【正文】 車間級通信網(wǎng)絡 車間級通信網(wǎng)絡介于企業(yè)級和現(xiàn)場級之間，它的主要任務是解決車間內(nèi)各需要協(xié)調(diào)工作的不同工藝段之間的通信，從通信需求角度來看，要求通信網(wǎng)絡能夠告訴傳遞大量信息數(shù)據(jù)和少量控制數(shù)據(jù)，同時具有較 強的實時性。 第 12 頁 共 39 頁 現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡 現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡處于工業(yè)網(wǎng)絡系統(tǒng)的最底層，直接連接現(xiàn)場的各種設備，包括 I/O 設備，傳感器、變送器、變頻與驅(qū)動等裝置，由于連接的設備千變?nèi)f化，因此所使用的通信方式也比較復雜。而且，由于現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡直接連接現(xiàn)場設備，網(wǎng)絡上傳遞的主要是控制信號，因此對網(wǎng)絡的實時性和確定性有很高的要求。 因此在本設計中，對現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡，采用 Profibus 網(wǎng)絡解決方案，工廠級采用以太網(wǎng)通信，以此確保生產(chǎn)過程的穩(wěn)定可靠。 在 現(xiàn)場級通信網(wǎng)絡 中， Profibus 總線技術不僅可擴展性高、響應快、可靠性高、傳輸距離遠以及傳輸速度較快，最高達 12M，而且可選用設備多、價格非常合理。同時具備網(wǎng)絡故障診斷功能，為網(wǎng)絡維護提供重要診斷數(shù)據(jù)，保證了網(wǎng)絡的迅速恢復能力。它從網(wǎng)絡通訊中斷到恢復通信只需要小于 秒的時間，它豐富的軟、硬件資源使得系統(tǒng)開發(fā)速度快、效率高。因此其具有很高的使用價值，至今 仍 為自動化控制領域類不可或缺的總線 控制方式。 工業(yè)以太網(wǎng)重要性能 為了應用于嚴酷的工業(yè)環(huán)境，確保工業(yè)應用的安全可靠， SIMATIC NET 為以太網(wǎng)技術補充了不少重要的性能： 工業(yè)以太網(wǎng)技術上與 ，使用 ISO和 TCP/IP 通訊協(xié)議 10/100M 自適應傳輸速率 冗余 24VDC 供電 第 13 頁 共 39 頁 簡單的機柜導軌安裝 方便的構成星型、線型和環(huán)型拓撲結構 高速冗余的安全網(wǎng)絡，最大網(wǎng)絡重構時間為 秒 用于嚴酷環(huán)境的網(wǎng)絡元件，通過 EMC 測試 通過帶有 RJ45 技術、工業(yè)級的 SubD 連接技術和安裝專用屏蔽電纜的 Fast Connect 連接技術，確?，F(xiàn)場電纜安裝工作的快速進行 簡單高效的信號裝置不斷地監(jiān)視網(wǎng)絡元件 符合 SNMP(簡 單的網(wǎng)絡管理協(xié)議 ) 可使用基于 web 的網(wǎng)絡管理 使用 VB/VC 或組態(tài)軟件即可監(jiān)控管理網(wǎng)絡 為滿足選礦廠的 生產(chǎn) 管理和生產(chǎn)工藝要求，在設計之中，在現(xiàn)場級與車間級網(wǎng)絡通信中使用通訊速率更高、更可靠、更適合惡劣環(huán)境的工業(yè)以太網(wǎng)通迅！ 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡結構 本次自動控制系統(tǒng)使用西門子的 控制系統(tǒng) S7300，網(wǎng)絡采用了三層結構，包括信息管理層、集中控制層、現(xiàn)場設備控制層。 ★ 信息層 該層采用數(shù)據(jù)服務器 、中央交換機和通訊介質(zhì)組成，上端連接工控主機，下端連接可編程控制器（ PLC） ,以此構成信息控制單元 ， 第 14 頁 共 39 頁 在 PLC 根上位機之間用管線連接，交換機與工控主機之間用五類雙絞線連接，組成信息通訊層網(wǎng)絡。 在信息層的信息監(jiān)控主機實時在線現(xiàn)實現(xiàn)場設備運行狀態(tài)，包括設備是否運行以及檢測儀表數(shù)據(jù)顯示 ，操作員并可在上位機實施設備控制根參數(shù)調(diào)整，以使整個工藝系統(tǒng)參數(shù)最優(yōu)化，達到控制目的。在上位機種設工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)服務器站，所有的控制以及參數(shù)修改均在操作員站進行。數(shù)據(jù)服務器是為數(shù)據(jù)存儲提供的，它可對過去一段時間的生產(chǎn)狀況進行查詢，以便修改相應參數(shù)使自控更加完善，也為設備故障提供查詢；工程師站專門為工程技術人員提供，主要 由工程師編寫控制程序，組態(tài)畫面作用。 集中控制層和現(xiàn)場設備控制層 集中控制層為整個自動化控制系統(tǒng)的核心部分，采用先進的容錯系統(tǒng)，整個控制系統(tǒng)分為：破碎順序控制系統(tǒng)、磨礦分級控制系統(tǒng)兩部分，每個系統(tǒng)之間獨立工作，信息可互換。 現(xiàn)場設備控制層采用抗干擾能力強、傳輸距離遠、傳輸速率高的Profibus 總線控制系統(tǒng)，并使用硬件冗余，以確保通訊及設備的安全可靠運行。并實現(xiàn)冗余 CPU 與上位機的數(shù)據(jù)交換，達到控制目的。 第 15 頁 共 39 頁 組態(tài)監(jiān)控畫面與參數(shù)設置 組態(tài)監(jiān)控畫面 是在上位計算機顯示設備上顯示現(xiàn)場設備運行狀況以及部分實時檢測 數(shù)據(jù)的。設備的運行狀態(tài)多以動態(tài)方式直觀的顯示出來，數(shù)據(jù)檢測則以相對應的數(shù)字或者棒圖直觀的顯示出來。 在組態(tài)控制畫面中，不僅可以實現(xiàn)設備運行狀態(tài)的現(xiàn)實，而且可以進行參數(shù)的修改。因此，組態(tài)監(jiān)控畫面可分為兩個部分，現(xiàn)場設備控制部分和遠程顯示部分，控制部分包括設備連鎖啟停，工藝參數(shù)調(diào)整，顯示部分為現(xiàn)場設備運行實時檢測。具有操作權限的操作員可對其進行操作，以此指導生產(chǎn)。 數(shù)據(jù)存儲與系統(tǒng)擴展 為了方便 數(shù)據(jù)庫管理和指導生產(chǎn)，系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行了存儲，為系統(tǒng)查詢和統(tǒng)計提供歷史數(shù)據(jù)，為故障判斷提供相應的依據(jù)，同時亦可作為控 制經(jīng)驗總結所用，以此來優(yōu)化控制參數(shù)，達到更好的控制效果。 在系統(tǒng) 擴張 方面，為今后系統(tǒng)升級，設備升級留有擴張接口，與Profibus 總線的可擴展性相結合，為今后系統(tǒng)升級換代提供了可靠保障，比如增加智能電機、智能開關、傳感器等；同時國際標準架構的工業(yè)以太網(wǎng)為今后實現(xiàn)遠程 WEB 訪問留有借口。 第 16 頁 共 39 頁 系統(tǒng)控制原理 本控制系統(tǒng) 本著安全可靠、穩(wěn)定、操作方便的原則，對生產(chǎn)過程中的關鍵設備實現(xiàn)集中控制，并對對磨礦分級實現(xiàn)過程控制，在整個控制系統(tǒng)中， 采用多變量串級控制系統(tǒng)或自適應模糊控制系統(tǒng)，同時引入滯后函數(shù)調(diào)節(jié)整個過程控制 過程，確保系統(tǒng)穩(wěn) 定可靠的運行。在磨礦 閉環(huán)控制系統(tǒng)中，通過檢測磨機音頻、功率 來綜合判斷球磨負荷，以此實現(xiàn)球磨機的自動給礦，給水。 磨礦 閉環(huán)控制 磨礦 是整個磨選工藝流程的入口，其控制效果的好壞直接影響后續(xù)工序的作業(yè)指標甚至最終產(chǎn)品的質(zhì)量。由于我國選礦行業(yè)在綜合配礦方面大都沒有較好的措施，所以造成入磨礦石性質(zhì)變化頻繁，這樣就給磨礦分級環(huán)節(jié)的自動控制帶來很大難度，況且影響這一環(huán)節(jié)的因素特別多（磨機襯板狀況、鋼球充填率、旋流器分級效率等），所以這一環(huán)節(jié)成了一種時變的非線性的復雜系統(tǒng)。對于這種復雜系統(tǒng)，工程技術人員提出 了各種各樣的控制模型，其中最常用的就是音頻或磨機功率單因素檢測、階梯值給礦這一簡單的控制方法。當然這種方法對于單一性質(zhì)的礦石確實很有效果，但礦石性質(zhì)變化時，由于它考慮的因素比較少，很容易造成失控。例如當?shù)V石變得難磨時，必然會導致分級設備的循環(huán)負荷增大，而在一定的時間內(nèi)單純使用電耳或磨機功率就不能正確反映出礦石性質(zhì)的這種變化，這時系統(tǒng)不做任何調(diào)整就很容易造成磨機“漲肚”或磨機與分級設備之間的惡性循環(huán)，導致 第 17 頁 共 39 頁 臺時下降、分級設備溢流粒度不穩(wěn)定，從而導致后續(xù)工序失衡。 經(jīng)過一段時間的探討和磨礦分級現(xiàn)場控制經(jīng)驗的積累， 我們摸索到了一種適合這一環(huán)節(jié)的有效的控制方法： 模糊控制。 模糊控制 在磨礦分級閉環(huán)控制中的應用 由于 球磨機磨礦過程的復雜性和參數(shù)的時變性及大滯后特性，無法定量地判斷磨機的工作狀態(tài)和礦石的性質(zhì)，只能定性地或趨勢性地判斷，這種判斷是無法實現(xiàn)磨機的精確控制的．因此，為了實現(xiàn)磨機的精確控制，必須將磨機的性能，磨礦系統(tǒng)的工藝過程，礦石性質(zhì)的變化等諸多因素與生產(chǎn)實踐結合起來，建立模糊控制規(guī)則，進行模糊推理，得出模糊推理結果，反模糊化，與各控制對象的ＰＩＤ控制相結合，組成Ｆ uzzy + PID 的控制策略，從而實現(xiàn)磨機的精 確控制?？刂频哪康氖欠€(wěn)定磨機生產(chǎn)過程，提高磨機的處理量，穩(wěn)定旋流器溢流粒度，為下一工序作業(yè)提供有利的條件。目前，國內(nèi)外許多單位都對球磨機自動控制進行了針對性的研究，并大多采用數(shù)字 PID 的控制方案參與磨礦分級過程的控制，而磨礦分級過程是一個參數(shù)非線性和時變的復雜系統(tǒng)，采用單純的 PID 遇到磨機工況不穩(wěn)定時，常出現(xiàn)磨機“漲肚”及給礦異常等非正?，F(xiàn)象，嚴重影響了球磨機的正常工作，并有可能造成設備的損壞。 同時國內(nèi)外研究人員對磨礦分級過程建立了不同的數(shù)學模型，因為多以機理分析為主，建模過程相當繁瑣，計算量相當大，難以 應用于實時過程控制。因此我們通過工藝分析，結合實際測試，優(yōu)化原有的復雜模型，引入模糊控制理論，選用模糊控制和 PID 控制相結合的 第 18 頁 共 39 頁 方法，這樣既可保持 PID 控制的無靜差、穩(wěn)定性好的特點，又具有模糊控制對參數(shù)的適應性和調(diào)節(jié)速度快的特點。 實際生產(chǎn)過程中，反映磨 礦分級狀況的參數(shù)很多。其中主要包括：磨機聲音、磨機功率 。在控制實施過程中，這些參數(shù)作為磨機模糊控制器的輸入，而模糊控制器的最后輸出是磨機給礦量、排礦水及給礦水。這些輸出值經(jīng)限幅處理后作為 PID 控制器的輸入， PID 控制器的輸出指導系統(tǒng)中的執(zhí)行機構進行調(diào)節(jié)。 經(jīng)過這 種控制方法得到的控制量是一個連續(xù)量。對于磨機給礦過程來說，這種控制方式實現(xiàn)了“給礦→磨機狀態(tài)分析→給礦”這樣一種連續(xù)控制。系統(tǒng)每時每刻都在分析磨機的工作狀態(tài)，并根據(jù)分析得到的結果實時給出控制方案。 磨機給礦模糊控制的實現(xiàn) 磨機給礦模糊控制中，我們選擇了其中的 2 個主要參數(shù)：磨機聲音、磨機功率 作為模糊控制器的輸入，這些參數(shù)時刻都在發(fā)生變化，而這 2 個主要參數(shù)的變化也恰恰反映出了磨機當前的工作狀況。模糊控制器根據(jù)這 2 個主要參數(shù)的變化或者變化趨勢進行模糊判定，對應每一種變化趨勢，模糊控制器都會給出一特定的給礦原則，然 后 PID控制器會根據(jù)這一給礦原則調(diào)整給料機 ，以達到精確給礦的目的，避免了單因素檢測造成的誤判斷的弊端。 磨礦分級控制是一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，不需人工參與。所以系統(tǒng)運行時應盡量避免人為干擾，以免影響控制系統(tǒng)的自平衡、自適應過程。 磨礦濃度的控制 磨礦濃度的大小影響礦漿的比重、礦粒在鋼球周圍的粘著程度和 第 19 頁 共 39 頁 礦漿的流動性，直接影響到排礦合格粒度的比率，對避免礦石的過粉碎，提高選別指標至關重要。對具體的磨礦分級過程來說，磨礦濃度有一個最佳范圍，磨礦濃度過高或過低都不利于磨礦效果，最佳磨礦濃度可以由磨礦分級過程的工藝指標分析得 到。這個指標要想通過人工操作來達到是很難的，因此，穩(wěn)定磨礦濃度對于提高球磨機的臺時處理能力、保證溢流粒度是極其必要的。 閉路磨礦條件下，磨機給礦是由新給礦和返砂量組成的，要控制磨礦濃度，就必須控制返砂水水量。根據(jù)生產(chǎn)實踐，在給礦及分級溢流粒度穩(wěn)定的情況下，返砂量的波動不大，因此，只要根據(jù)本廠的原礦粒度及礦石特性，標定出正常的返砂比，即可由給礦量的多少及返砂比，按磨礦濃度的要求計算出所需的返砂水量 。 經(jīng)過計算得到的返砂水量即是返砂水在一定條件下的返砂水設定值。而此時的最佳磨礦濃度值可以由音頻、磨機功率及礦石性質(zhì) 分析經(jīng)過模糊控制算法得到，這樣將返砂水設定值與模糊控制器的輸出比較，再經(jīng)過 PID 整定輸出至返砂水電動閥自動調(diào)節(jié)返砂水量，以達到控制磨礦濃度的目的。 旋流器 控制 旋流器控制的主要目的是保證其溢流粒度、沉砂濃度及其處理量。影響旋流器工作的因素包括結構參數(shù)、操作條件和礦石性質(zhì)等。在結構參數(shù)固定及礦石性質(zhì)不可控的情況下，給礦壓力和給礦濃度直接影響旋流器的工作狀態(tài)。 當旋流器壓力一定時， 給礦濃度對溢流粒度及分級效率有重要影 第 20 頁 共 39 頁 響。給礦濃度高， 礦漿濃度大、含泥量高時，礦漿粘度和密度將增大，礦粒在旋流器中運行的阻力增大，而使 分離粒度變粗 ，分級效率亦將降低。 反之，當給礦濃度低時，阻力變小，分離粒度變細，分級效率高。所以對于給礦濃度的控制非常關鍵。我們選用濃度計實時檢測給礦濃度的變化情況，通過調(diào)節(jié)旋流器礦漿池的補加水來控制給礦濃度，從而保證了旋流器的分級效率。 給礦壓力是旋流器中礦漿產(chǎn)生速度的原因，入口壓力大小 直接影響旋流器的處理量和分級粒度。當壓力增大時，可以提高分級效率，但是這將增加動力消耗和設備磨損，所以利用增大壓力來提高分級效率是不經(jīng)濟的。但在必要的情況下，也可以通過穩(wěn)定濃度適當調(diào)節(jié)旋流器給礦壓力來提高旋流器的分級效率。 旋流器沉砂濃度的大小直接影響到磨機處理量， 合理地控制旋流器的沉砂濃度是旋流器、磨機、礦漿物流量平衡的一個重要環(huán)節(jié)，當濃度一定時，通過在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)旋流器給礦壓力，使旋流器的沉砂濃度保證在工藝要求范圍內(nèi)。否則就會出現(xiàn)磨礦分級過程“死循環(huán)”的現(xiàn)象。從這個意義上講，旋流器的控制又必須將旋流器沉砂濃度的控制作為旋流器控制的重點之一。 為穩(wěn)定生產(chǎn)指標，提高設備效率，較低設備能耗，控制系統(tǒng)在設計時采用濃度監(jiān)測來反映粒度，因為一般情況下，濃度大粒度大，濃度小粒度小，同時由于粒度在整個工藝控制過程中至關重要，因此其信號直 接參與控制，當其檢測數(shù)據(jù)發(fā)生變化時 ，系統(tǒng)將 會對分級旋流器的給礦濃度和給礦壓力作出及時的調(diào)整。 第 21 頁 共 39 頁 控制系統(tǒng)的檢測與控制 檢測內(nèi)容包括： 球磨 給礦量檢測 球磨 給礦水檢測 旋流器給 礦水檢測 磨機 聲音 檢測 磨機功率檢測 磨機電流檢測（低壓 380V）