磨礦組態軟件的設計與實現

王德燕，黃宋魏，童 雄

（1.昆明理工大學 城市學院，昆明 650051；2.昆明理工大學 國土資源工程學院，昆明 650093）

0 引言

磨礦監控系統是磨礦生產的一個重要組成部分，是保證磨礦生產安全、提高磨礦生產效率的有效工具。由于磨礦過程是復雜而又多變的生產系統，磨機在磨礦過程中參變數眾多，問題錯綜復雜，因而對磨礦監控系統軟件的要求特殊，一般的工控組態軟件難以適用。所以有必要開發一種通用的磨礦監控系統軟件——磨礦組態軟件，使用戶不需具備編寫程序的能力，只要根據具體磨礦監控系統的要求，靈活配置、組合各功能模塊，即可生成相應的磨礦監控系統軟件。這樣不僅極大地縮短了系統開發時間，而且有利于實現各種不同磨礦監控系統的高度綜合與統一。

1 磨礦工業流程簡介

選礦一般采用一段或兩段磨礦，便可經濟地把礦石磨至選礦所需要的任何粒度。兩段以上的磨礦，通常是由進行階段選別的要求決定的。目前，國內選礦行業磨礦過程基本采用兩段閉路磨礦工藝流程，如圖1所示。

圖1 磨礦工藝流程圖

對磨礦進行監控，其控制要求如下[1]：在一段磨機給礦皮帶上配置稱重儀WT，用于在線測量磨機給礦量Wo；在一段磨機入口、出口管路以及旋流器給礦管路上各配置一個流量計FT，用于在線測量一段磨機入口水量FM、螺旋分級機補加水量FF以及旋流器給礦流量FG；在分級機出口、旋流器入口管路分別配置一個密度計DT，用于在線測量分級機溢流濃度DF、旋流器給礦濃度DG；在旋流器入口管路配置一個壓力計PT，用于在線測量旋流器給礦壓力PG；在二段泵池配置一個液位計LT，用于在線測量二段泵池液位LE；在一段和二段磨機及分級機配置電流計ET，用于在線測量一段和二段磨機電流EM1、EM2以及分級機電流EF；在一段給料處和二段底流泵處配置變頻器BP，用于調節一段給料機振動頻率和二段底流泵泵速；另外有3個調節閥門，分別用于調節一段磨機人口加水、分級機補加水以及二段泵池補加水量。

2 系統總體結構

根據礦磨礦生產過程的特殊性及系統需求，以使用的工作階段劃分,磨礦組態軟件由兩大部分組成:編輯環境與運行環境。在編輯環境通過建立一系列用戶數據文件，生成最終的磨礦過程圖形組態監控應用系統。在運行環境下，磨礦過程圖形組態監控應用系統被裝入計算機內存并投入實時運行。按成員構成劃分，包括六個功能模塊：1)畫面編輯模塊；2）I/O設備驅動模塊；3）報警設置模塊；4）事件設置模塊；5）實時數據庫模塊；6）WEB發布模塊；7）磨礦流程計算模塊。

1）畫面編輯功能模塊用于采用基本的線、矩形、圓角矩形、圓和橢圓等圖形及圖庫文件方式可隨意靈活布置磨礦監控畫面。各個畫面具有各種動畫屬性：如顏色、位置、尺寸、可見性和旋轉等。 可按照y=f(x)軌跡自由設定圖片運行軌跡或更改圖形尺寸。

2）I/O設備驅動功能模塊是磨礦組態軟件與PLC、智能儀表等I/O設備相互通信、交換數據的橋梁。設備驅動程序直接負責從磨礦監控設備采集實時數據并將操作命令下達給設備，驅動程序的執行效率與穩定性將直接影響到磨礦組態軟件的實時性能與可靠性[2]；

3）報警設置模塊用戶可指定報警數據項，該項數據的報警發生時，能在報警控件中自動顯示聲、光等信息。

4）事件設置模塊用戶指定事件發生時的事件動作，如播放聲音，打開畫面，執行*.exe可執行程序等。

5）實時數據庫用于用戶指定數據存儲方式，可按定時、報警或事件存儲方式存入access數據庫。

6）WEB發布應用Web技術實現磨礦過程的遠程監測。

7）磨礦流程計算模塊用于計算磨礦過程中的控制量，可輸入已知數據，計算出控制量的值。

上述功能模塊以實時數據庫為內在連接橋梁。因此磨礦組態軟件在總體上由畫面編輯、設備管理、報警設置、事件設置和數據庫五大部分組成，系統總體結構如圖2所示。

圖2 磨礦組態軟件系統總體結構

3 磨礦組態軟件實現的關鍵技術

采用Visual C++ 編程語言開發磨礦組態軟件的各功能模塊。將磨礦組態軟件劃分為兩大操作對象類：系統編輯對象類和系統運行對象類。其中系統編輯對象類包括對磨礦過程實際應用系統的監測量進行各種功能處理的對象類，如曲線、報表和報警等；系統運行對象類是指在實際應用系統的實時運行平臺上所進行的操作對象。這些對象的集合組成磨礦組態軟件的完整程序，構成其系統總體結構中的各個相互獨立的功能模塊。下面就系統各個模塊的主要軟件實現技術加以介紹。

3.1 圖形界面系統

圖形界面系統就是圖形顯示，圖形繪制、報警、曲線，報表等,即工況模擬動畫。在工控組態軟件中進行工程組態的第一步即是制作能反映實際生產的工況模擬動畫, 生成最終的圖形目標應用系統。目標應用系統包括圖形的組合功能和圖形的動畫效果兩個過程。圖形的組合是指利用圖形控件單元的組合，快速生成工況畫面。一個監控畫面由多個圖元組成，圖元可由用戶使用基本圖形繪制的到。在畫面開發過程中，經常會用到如磨機、分級機等圖符對象，這些對象其他組態軟件都只能使用基本圖元繪制，難度也較大，精度不夠，很難達到用戶要求的界面設計效果。為了滿足界面設計的要求，同時使界面更美觀，該磨礦組態軟件借助于外部軟件Photoshop輔助設計磨機、分級機等圖庫。Photoshop軟件功能強大，可以設計出符合實際工程要求的圖形，為磨礦組態軟件提供磨礦設備圖庫圖形。常用的磨礦設備圖符可從磨礦組態軟件提供的圖庫中獲得，也可以由用戶使用基本圖形繪制后組合而成。

圖形的動畫效果主要是通過圖元位置、大小、顏色等的動態變化來實現的。所謂動態變化主要是根據用戶設定的條件來實現圖元動態效果，這些條件一般都是與系統變量相關，包括由系統變量組成的計算公式，或者是一段包含系統變量的腳本。

圖形界面系統的設計還包括報警組態及輸出、報表組態及打印、歷史數據顯示與檢索等功能。各種報警、報表和歷史數據源都可以通過組態作為動畫鏈接的對象。

3.2 實時數據庫系統

實時數據庫是磨礦組態軟件的核心,是處理和存儲實時數據的數據庫。執行預定的各種數據計算、數據處理任務以及歷史數據的查詢、檢索、報警的管理等。實時數據庫及時、準確地獲取現場數據是整個監控系統正常工作的基本前提。同時實時數據庫也是連接圖形界面系統、報表系統、報警系統、事件處理系統的橋梁和紐帶。在系統運行過程中，各個部件獨立地向實時數據庫輸入和輸出數據，通過實時數據庫交換數據，形成相互關聯的整體。由于實時數據庫的核心問題在于事物處理既要確保數據的及時性，又要保證事物的準確性，因此實時數據庫系統結構的規劃和管理系統具體的實現方法是設計磨礦組態軟件的核心和難點，直接關系到監控系統的穩定性與可靠性。實時數據庫系統的設計要求可靠、精簡。

3.3 設備管理系統

設備管理系統是磨礦組態軟件必不可少的組成部分，用于和I/O設備通訊，互相交換數據，實現磨礦組態軟件與儀器設備進行數據交換。磨礦組態軟件通過設備驅動程序與I/O設備進行數據交換，包括從下位機采集數據和發送來自上位機的設備指令。驅動由兩部分組成，第一部分就是接口，另外一部分就是協議，接口對于組態軟件的生存平臺PC來說，接口其實就是USB，TCP/IP（wifi）和板卡等，因為設備廠商多，協議也就比較多， 如 modbusrtu/asci/tcp，profibus，opc，s7等。本組態軟件設備驅動程序主要有以下六種：OPC驅動，支持注冊表通用OPC服務器數據讀寫規范，同時為了圖形的動畫顯示效果，加入了虛擬設備驅動；PLC驅動，PLC可作為磨礦系統下位機，配以稱重儀、密度計等檢測儀表和執行儀表，負責磨礦數據采集和控制；串口驅動，串行接口是測控設備所采用的最常見的一種通信接口；以太網驅動，可支持多個IP地址的同時連接通信；虛擬設備驅動：有多種虛擬數據源可選，如sin曲線，x^2曲線，循環變化，閃爍變化等，初值和終值及變化時間參數可自由設定；復合設備驅動：該驅動用來完成復雜數學表達式的邏輯運算，可以把虛擬驅動及OPC驅動，串口驅動的數據進行數學邏輯運算，包括加減乘除，求余，取反和各種三角函數運算，達到數據轉化的目的，同時支持大于><=等邏輯操作。這些變化在復合變量中非常有用，可以用于報警和事件觸發。

3.4 控制系統

控制系統是整個磨礦組態軟件設計的核心內容?？刂撇呗杂梢恍┗镜墓δ苣K組成，一個功能模塊代表一種操作、算法或者變量。功能模塊是策略的基本執行原素?？刂撇呗詷嫾梢恍┗镜墓δ苣K組成，一個功能模塊代表一個操作、一種算法或一個變量。在很多工控組態軟件中，控制策略是通過動態創建功能模塊類的對象實現的[3]。功能模塊是策略的基本執行元素，一個功能模塊可以被反復調用，控制策略之間也可以相互調用?？刂撇呗砸怨δ苣K的形式來完成預定的各種數據計算、數據處理、與實時數據庫的數據交換和現場監控設備的控制等功能。在設計各控制策略構件的時候，把對數據的操作和處理等封裝在控制策略構件內部，提供給用戶的只是控制策略構件的屬性和操作方法。用戶只需在控制策略構件的屬性中正確設置其屬性值和選定操作方法即可。

3.5 WEB發布系統

近年來廠級化管理越來越流行，web發布系統，可以讓用戶利用普通PC的IE瀏覽器就可以看到工控組態軟件的圖形界面系統和實時數據。磨礦組態軟件的web發布是通過activeX方式，就是封裝一個圖形瀏覽的exe文件在com組件中，當用戶使用ie進行瀏覽時會提示安裝一個插件，這個exe文件就安裝在用戶的pc上，通過IE瀏覽器調用exe，就可以看到磨礦的組態界面，它的優點是速度快，缺點是必須開用戶指定端口,一旦遇到路由器就不能看到。

3.6 磨礦流程計算系統

磨礦過程中的檢測量主要有磨機給礦量、給水量、旋流器給礦量、返砂流量、返砂濃度、分級機補加水量、溢流濃度、泵池液位、磨機內濃度等變量；控制量主要為磨機給礦量、給水量，泵池內濃度、液位；設定值為給礦量和磨機內濃度。磨礦過程中需嚴格控制磨機給水量、分級機補加水量、泵池補加水量等控制量，磨礦生產率才能達到最高。各控制量根據生產工藝物料平衡方程可計算確定，如磨機給水量的計算如下：

式中:W1為磨機給水量，L/s；Q1為磨機給礦量，kg/s；Q2為返砂量，kg/s；P1為磨機給礦濃度；P3為磨機要求的濃度；P2為返砂濃度。

式中:W1為磨機給水量，L/s；Q1為磨機給礦礦漿量，kg/s；Q2為返砂礦漿量，kg/s；P1為磨機給礦濃度；P3為磨機要求的濃度；P2為返砂濃度。

圖3 磨機給水量計算

磨礦組態軟件根據生產工藝物料平衡方程，推導出各控制量計算公式，將各控制量的計算公式獨立組態成一個功能模塊，不同的控制量只需選擇相應的計算，輸入已知數據，即可計算出控制量的值，如磨機的給水量計算如圖3所示。

4 結束語

本文根據組態軟件的原理提出了磨礦組態軟件中最具普遍意義的功能模塊的設計方法。 磨礦組態軟件不僅為磨礦監控系統提供了一套通用的無需用戶編程的軟件生成工具，而且具有操作簡單、組態靈活、界面美觀、功能全面等優點。

[1] 趙大勇, 岳恒, 周平, 等. 基于智能優化控制的磨礦過程綜合自動化系統[J]. 山東大學學報(工學版), 2005. 35(3):119, 124.

[2] 馬國華. 監控組態軟件及其應用[M]. 清華大學出版社,2001.

[3] 鹿玲杰, 田燕燕等. 組態軟件的設計與實現方法[J]. 大慶石油學院學報, 2001, (1).

[4] 李啟衡. 碎礦與磨礦[M]. 北京: 冶金工業出版社, 1983.