铁选矿厂生产生产监控系统的设计概述

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1、编号：时间：2021年x月x日书山有路勤为径，学海无涯苦作舟页码：第37页 共37页铁选矿厂生产生产监控系统的设计摘要：选矿生产过程实现自动化监控，对于改进选厂的生产管理水平，保障生产安全，提高生产效益，节约人力物力有极其重要的意义。近年来，随着选矿技术的日益成熟，选矿设备的日益先进，对选矿生产的监控要求就显得越来越高，对各类设备的管理水平要求更为苛刻。同时，随着控制技术理论水平、计算机相关技术、通信技术的更加成熟，以及计算机监控系统在各方面的成功应用，工业现场的各种仪表、传感器都朝着数字化、信息化、智能化的方向发展，这样使得监控系统底层就更加完善，形成了基于 PLC、现场总线等的各种控制网络

2、架构。本文首先分析了项目的应用背景和应用现状，然后介绍了矿区的实际情况和选矿流程，根据河源市东源县深坑铁矿的具体情况和实际需求，给出了系统的具体技术要求分析和系统架构。最后详细论述了选矿监控系统的数据采集设计和组态软件设计过程。系统设计最底层都是各种本质安全的数据采集传感器，采用了欧姆龙公司的可编程控制器作为下位机，上位机采用北京亚控的组态王作为监控软件，通过工业以太网和现场总线实现数据通讯，构成了实时监测且具备办公自动化功能的监控系统。系统提供了历史数据的查询和打印功能，还能根据要求提供系统报警。本文设计实现的系统目前已经投入运行一年多，从这一年多的运行情况来看，效果良好，较大程度提高了选矿

3、厂的自动化水平，保障了生产的安全稳定，节约了生产成本。关键词：铁选矿 监控系统 数据采集 可编程控制器 组态软件AbstractIts very meaningful to carry on automatic monitoring in ore dressing precess to promote the level of production management,ensure the production safety,increase production benefit,economize resource,etc.In recent years,along with the im

4、provement of ore dressing technology and equipments,the higher requirement is needed for production process monitoring and equipment management.On the other hand,along with the development of control theory,computer and communication technology,as well as the successful application of computer super

5、visory systems,the site instruments are developing toward the digital,information and intelligent,which makes monitoring perfected gradually.Industry control networks based on PLC,FCS are formed.Firstly this thesis analyses the project background and application status,and then present the actual ci

6、rcumstance of the iron mine and mineral processing. Meanwhile, according to the circumstances and actual requirement of Shenkeng iron mine in Heyuan,proposed a system architecture according to the needs analysis.At last,elaborates in detail the data acquisition layouts and software design courses.Th

7、ere are all intrinsically safe data acquisition sensors in the bottom of the system,which uses Omron PLC as lower PC.In the upper PC,uses KingView configuration software of Wellintech Co.Ltd in Beijing as monitoring software.The system communicates by FCS,and can monitor real time,which has an offic

8、e automation function.The system also provides inquire and print function,as well as alerting as the need.The monitoring system designed in this thesis have been used in the actual for about one years.According to the operation result,the system greatly improves the iron mines automation level,guara

9、ntees the safety of production and save the production cost。Keywords: Iron dressing Monitoring system Data acquisition PLC SCAD绪论1.1 本文研究背景随着社会的快速发展，世界各国对钢铁的需求量越来越大，导致钢铁以及铁矿石价格一路上升，进而导致制造成本加大，利润率下降。在这种情况下，更好更多地开采铁矿石就显得格外紧迫。在同等的自然条件下，选矿自动化技术能很大程度上提高选矿的效率和效益，节约人力成本，有更高的安全保障。选矿自动化技术自20 世纪 40 年代以来，已经取得了

10、很大的发展，从根本上转变了传统选矿技术落后的局面。选矿过程控制是指为了满足选矿生产过程的各类需求（包括生产安全性、产品质量、生产效益、环境保护和操作规模等）而采用的连续监测和自动控制技术1。由于选矿生产过程的复杂特性和一些客观因素2，一定程度上限制了选矿自动化技术的普及范围、应用水平和发展速度，与其他行业相比较而言仍然显得有些落后。但由于选矿自动化技术在提高选厂生产效率、提高精矿品位和回收率、降低制造成本等方面效果显著，因此今年来日益受到重视3。在选矿过程中，经常需要对某些变量的值进行恒定控制，防止其浮动，比如球磨机内物料的浓度，必须要控制在一个水平内才能使磨选效果最好。但是在实际生产过程中，

11、有很多因素会对控制对象进行干扰，这我们就必须对这些变量进行适当的调节。以往这种调节都是人工进行的，人工调节的误差和延时性都比较大，而自动控制就能克服这些缺点，它具有精度高、反应快等特点，因此它也成为最近的选矿发展方向。1.2 本文研究的现状及前景由于计算机技术、通信技术和传感器水平的迅速发展，以及自动控制技术的更广泛应用，使得计算机控制技术取得了极其飞速的发展。到上世纪七十年代中期，出现了集散型控制系统（DCS），它以微处理器为核心。DCS 的出现使工控领域得到了很大的改变，并且迅速应用到了各个工业领域。到 70 年代末的时候，DCS 开始运用到了选矿过程中。进入 21 世纪后，传统的矿业大国

12、如美国、南非、俄罗斯等在一些大中型选矿厂采用自动化选矿技术已经非常普遍，其应用范围已经覆盖从破碎到脱水的各个环节，测控参数包括所有的需测量。在控制方案上也从以往的单参数、单机、单作业段控制向全流程、全车间、全厂范围的多级控制和管控一体化方向发展4。近年来的计算机技术发展以及网络技术的大规模应用，为选矿自动化的发展提供了更加良好的发展条件。选矿自动化技术自上世纪出现以来，已经取得了很大的进步，从根本上使得传统选矿技术的落后局面得到了改观。按传统的操作方式，工人们都是凭以往的工作经验对设备和生产过程进行手动调节，这样既不及时又不准确，所以较难获得好的控制效果，同时也会造成工人们的工作条件很恶劣5。

13、自动检测能够及时准确的指示选矿过程各参数的变化；自动调节能够及时根据检测结果，准确的对有关变量进行调节，这两项自动化技术的应用提高了选矿指标，节约了能耗，改善了劳动条件。近年来发展起来的选矿自动化技术能够综合考虑选矿过程中各项影响因素，随着入选矿石性质的变化而自动改变对各变量的控制，使选矿指标达到最佳值6。尽管选矿过程控制有诸多优点，但是在实际选矿过程中，过程控制的应用远未达到预期的效果。制约其发展速度的的几个主要环节在于： （1）传感器和各类检测仪表没有创新，显得相对落后，一些大设备的关键技术参数的检测仍然存在可靠性低的问题。此外，传感器安装复杂、运行寿命短也是制约选矿自动化的关键因素。（2

14、）很多选厂对传感器件以及自动化系统的定期维护缺乏重视，也非常缺乏专门人员进行维护，这样就使得系统仅能够在投运后的短期内保持正常状态。一旦缺乏技术支持，自动化系统很可能就因为各种情况而出现故障。（3）自动化系统最初设计、开发的不合理。很多选厂的自动化系统设计都不切合实际情况，具体表现在控制程序不合理，仪表设备选择不合理等等。（4）大多数人依然认为中国劳动力过剩，自动化系统的存在没有必要。这是一种传统的落后观念，实践已慢慢证明这是错误的。下面简要叙述当前选矿控制领域的一些热点，能大体概括近期的发展趋势：（1）软传感器的开发和应用。此技术是指先测量一些间接参数，然后用数学方法来进行处理，这样就可以得

15、到一些因客观原因不便直接检测的量的数据。该技术作为一种更简便、更经济的测量手段，目前正在进一步发展。（2）计算机技术的广泛应用和网络的迅速发展。上位机采用高可靠的工控机进行直接控制。特别是近些年来，网络技术的广泛普及使得一些原来自动化应用基础不错的选厂准备采用基于网络技术的控制方案，这种控制方案能与因特网以及原有的信息管理系统相适应，可以实现更深入的管控一体化。（3）计算机集成控制系统技术的应用。该技术目前已能够对连续的生产过程进行自动控制和生产管理。CMS 系统是选矿自动化发展下去的远期目标。（4）新型选矿工艺和选矿设备。这些工艺和设备自身对自动化水平的要求，促使自动化技术日益成为选矿生产中

16、不可或缺的手段。按 IEC 和现场总线基金会的定义，现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络。有通信就必须有协议，从这个意义上讲，现场总线实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的标准7。现场总线的实质是以串行数字通信替代了传统的 410mA 模拟信号的传输。它把通用或专用的微处理器置入传统的测量控制仪表，使之具有数字计算和数字通信能力，采用一定的介质作为通信总线，按照公开、规范的通信协议，在位于现场的多个设备之间以及现场设备与远程监控计算机之间，实现数据传输和信息交换，形成各种适应实际需要的自动化控制系统。在通信网络中，国际标准化组织 ISO 制定了开放式系

17、统互连参考模型，定义了 7层体系结构。但对于工业控制系统来说，7 层模型过于复杂，现场总线和实时工业以太网都参考 ISO 模型，采用了符合自己要求的协议模型。现场总线的特点是：现场设备分散，单个节点信息量小，但实时性和快速性要求较高。所以现场总线对 ISO 模型做了大量的简化，只使用了其中的物理层、数据链路层和应用层。1.3 本文研究的目的和意义自从我国加入 WTO 后，各种矿类产品市场也逐渐形成了国内外一体化的新局面，到如今，这种局面更加深化。所有的矿山企业都面临国外同行的直接竞争，这对于我们来讲是一个巨大而严峻的挑战，但这同时也是我们的一个很好的发展机遇，可以趁机淘汰落后产能，做大做强优势

18、企业，加强国内矿山企业的竞争力。但我们也看到，国内的很多企业在设备、技术水平、管理能力和生产效率方面与国外先进企业相比，均存在比较大的距离。随着新世纪的到来，各种资源逐渐显得匮乏，矿产资源的可持续利用也就显得日益重要，而选矿自动化在保障生产、节能减排、降低成本、提高生产效率和环境保护等方面，都有很大的发挥空间。因此，提高自动化技术在选矿行业的应用水平具有重大的现实意义，对国内选矿自动化水平和选矿工艺技术水平的提高，增强国内矿山企业的综合实力、建立现代企业制度，实现未来的可持续发展，必将产生十分积极的影响9。1.4 本文研究内容根据相关背景和具体标准要求，结合矿山项目实际，设计了一套矿山生产自动

19、化监控系统。本论文主要完成以下工作：（1）项目背景以及相关技术的分析介绍。（2）介绍选矿流程，然后根据客户的实际需求，对矿区监控系统的设计原则和总体结构进行研究，提出总体的系统架构和实施方案。（3）根据总体设计方案，列出所有的数据采集点，并设计皮带秤、料位计等各个点的数据采集系统。（4）介绍总体软件架构，完成综控室的组态软件的编写，包括工艺部分、电力部分、故障报警部分和办公自动化部分。（5）最后对全文进行总结与展望。2 选矿厂设计需求分析2.1 选矿厂概况深坑铁矿为河源市大顶铁矿田的一个矿区，地处连平，东源、和平三县交界的山区，矿田范围：自东南深坑至西北铁帽顶延长 3km，南起蕉园北至上派竹塘

20、宽 4km，面积约为 35 平方 km。深坑铁矿属于东源县坚基矿业有限公司的下属企业，深坑铁矿作为一个新建矿山，矿山自成立以来，已进行了一系列前期建设工作，其中包括生活设施、空压机供气设施、变配电设施、斜井及部分基建平巷工程等。本矿床位于大顶铁矿东南部，呈西北-东南向分布，区内分深坑和茶厂两个主矿体。深坑矿体为一独立矿体，矿体走向大致呈东西向，向东南角倾 1020，并与地层产状基本一致。深坑铁矿是一个刚开始新建的矿山，地处广东北部山区，矿体埋藏在地表下120200m，适合进行地下开采。依据深坑铁矿+240m 水平以上矿体赋存条件和开采技术条件，经多次认证认为该区域矿体适合采用地下开采，经所进行

21、的开采能力论证，+340m+240m 范围内适合的开采规模为 7wt/a。该区域可开采矿量为 238.1104t，预计服务年限为 24a，其中矿山基建期为 2a，稳产期约为 27a。2.2 选矿流程介绍选矿，就是根据矿石中不同矿物的物理、化学性质，把矿石破碎磨细以后，采用重选法、浮选法、磁选法、电选法等，将有用矿物与脉石矿物分开，并使各种共生的有用矿物尽可能相互分离，除去或降低有害杂质，以获得冶炼或其他工业所需原料的过程10。选矿从大的范围讲分为破碎、磨矿、择选三个过程，细分又可分为破碎、磨碎、筛分分级、洗矿、磁选、选后处理等步骤。深坑铁矿的选矿工艺流程概图见图 2.1。图 2.1 深坑选厂工

22、艺流程概图下面简要介绍一下：（1）矿石破碎破碎就是将矿山采出的粒度为 5001500mm 的矿块碎裂至粒度为 525mm 的过程。方式有压碎、击碎、劈碎等，一般按粗碎、中碎、细碎三段进行。粗破多用1.2m 或 1.5m 旋回式破碎机，中破使用 2.1m 或 2.2m 标准圆锥式破碎机，细破采用2.1m 或 2.2m 短头型圆锥式破碎机。（2）磨矿我国铁矿磨矿工艺大多采用两段磨矿流程，中小型选矿厂采用一段磨矿流程。磨矿以研磨和冲击为主。将破碎产品磨至粒度为 10300m 大小。磨碎的粒度根据有用矿物在矿石中的浸染粒度和采用的选别方法确定。常用的磨矿设备有： 棒磨机，球磨机，自磨机和半自磨机。深坑

23、铁矿选用的就是球磨机。磨碎作业能耗高，通常约占选矿总能耗的一半。（3）筛分分级按筛面筛孔的大小将物料分为不同的粒度级别称筛分，常用于处理粒度较粗的物料。按颗粒在介质（通常为水）中沉降速度的不同，将物料分为不同的等降级别，称分级，用于粒度较小的物料。筛分和分级是在粉碎过程中分出合适粒度的物料，或把物料分成不同粒度级别分别入选。（4）洗矿为避免含泥矿物原料中的泥质物堵塞粉碎、筛分设备，需进行洗矿。原料如含有可溶性有用或有害成分，也要进行洗矿。洗矿可在擦洗机中进行，也可在筛分和分级设备中进行。（5）选别矿物原料经粉碎作业后进入选别作业,使有用矿物和脉石分离，或使各种有用矿物彼此分离。这是选矿的主体部

24、分。选别作业有重选、浮选、磁选、电选、拣选和化学选等。深坑选矿厂采用的是磁选方式。磁选是利用矿物颗粒磁性的不同，在不均匀磁场中进行选别。（6）选后产品处理后产品处理作业 包括精矿、中间产品、尾矿的脱水，尾矿堆置和废水处理。选矿主要在水中进行，选后产品需要脱水，方法有重力泄水、浓缩、过滤和干燥。块状和粗粒物料可用脱水筛、螺旋分级机和脱水仓等进行重力泄水。细粒物料用浓缩机或水力旋流器和磁力脱水槽等浓缩，再经真空过滤机过滤。近年出现的流态化干燥法和喷雾干燥法可以提高干燥效率。尾矿通常送尾矿库堆存，有时先经浓缩后再进行堆存。尾矿水可回收再用。不合排放标准的废水须经净化处理。旧尾矿场地要进行植被、复田1

25、1。经过以上几个步骤滞后就能得到品位较好的铁矿砂，然后运输到各个炼铁厂进行加工得到钢铁产品。2.3 选矿厂需求分析对于铁选矿厂，生产的根本需求就是在保证安全的情况下最大可能的获得直接经济效益。从系统工程的角度来讲，就是要尽量降低投入的同时，增加产出12。结合生产实际，将这个需求分解一下，就又可以大体分为控制成本、增加产出、保障安全、便于管理等几个小的需求。其中，控制成本和增加产出可以很明显的提高企业的收支比，也即是提高了企业的直接经济效益，这与企业的根本需求是直接相符的，增加产出的方式主要是优化选矿流程；保障安全是为了保证所有设备和人员的正常运作，也就是为更好更多的产出提供了保障，这也与以人为

26、本的精神相符合的；便于管理是为了给决策者以及操作人员更多的分析依据，必须提供一些关键点的数据及其历史数据、曲线分析、报表分析等。从本铁选厂的角度来讲，控制成本就是合理地用水用电，减少选矿过程中的机械损耗、物料损耗等各类损耗，保证正常生产下地精简各个部门的人力等；增加产出就是尽力优化生产过程，协调好各个环节之间的关系，更好更多地获得品位较高的精矿粉；保障安全就是保证破碎、磨选等各个环节设备的正常运作，保证现场人员的人身安全；便于管理就是要对原矿量、精矿量、精矿品位、料仓高度等一些关键点的数据进行采集和整理，以便于厂领导以及现场的操作员进行决策和操作。与选厂的需求相适应，本监控系统也就必须针对这些

27、需求提供技术支持。下面就对上述这四个小方面的需求在监控系统中的体现进行分析：（1）控制成本选矿成本控制是围绕生产工艺各要素所产生的物料消耗费用、能源消耗费用等而进行的计划、协调、控制的管理工作。它是以生产现场为基本要素，是一项综合性管理。选矿成本控制流程如图 2.2 所示。图 2.2 选矿成本控制流程从图 2.2 可以看出，控制选矿成本，必须要对生产过程中的物料、能源消耗，各部门的制造费用等进行核算，算出原料成本、能源成本、制造费用及精矿产品成本。具体到监控系统上来讲，就必须要对原矿的投放量，精矿的总产量，总用水量，总用电量等进行监控。因此，监控系统必须在选矿厂的原矿进矿口和精矿出矿口都要安装

28、地磅秤，来测量原矿和精矿吨位，在总输入水管和各车间输入水管上要安装流量计来测量水流量，在总配电房和各个低压配电室要有电度表来检测总用电量。这些数据都要进行监控，最后进入组态系统和数据库。所有的数据经过整理成为报表给财务部门核算，看和原来的成本计划出入在哪，合理对生产计划进行调整，最后进入组态系统和数据库。所有的数据经过整理成为报表给财务部门核算，看和原来的成本计划出入在哪，合理对生产计划进行调整，最大化节约生产成本。（2）优化生产在设备、人员一定的情况下，想增加产出，就必须优化生产过程。从图 3.1 可以看出，选矿过程是一个连续性的过程，各个生产环节之间都有非常紧密的联系，因此，选矿过程的优化

29、不能把眼光只放到某环节上，要从环节与环节之间，环节与总体之间进行考量。具体到本铁选厂来讲，控制各设备的给矿量，破碎与中细碎、中细碎与磨选环节之间的工作协调是非常重要的优化手段。同时，要实时监测所有主要设备的运行情况，哪些设备在开，哪些设备在停车，哪些设备在检修，为决策者作出正确的调度作技术支持。传统的人工检查方式虽然也能观测到物料状况和机器的运行状态，但是信息比较分散，也有很大的滞后性，对生产过程的优化作用有限。自动化监控就能将所有的信息集中式管理，并且实时性非常强。为了达到这些优化手段，必须对破碎机到中碎矿仓的皮带、中碎矿仓到中碎机的皮带、球磨矿仓到球磨机的皮带上都必须安装皮带秤，监测各个环

30、节的处理量；还要在中碎矿仓和球磨矿仓上安装料位计，监测各个环节的原料储备量；所有设备的启停信号也都必须进入监控系统。实时监测各个点的数据，就能对整个选矿过程的情况一目了然，一旦哪里物料过多或者缺乏，就能作出相应的调整。这样就能更好处理各个环节之间的工作协调，合理开停机器，安排生产。（3）保障安全保障设备和人员的正常安全工作是监控系统的一个非常重要的意义。设备安全对于正常生产的重要性是不言而喻的。比如一旦破碎机出现故障，整个铁选厂就得停工，将会产生巨大的怠工损失。人员安全是企业的基本职责，也是以人为本的基本要求，必须要积极保护好工人的安全。在本选厂里，有很多高压高流高温设备，这些设备一旦出现事故

31、，不但会造成生产受阻，严重时甚至会造成人员伤亡，所以本选厂对安全性的要求就显得更加迫切。为了保证安全，大设备的电压电流和温度，监控系统必须要实时的监测，一旦出现了超限情况，监控系统要能够立即作出报警，提醒现场人员作出反应。本选厂的各个环节之间是紧密连接的，当后面的某个环节出现故障停机时，前面的生产环节必须要做出调整。比如中碎机停机了，破碎机到中碎矿仓的皮带就必须要停下来，破碎机也要停止工作，否则会造成料仓溢出，甚至对中碎机造成危害。这个就要求监控系统在各个环节之间要有联锁功能，能自动判断停机。事故发生后再去处理永远都是被动的，为了预防事故的发生，必要时对各个设备要进行正常的轮休检查，这就涉及到

32、监控系统必须要能记录下大设备的持续工作时间，到了其维护时间就必须停机检查。本选厂的尾矿坝和取水水库是在同一个水源地，因此水库水位和尾矿坝高也是保障生产安全的一个指标。水位过低会造成生产用水短缺，水位过高可能会堵塞尾矿排污口。在水库上和尾矿坝上都必须安装测量高度的传感器，并实时把数据传给监控系统。（4）便于管理传统的选厂管理，都是人工方式或者是半自动化方式的。比如矿石的化验结果都是化验室化验好后，填在纸质化验表上然后人工送到相关部门；各个皮带秤的计量也都是工人定时地去皮带秤仪表上去看数字，然后记录下来。随着时代的发展，这些方式都显得过时了，也有很大的时间滞后性，不利于生产的实时调整，也提高了人力

33、成本。为了更好的管理选矿厂，从监控系统的角度来讲，必须要实现现场数据的自动采集记录，并能保存历史数据，实现部分办公自动化功能。具体来讲，就是要对料位、皮带计量等关键点的的数据进行实时的监测记录，还得保存下来，在组态系统里生成曲线报表等辅助工具，作为决策者和操作者的依据。化验部分是一个特殊的部分，因为本选厂的化验还不能实现自动化，是人工化验的，所以化验的结果必须是人工输入电子表单，然后由以太网传给工控机。所有数据的历史记录都必须存储下来，以便随时能够查询。这些数据主要包括设备的启停时间和电压电流轴温，各处水压水流量，各处料仓高度，皮带秤计量，地磅秤计量，水库高度，尾矿坝高以及化验结果等等。此外，

34、由于矿山和选厂的现实地理条件是在山区里，而企业总部在市区，并且选厂的办公区和生产区之间的交通条件也很不方便，所以为了让决策者能够实时地看到选厂的工作状况，更加及时地作出决策，监控系统的组态画面必须要发布出去，外界的主机能够通过因特网，就能看到组态画面。为了安全，组态系统的访问当然也必须设置一定的权限。2.4 数据采集分类总结以上的需求分析，所需要采集的数据可以分为以下几类：（1）投入产出量这部分变量主要是为了测量整个系统的投入以及产出，以及中间过程中的一些物料变量。要测量这些变量，就得在地磅房安装测量仪来测量原矿和精矿量，还得再各个料仓上装上料位计测量料仓高度，在某些皮带秤上安装电子称测量过矿

35、量。（2）水电消耗量水和电都属于能源消耗，也是成本控制的一个方面。为了测量水流量，就需要在破碎进水管和磨选进水管处都装上流量计。为了测量电量，就需要在各个低压配电室以及总配电室都安装电度表。（3）主要运行设备量这部分主要是指一些大设备，如破碎、球磨等设备的运行参数，如电压、电流、轴温等。（4）连锁控制：包括皮带和设备的的电器连锁。（5）产品质量为了控制产出的精矿的质量，就必须要对精矿的品味和其他各段矿物的品位数据进行监测。（6）安全保障：对于高压、高流设备，为了安全起见，必须要对其电压电流进行监测。2.5 本章小结根据 2.3 节的分析，结合矿区的实际情况，监控系统应该具备以下几个功能：（1）

36、必须满足安全生产的要求，各个设备要做到防爆防火。（2）分区域采集相应的工艺参数、设备运行参数和电气运行参数至可编程控制器 PLC。（3）按生产流程要求对设备实现电气连锁开停车，并对有关参数按设计要求实现超限报警或停车。（4）尾矿坝高数据和化验数据要实时检测，并每小时输入计算机，并通过网络传入总控室的总工控机。（5）对水库水位高度以及各段输水管的压力和流量参数要实时监测，并且要实时送达总工控机。（6）本监控系统还要实现部分办公自动化功能，如报表查询、报警事件记录、曲线分析等等。（7）在总控制室，要作出整个选厂生产过程的组态画面并用多媒体手段表现出来，以便调度员参考。3 监控系统总体设计3.1 监

37、控系统的设计原则此监控系统处在选矿现场厂房，周围很多高压高温设备，各设备分布的也较广，而该系统又是选矿厂进行有效管理控制的核心，对于保障安全、保证高效起着十分重要的作用。鉴于此，本监控系统有以下几条设计原则13：（1）安全性毫无疑问，首先必须保证尽量的安全性。监控设备本身做不到安全保障的话，那就更谈不上整个系统的安全和选厂的安全了。其一，是设备本身要有良好的防火性和防爆性；其二，就是要在周围做好防火防爆措施，以防出现各类意外情况。监测设备尽量不直接接近高压高温设备，解除部分也要做好防范工作。（2）先进性监控系统里的设备要采用先进技术产品设备，只有采用先进技术产品，才能保证整个系统的先进性。（3

38、）可靠性系统的可靠性是最主要的性能指标。但由于生产现场的环境比较恶劣，高压高温的强电环境，对于系统的指标提出了更高的要求。系统一旦出现差错，轻微的情况是影响生产，严重的话会造成生产事故。所以我们的一些主要监控设备要采取冗余措施，比如 PLC 都要有备用不间断电源，一旦断电还能继续正常工作。（4）开放性我们的监控系统是要使用很多年的，所以为了保证将来能够扩展，必须保证系统的开放性。一旦未来多增加了选矿设备或者选矿工艺，我们都要保证能够马上优化系统。为此，我们要在系统各个部分都流出必要的接口。（5）经济性在满足以上各个要求的情况下，整个系统要尽量性价比高，以后维护的时候也要易于维护，减少维护支出。

39、这样的话，使用方就能更快回收成本，经济性更强。3.2 数据采集点分布根据第 2 章的设计需求分析，以及所确定的需要采集的量，结合现场实际的生产流程，可以确定所有的数据采集点。图 3.1 和图 3.2 分别是磨选和破碎阶段的数据采集点分布图，综合起来就是整个工艺流程的参数采集图。图 3.1 数据采集图一图 3.2 数据采集图二除去图 3.1 和图 3.2 中所标注的所有的点外，还有其他几类数据采集点：地磅房的原矿精矿量数据采集；破碎和磨选车间进水量采集；综保装置参数采集。这些地方的量都是通过 PLC 或者其他数据终端上传到数据池的。3.3 数据汇集点设计前一节设计了数据采集点，那么为了更加合理地

40、构建通信方案，必须要将数据进行合理的汇集。结合矿山平面布局图，设计数据汇集点如图 3.3 所示：图 3.3 数据汇集点图从图 3.3 可以看出，所有的数据都是汇集在了各个车间的 PLC 和综保 IPC 里，然后再集中传送到了总控制室的数据池。各个环节的 PLC 和 IPC 覆盖了它所在环节的数据采集工作。3.4 系统总体方案设计本系统采用工业以太网总线和离散控制系统相结合的多级控制。工业以太网的开放性非常好，易于扩展，也很方便的和管理信息系统以及外部的互连网相连。这就将现场设备和自控系统都带进了网络世界中，为企业信息化和办公自动化打下了基础。在安全性能上，所有的设备都采用了较好的防护措施，离高

41、温高压设备都有一定的距离，如料位计等精密设备也都采取了隔离保护措施以免受到现场铁砂等的影响。可靠性这方面，所有的 PLC 设备都采取了冗余措施，配备了不间断电源，一旦突然断电，PLC 仍能工作，正常反应现场各设备的状态。在可扩展性方面，我们在PLC 上都预留了接口，总控室的组态软件上，也都预留出了软件变量空间，以备将来的各种用途。所有的监测设备，如料位计、皮带秤等等都直接通过光纤或者通讯电缆直接与 PLC 相连，保证了很好的实时性。本系统总体上也是一个集散控制系统，根据集散控制系统的三级模型，可以设计出奔系统的集散模型如图 3.4 所示：图 3.4 监控系统的集散模型将这个集散模型图细化以下，

42、可以得到系统的整体设计图如 3.5 所示。整个系统以及上位机监控都采用了工业以太网，工控机都采用的研华工控机；PLC 网络系统采用欧姆龙公司的 PLC，以分布式 I/O 采集现场数据；水位、各料仓料位采集装置都采用的是 ABM 公司的雷达料位计，然后通过 Modbus 协议送达工控机；各段的生产量计量都采用武汉聚友公司的皮带电子称来测量，也是通过 Modbus 协议送达对应车间的 PLC；尾矿坝的堆高是采用 Impulse 公司的激光测量仪来测量；各车间的水压和水流量采用江苏江阴塔南仪表的差压变送器和压力变送器来获得；各车间配电室的综保装置数据都通过 Modbus 协议传送到下位工控机，并在下

43、位工控机自带的显示屏上实时显示；地磅室和化验室的数据都是由相关人员录入，然后通过以太网送达上位机。总控室的工控机通过光纤以太网和各车间的 PLC 以及下位工控机相连接。下面的数据都能实时送达综控室，以便即使处理。最终的组态画面都要显示在综控室的大屏幕上，也可以通过远程网络访问。总控室一共有 2 台计算机，1 台作为数据服务器和操作台，1 台作为大屏幕的服务器。数据服务器安装 Oracle 10g 数据库服务器端软件和组态王 KingView6.53 组态软件，并装载有自行开发的 DataPool 数据收集软件。数据库服务软件负责存储所有的数据，并实时将数据发给组态王软件，在编辑好的组态工程里，

44、能根据所有的数据变化来动态变化，直观的反映在大屏幕上。大屏幕服务器计算机上装有 Oracle 数据库客户端软件和组态王软件，能实时接收数据服务器发来的数据。最终开发得到的管理系统软件提供功能强大的支持因特网的浏览功能，支持外网的主机浏览，根据权限还有不同的浏览级别。这种浏览功能有两种实现方式，一种是我们自己组态工程的 Web 发布，一种是要在浏览端相应的装载 Oracle 客户端软件和组态王软件。前者方便简洁，但是后者看的画面更好，实时性也更强，也能进行一些操作。一旦发现某些设备出现超限情况，操作站的显示屏和大屏幕上都会出现动画报警，综控室内的喇叭也会有声音报警，提示操作员及时采取措施。图 3

45、.3 系统总体结构图4 数据采集实现方案4.1 PLC 数据采集设计PLC，就是指可编程控制器，按照 IEC 的定义，PLC 就是“一种数字运算的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。它采用可编程序的存储器，用来在内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字式、模拟式的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。可编程序控制器及其有关设备，都应按易于工业控制系统连成一个整体、易于扩充的原则设计。”本系统采用的是欧姆龙公司的 PLC，使用 USB 端口与上位机通信，所以我们用了一个光转换器作为 PLC 和上位机之间的传输媒介。采用梯形图配功能模块的结构文本语言编程，

46、多任务的编程模式，多个协议宏服务端口，易于联网，拥有多路高速计数与多轴脉冲输出。可编程控制器 PLC 一方面要实时的采集各个数据采集点的数据，然后通过网络传给上层的工控机，另外一个方面，PLC 还需要根据实时采集上来的数据参数，来判断某些设备是否处于异常状态。考虑到现场环境对电子设备影响比较大，以及为了以后维修方便，本系统 PLC 所有的 I/O 均放置在控制柜里面。首先统计所有的输入输出点，然后加上根据系统需要的一个冗余度，就可以确定所需要的点数。然后，看 PLC 所带的负载是什么类型，来确定输出方式，这样可以确保系统的稳定运行。PLC 的存储容量大小是根据系统大小确定的。本项目里， PLC

47、 所需要监控的信号有：设备的启停、配电室的合闸、设备的轴温、皮带秤计量、水压量水流量等。在工业控制里，网络通信的可靠性和稳定性很重要，一旦通信中断将会产生很多不良影响。而这种可靠性和稳定性取决于多个方面，比如安装方式、设备连接、管理方案等等，设备冗余设计就是加强可靠性的一个很好的方式。根据实际需要，采取链路和硬件的冗余是一个很好的途径。本系统里一共有 6 台 PLC，分别安装在粗碎车间、中细碎车间、磨选矿车间、过滤车间、泵间车间和水船车间。粗碎车间的 PLC 主要负责粗碎机和粗碎配电室的一些数据采集工作；中细碎的 PLC 负责中细碎配电室和中碎机、细碎机、1#2#皮带称等的数据；选矿的 PLC

48、 负责磨选车间里的球磨机、渣浆泵等的数据；过滤 PLC 负责过滤机和 11#12#皮带等设备的数据；水泵船上的 PLC 就专门负责水船上的几台抽水机和水位测量仪的数据采集。整个选矿厂所有设备的启停信号都由数字量接口接入 PLC，并实时上传给组态系统。中碎机、球磨机这些大型设备的轴温数据则是通过模拟 I/O 口传入 PLC。中细碎和球磨车间的水压水流量也是通过模拟口传入 PLC。同时，当设备出现故障时，PLC 也可以控制相关设备停机，避免生产事故。每台 PLC 上我们都安装了一个人机交换界面，上面有本车间基本设备的组态状态图，可以将本车间的数据直观反映在屏幕上，以便于车间操作人员也可以实时的看到

49、设备运行情况。每台人机界面都会经由一个小光交换机，通过光纤接到总控室的光以太网交换机，将数据上传给数据缓冲池。4.2 综保装置数据采集本选矿厂里采取了很多大型设备，如颚式破碎机、圆锥破碎机、球磨机、过滤机等等，这些都是高压高流设备，因此都需要相应的配备一套综合保护装置，以免设备出现大的故障甚至是事故。综保装置都安装在各个车间的值班室里，为了节约成本以及为了更好的集中管理，虽然选厂有大设备的车间有 4 个，但是综保装置只有 2 套，中细碎值班室的综保装置负责生活区、粗碎车间的颚式破碎机和中细碎车间的圆锥机，选矿值班室的综保装置负责磨选车间的球磨机和几个变压器的保护。本项目里需要测量高度的地方有取

50、水点的尾矿库液位和中碎料仓、磨选料仓的料位。中碎矿仓和磨选矿仓的 6 个料位计，数据到传感器以后，都是通过 RS485 接口将数据传输给中碎和磨选的综保工控计算机上。综保装置的数据采集系统终端是一台研华工控机，上面装有自行开发的数据采集以及显示软件 DataBridge，能将采集到的综保装置数据实时的现实在显示器上，以便于值班室的值班人员观察生产情况。DataBridge 是通过 RS485 接口读取电力综保装置的参数，并将其传至数据缓冲池的实用程序。在选矿厂的组态应用中，该程序的地位如图 3.4图 3.4 DataBridge 软件地位图数据采集软件封装好了，作为一个可执行程序安装在工控机里

51、，启动的时候直接双击图标就能运行。中细碎的采集装置和选矿的采集装置唯一的不同在于它们的一个 ini 配置文件。DataBridge 软件里主要分为两个模块，Socket 模块和 Comport 模块。其中，Socket模块主要负责和上层的通信，也就是和数据池的通信；Comport 模块主要负责和它所监控的设备之间的通信。DataBridge 软件主要监控的设备是综保装置和料位计，这两种设备都是通过串口和工控机通信，采用 RS485 协议。软件内部有一个定时器，会定时地向综保设备和料位计进行查询，如果收到数据，就会用 socket 通信传送给上层的数据池。其中，对于料位计 DataBridge

52、是一直固定地读取其位于地址 324 处的内容,因为料位计的高程信号一直存在这个地方。4.3 电子皮带秤数据采集为了更好的监控各个环节的过料量以及最终的精矿产量，以便于合理安排各个设备的运行，有必要在关键的几个皮带上装置测量装置，实时的监测皮带上的瞬时量和累积量。本项目里，分别在粗碎到中细碎矿仓的 1#皮带，中碎矿仓到中碎机的2#皮带，球磨矿仓到球磨机的 10-3#、10-4#、10-5#皮带以及最后的精矿出矿皮带 12#皮带下，安装了电子皮带秤，来测量过矿数据。本项目里采用的电子皮带秤都是徐州拉姆齐技术发展公司的 XR2001 电子积分器皮带秤。XR2001 控制器包括现场安装型和面板安装型，

53、采用微处理器控制，处理称重传感器的重量信号和皮带速度信号，计算流动物料的流量和累积量，显示在仪表上，并提供远程脉冲计数输出。可外加通讯板使用 RS-232 或 RS-485 接口和上位机通讯。本项目里的皮带秤都是采用 RS-485 接口进行通讯，这是因为 420mA 信号无法提供累积量，而累积量是一个非常重要的数据。*03H66H*00H*03H* * * XR2001 电子皮带秤有自己的通讯协议格式，仪表的通讯波特率为（9600，n，8，2），主站（PLC，PC）查询从站（XR2001）的功能码为 03H，主站发送格式为： 地址功能码数据地址 H数据地址 L寄存器数量 H寄存器数量 LCRC

54、16 LOCRC16 HI从站响应格式为：地址功能码字节数量数据 MSB数据 LSB其中，数据地址 L 为 40H 时，为读仪表数据。寄存器数量 L 应为 1AH。数据地址 L 为 5AH 时，为读仪表显示。寄存器数量应为 40H。仪表发送 64 字节数据。当XR2001 返回了数据时，可根据各个字节的数据进行计算，得出相应的瞬时流量和累积量。本系统里，各个皮带秤的数据都是通过 RS485 接口传给了对应车间的 PLC 控制柜，然后在 PLC 里进行运算，得出 10 进制的流量和累积量，再送给综控室的数据服务器，显示在组态画面上，方便值班员和厂方直观了解生产情况。4.4 化验报告数据采集在铁选

55、厂里，各个环节的矿石成分数据对于控制生产是一个十分重要的参数。特别是原矿和精矿的品位，会直接影响到公司的经济效益，也是一个铁选厂生产能力的重要指标之一。所以，我们要实时地采集各个环节矿石的成分数据，送到总控室的数据服务器，显示在组态画面上。化验报告数据全部都要存入数据库，需要查询时也要能立即调档出来。由于深坑选厂的化验部门是一个独立的部门，离总控室也比较远，所以我们采取了网上远程录入的方式，这就要求化验室和总控室都要有配套的软件来实现这个过程。对此，本系统里自行开发了一个化验数据录入软件 ADOAnalyst，此录入软件与组态王数据池驱动程序 DataPoolSvc 之间采用 UDP 协议上的

56、 MODBUS 协议进行，支持 04 号功能（读输入寄存器）。本软件无需安装即可立即运行，运行本软件之前需要安装 Oracle 10G 数据库客户端软件，其中必须的组件是 Oracle OleDB Provider。本软件运行后的界面如图 3.5 所示：图 3.5 化验录入软件界面本软件的一些基本功能都在界面上标注出来了，可以增加、删除、修改记录，也可以按照时间段来进行查询。软件中的表单样式是根据选厂的具体情况定下的化验员只需要按照要求填好数据，最后点击提交，数据就会存入数据库，并且传给总控室的数据服务器，组态王软件也会进行相应的处理，展现在组态画面上。化验数据采集程序 ADOAnalyst

57、使用 ADO 连接组态系统的 ORACLR 数据库，每当它启动时，就会自动读取程序的一个配置文件，和上层组态系统的数据库进行连接。软件主界面上的所有变量都指向不同的数据源，每个不同的功能键会作出不同的处理，都会进入数据库作出相应的操作。最终，表中所有的都是通过 Modbus发送到上层的数据池中，然后进入组态系统和数据库。4.5 本章小结本章首先介绍了监控系统的设计原则，然后结合选矿厂实际提出了总体设计方案。并详细阐述了监控系统中的数据采集环节的各个部分的采集过程，包括设备启停信号、设备电压电流、轴温、料仓高度等等。各个部分将数据采集上来之后，一般都是通过以太网上传给组态系统，只有少量数据需要在

58、 PLC 里进行初步的处理，如水流量和水压，需要将 420mA 的电流信号换算成实际值再进行上传。数据采集系统是整个监控系统的眼睛和耳朵，以太网就是传导数据的神经，组态系统则是一个大脑。数据采集的质量直接影响到最后的监控系统质量和决策的正确性。所以本系统里所有的传感器都是经过仔细测试和校正的，保证采集的原始数据的尽量实时准确。5 组态设计5.1 软件设计总体结构本系统里，我们采用的组态软件是北京亚控公司的组态王 KingView6.53， KingView 是亚控公司推出的第一款针对中小型项目推出的用于监视与控制自动化设备和过程的 SCADA 产品。自其问世以来，以其易学易用、功能齐全、物美价

59、廉的优势畅销不衰。其主要亮点有：可视化操作界面自动建立 I/O 点分布式存储报警和历史数据设备集成能力强，几乎能连接所有的设备和系统组态王虽然有这么多优点，但是当采用多组态终端时，组态王会花大量的时间对设备进行访问，所以我们为了避免这种情况，有必要在组态王和设备之间建立一个数据缓冲池，使得组态王能够以较少的时间来获取数据，而集中于状态处理。建立一个数据缓冲池还可以使得开发者能够灵活地连接不同的设备，对所采集的数据进行集中管理。对于大型的数据采集与监控系统，数据缓冲池方案提供了一种结构上分层清晰的集散式系统模式。按照第 4 章的数据采集方案，所有的数据经过各个传感器和采集设备采集后，都会经由以太

60、网或者传给总控室的中心交换机内的数据缓冲池内，然后中心交换机再传给数据服务器，进行下一步的处理。组态软件并不是直接和设备相连接的，而是采取了一个数据缓冲池来暂存数据，使得整个系统的前端和后端隔离开来。第 4 章已经介绍过了，数据采集方案所采集的几类数据，最终都是由 PLC、综保工控机和化验主机传给数据池的。PLC 的数据首先是传给一个 MT4300 的一个人机界面，然后通过以太网传给数据池。其中，PLC 和数据池之间是 TCP 协议传输；综保工控机和数据池之间是 UDP 协议传输；化验主机和数据池之间是自定义的一种被动模式，数据池程序并不会主动地去询问化验数据，而是由化验主机主动地向数据池来传

61、送数据。数据缓冲池中的所有数据都会上传给数据库和组态王，当组态王需要调用历史数据时，也会访问数据库。5.2 软件开发流程本系统的开发周期和选矿厂的建设周期几乎是同步的，而一般情况下，监控系统软件设计必须是建立在设备的实际数据支持上的，但是在本系统的软件开发过程中，采用了如 5.1 节所介绍的数据池，那么可以前期就进行组态仿真运行。下面介绍本系统软件的开发流程：（1）组态画面布局设计对于组态软件来讲，画面的布局设计是一个很重要的工作。在选矿厂实际设备还没投入生产运行的情况下，我们可以先根据设备的实际外观来作出所有的工艺画面。参照厂方所提供的设计图，做好组态画面的总体布局，按照要求设计若干工艺系统

62、图，电力系统图，严格遵守工艺流程和实际情况。所有的主要设备都必须反映在画面上，边上还得附上该设备的运行数据。工艺过程也要实现动画效果，皮带和水池等画面要有动画连接。组态系统里，对所有采集的数据都要定义相应的组态变量，与 DataPool 数据池服务程序中的变量要做到一一对应。（2）虚拟仿真所有的画面以及数据变量设计好了之后，在运行有 DataPoolSvc 和 DataPoolDrv程序的情况下，就可以进行画面的仿真测试。点击 DataPoolSvc 主界面上的 simulator键即可进入仿真模式，面对的量分为数字量和模拟量两大类。不论是数字量还是模拟量，仿真前都必须要了解 DataPool

63、Svc 程序里各个变量所对应的实际数据是哪个点的数据。对于数字量来讲，仿真手段就是手动在 DataPoolSvc 程序里对其进行手动的量置零时，那么对于的设备应该处于停止状态，反之，则应该处于运行状态。对于模拟量来讲，仿真手段就是手动赋值，这个值不能超出了变量的值域。给模拟量赋值后，运行画面上对应的设备数据应该有正确的值，否则就是组态编辑过程中的数据处理可能出了问题。这样进行一系列仿真之后，就可以逐步检查出前期设计中的一些错误，也可以从动画效果立直观观察组态画面设计的是否合理，是否做出修改。（3）实际测试与修正当选矿厂的设备都正式投入运行之后，数据池中采集的数据就会是真实的现场数据，这种环境就

64、和仿真不一样了，软件就必须进行实际测试。运行数据池服务程序之后，组态王就会通过驱动程序来不断获得下层设备的数据，运行画面应该会是一个持续动态的画面。对照下层的实际数据，观察组态画面上的现实数据，不但可以查找出组态系统的问题，还可以间接的查找出数据池设计甚至是通信方案中的问题。还有，随着选矿厂的正式运行，一些流程和设备可能会根据情况作出一些调整，或者是厂方提出了新的设计需求，组态画面也就必须相应的作出修改。经过以上的三个步骤，特别是测试修正阶段要不断的循环，就可以获得最终比较满意的组态效果。5.3 数据缓冲池5.3.1 数据缓冲池设计DataPool 数据池是本系统里自定义的一个数据缓冲区，它既需要负责和下层通信，来从下层取得数据，也要负责向组态王提供数据。其中，数据池和下层设备之间的通信我们采用了一个 DataPool 服务程序，这个程序和下层各个设备之间都是通过 Modbus 协议通信的，采取请求应答模式。DataPool 服务程序内设置了一个定时器，会定时地向下面的各个设备询问读取数据，还