周期性補加球目標(biāo)值。加球周期開始時將bPV清零，同時將加球狀態(tài)值設(shè)置為真；進球信號為加球機出口的光電掃描開關(guān)量輸入信號，當(dāng)有球進入球磨機時，開關(guān)量立刻為 ON，bPV增加 1；然后判斷是否bPV≥bSV，若不滿足該條件，則繼續(xù)進入加球循環(huán)；如果條件滿足，則說明加球數(shù)量達(dá)到目標(biāo)設(shè)定要求，此時將加球狀態(tài)值設(shè)置為假，從而完成加球周期。

3.1.2 電子秤與加水流量 PID 程序設(shè)計

PID 控制算法是結(jié)合比例、積分和微分 3 種環(huán)節(jié)于一體的控制算法，其算法數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中：mv(t) 為t時刻 PID 算法的輸出控制量；Kp為比例系數(shù)；TI為積分時間常數(shù)；TD為微分時間常數(shù)。

本系統(tǒng)中需要給球磨機定量加礦石，采用 PID算法控制電子秤的變頻器，確保精確放料。為了達(dá)到合適的礦漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)與溢流質(zhì)量分?jǐn)?shù)，需要在球磨機中加入適量的水，采用 PID 算法控制瞬時加水量。用pv(t) 表示傳感器采集的實時礦量或者瞬時水量，它是隨時間t動態(tài)變化的函數(shù)；sv(t) 為用戶設(shè)定的理想控制目標(biāo)值；e(t) 為控制偏差值，等于sv(t) 與pv(t)的差值。控制過程中需要動態(tài)調(diào)整mv(t)，以改變電子秤變頻器的頻率或者進水流量閥門的開度，使得e(t) 盡量為 0。

3.1.3 故障診斷程序算法設(shè)計

磨礦工藝流程包含設(shè)備眾多，運行環(huán)境惡劣，常常因為設(shè)備老化或者電網(wǎng)負(fù)荷的異常變化引起某些設(shè)備故障。對于球磨機與分級機這種大功率、高耗能設(shè)備，用傳統(tǒng)的手段很難快速診斷故障，往往會因為時間拖延給生產(chǎn)造成很大損失，因此需要編寫故障診斷程序，快速查找問題所在。設(shè)計的磨礦設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)是一種智能 PLC 程序，它包含傳感器故障檢測器、磨礦故障推理機、磨礦知識獲取接口、磨礦故障知識庫、評價優(yōu)化機構(gòu)及故障提示處理機構(gòu)。

當(dāng)傳感器故障檢測器掃描到某一個設(shè)備狀態(tài)信息(電流、電壓、頻率) 超出閾值，磨礦故障推理機開始工作，搜索存儲在 PLC 保持?jǐn)?shù)據(jù) DM 區(qū)中的磨礦故障知識庫并進行比對。該知識庫由若干 IF-ELSE 規(guī)則組成，得到故障結(jié)論后立刻將故障信息反饋到最高層人機界面，并作出適當(dāng)處理。系統(tǒng)的知識庫可以通過磨礦知識獲取接口輸入設(shè)備的故障范圍參數(shù)。每次故障處理完成后，通過評價優(yōu)化機構(gòu)再次監(jiān)測發(fā)生故障的狀態(tài)信息是否恢復(fù)正常，如果未能解決，說明該知識規(guī)則失效，需要用戶調(diào)整，以確保知識庫及時更新。

3.1.4 設(shè)備手動與一鍵自動啟停程序設(shè)計

本系統(tǒng)所有設(shè)備，包括加球機、球磨機、分級機、圓盤給料機、渣漿泵、帶式輸送機及螺旋分級機等，可通過開關(guān)按鈕手動控制其工作，還可以根據(jù)球磨工藝需要，按照設(shè)定的工序依次順序啟停。如渣漿泵開 → 球磨機開 → 分級機開 → 輸送機開 →圓盤給料機開 → 1 號螺旋分級機下降 → 2 號螺旋分級機下降，關(guān)閉時順序相反。還可以定義各個設(shè)備開關(guān)互鎖操作，如球磨機與分級機啟?；ユi，即球磨機不開，分級機不能開啟；分級機不停，球磨機不能停止[6]。

3.2 操作應(yīng)用層軟件設(shè)計

操作應(yīng)用層是用戶操作磨礦設(shè)備的人機接口，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的種類，需要開發(fā)不同的應(yīng)用程序。本系統(tǒng)中包含 HMI 軟件、PC 桌面軟件、移動手機 APP。無論哪一種終端設(shè)備都需要直接或者間接通過 TCP/IP 協(xié)議連接到 CJ2M PLC 網(wǎng)絡(luò)接口。

由于HMI 廠家定制了特定的開發(fā)環(huán)境，如WeinView 公司的 EasyBuilder Pro，其編程相對簡單，整個過程只需要可視化的設(shè)計與組態(tài)，腳本代碼的編寫工作量較少。需要完成的步驟有：①新建 HMI 項目；② 選擇與硬件對應(yīng)的 HMI 型號；③配置 HMI與 PLC 網(wǎng)絡(luò)通信參數(shù) (IP 地址與端口號)；④ 定義用于顯示的布爾、整型、浮點型變量；⑤ 編寫 HMI 主菜單畫面；⑥ 編寫設(shè)備監(jiān)控畫面。

操作應(yīng)用層核心軟件為 PC 桌面軟件、移動手機APP，一般采用跨平臺開發(fā)工具設(shè)計，工作內(nèi)容與編程過程比較相似，限于篇幅下面只對 PC 桌面軟件的設(shè)計與涉及的關(guān)鍵技術(shù)做主要介紹。

操作應(yīng)用層 PC 桌面軟件設(shè)計成客戶端/服務(wù)器架構(gòu)，可以將 CJ2M PLC 看成服務(wù)器，它提供傳感數(shù)據(jù)與執(zhí)行命令，PC 桌面軟件窗口對應(yīng)于客戶端程序設(shè)計，考慮到系統(tǒng)的安全性與設(shè)備管理的特殊性，操作應(yīng)用層用戶群體只限于磨礦企業(yè)少數(shù)技術(shù)人員[7]。本系統(tǒng)的用戶與口令預(yù)置在 PLC的 DM 區(qū)中，無需注冊，遠(yuǎn)程操作即可修改。

操作應(yīng)用層 PC 桌面軟件設(shè)計流程如圖 3 所示，主要包含的模塊功能如下。

圖3 操作應(yīng)用層 PC 桌面軟件設(shè)計模塊Fig.3 Design module of desktop software of operation application layer

(1) 磨礦用戶登錄模塊 需要 PLC 授權(quán)的合法用戶才可以遠(yuǎn)程訪問控制本物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

(2) PC 桌面軟件任務(wù)調(diào)度模塊 是上位機軟件的主要循環(huán)調(diào)度模塊，它通過后臺通信事件，或者用戶操作其他模塊事件驅(qū)動執(zhí)行，套接字 (Socket) 通信為最高優(yōu)先級事件。

(3) 套接字通信模塊 創(chuàng)建客戶端套接字，編程采用多線程技術(shù)，同時該線程處于后臺最高優(yōu)先級激活狀態(tài)。

(4) 磨礦工藝畫面模塊 為本系統(tǒng)最重要的人機畫面模塊，它將磨礦設(shè)備以圖形化的方式直觀顯示出來，同時在畫面上可以查看設(shè)備實時狀態(tài)和運行數(shù)據(jù)。

(5) 數(shù)據(jù)存儲查詢模塊 由 TCP 獲取的數(shù)據(jù)自動存儲在應(yīng)用層軟件的后臺數(shù)據(jù)庫中，以供后期技術(shù)人員查詢及故障診斷決策時使用。

(6) 趨勢曲線顯示模塊 將采集到的磨礦設(shè)備傳感器數(shù)據(jù)以動態(tài)曲線的方式直觀顯示出來。

(7) 故障存儲查詢模塊 通過本模塊用戶可以方便查詢異常報警故障以及處理情況。

(8) 磨礦控制參數(shù)模塊 技術(shù)人員可以遠(yuǎn)程查看并設(shè)置磨礦設(shè)備故障的上下限閾值或者電子秤、加水量控制 PID 參數(shù)。

4 實際應(yīng)用

運用筆者提出的物聯(lián)網(wǎng)分層開發(fā)理論，為國內(nèi)某鉛鋅選礦廠成功設(shè)計并實施了基于Omron 公司 CJ2M PLC的磨礦設(shè)備 IoT-DCS自動化系統(tǒng)。該磨礦工藝流程中主要包含 MQG2100×3000 濕式格子型球磨機、FLG-?2000 高堰式單螺旋分級機以及 DB800 圓盤給料機等設(shè)備。整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)包含了控制匯聚層 PLC程序，操作應(yīng)用層 HMI 軟件、PC 軟件以及手機 APP軟件，其中 PC 軟件磨礦工藝主畫面如圖 4 所示。

圖4 PC 軟件磨礦工藝主畫面Fig.4 Main interface of PC software for grinding process

磨礦設(shè)備在實施本系統(tǒng)之前為傳統(tǒng)的人工手動控制方式，技術(shù)改造后采用 IoT-DCS 方式，改造前后技術(shù)指標(biāo)對比如表 3 所列。

表3 磨礦設(shè)備實施本系統(tǒng)前后技術(shù)指標(biāo)對比Tab.3 Comparison of technical indexes before and after application of system to grinding equipment

從表 3 可以看出，本系統(tǒng)提高了礦石處理能力，且磨礦產(chǎn)品的溢流質(zhì)量分?jǐn)?shù)也得到了提高，為企業(yè)帶來了較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)分層理論，既能體現(xiàn) PLC的穩(wěn)定性與可靠性，又發(fā)揮了 DCS 集中控制的自治優(yōu)越性，同時又能體現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程診斷操作的方便性。根據(jù)用戶一年多的實際運行效果反饋，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠，改善了工人的工作環(huán)境，降低了工人勞動強度，可以快速自動診斷故障，報警后技術(shù)人員可遠(yuǎn)程協(xié)助解決，大幅減少了磨礦設(shè)備的維護成本。IoTDCS 控制系統(tǒng)為其他礦山企業(yè)磨礦設(shè)備遠(yuǎn)程穩(wěn)定、安全、高效運行提供了較好的解決方案。