基于CJ2M PLC的磨礦設備IoT-DCS自動化系統的設計

楊 帆，李 博，劉 水

1西北工業大學倫敦瑪麗女王大學工程學院 陜西西安 710072

2西安捷達測控有限公司 陜西西安 710199

某礦山企業的磨礦設備控制通?？恐蛋嗳藛T手動操作或通過儀器儀表、工控機輔助調節。這種控制方式的缺點是操作人員勞動強度大、滯后性強、穩定性差，而且受主觀因素的影響，經常出現磨礦生產的多個環節 (如稱重、給料、加球、加水等) 不能高效配合，導致磨礦產能與效率低下，以及溢流細度合格率差等狀況[1]。另外，由于傳統的磨礦車間環境比較惡劣，磨礦設備產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的技術特點

可編程控制器 (PLC) 在化工、機械、建筑及環保等行業設備電氣控制方面得到了廣泛的應用，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、串口或者網絡通信等功能。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，它將現代的微電子精確控制技術、計算機復雜算法分析技術和以太網高速通信技術融為一體，具有適應性廣、穩定性高、壽命長以及易于擴展等優點。由于磨礦設備的工作環境惡劣，干擾源眾多，如球磨機、分級機等大功率用電設備的啟動或停止，易引起電網電壓的波動，形成低頻干擾，如果用傳統的儀器儀表或者計算機直接控制，會使系統經常受到嚴重干擾而不能正常地運行[2]。而 CJ2M PLC 在設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，是理想的磨礦設備控制裝置。

分散控制系統 (DCS) 采用分散控制、集中管理、本地自治的基本設計思想，是傳統工業自動化的主要形式，其最大優點是可以本地自治閉環調節，不受外界干擾[3]。

物聯網 (Internet of Things，IoT) 是萬物互聯的網絡，其基本宏觀架構由感知層、網絡層和應用層組成。IoT 通過在感知層給被測對象布置傳感器進行實時測量，將獲取的數據進行算法控制并作用于目標對象，然后通過網絡層發送到應用層進行顯示、存儲、分析或者加工利用。

充分結合 DCS 技術與 IoT 技術設計開發的 IoTDCS自動化系統，可以發揮 DCS的強自治性、IoT的廣互聯性，實現磨礦設備本地自主自動智能調節，出現故障時可遠程高效實時進行診斷干預，從而極大地降低了操作人員的勞動強度，提高了磨礦設備的產品質量與產量。

2 IoT-DCS自動化系統結構設計

通過調研大部分礦山企業用戶的自動化控制需求，遵循低成本、安全可靠的原則，結合 PLC、DCS、IoT的技術特點，設計出基于礦山企業局域網(LAN)的磨礦設備 IoT-DCS自動化系統。該系統從下至上分為 4 層，即感知執行層、控制匯聚層、網絡傳輸層和操作應用層，其硬件結構如圖 1 所示。

圖1 磨礦設備 IoT-DCS自動化系統硬件結構Fig.1 Hardware structure of IoT-DCS automation system for grinding equipment

其中感知執行層、控制匯聚層構成基本的 DCS自治系統，體現分散管理、集中控制的思想，所有的4 層架構構成一個完整的物聯網系統。

2.1 感知執行層

感知執行層位于整個物聯網系統的最下層，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、加球控制器及開關控制器，它們的功能與接口信號如表 1所列。

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

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

2.2 控制匯聚層

控制匯聚層為本系統的核心，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備的開關狀態信號與模擬量輸入信號，并根據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，滿足球磨機的產量要求。另外通過 PID 算法動態控制球磨機的進水量，使礦漿質量分數與溢流質量分數符合產品質量要求[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，其功能等于傳統物聯網的協調器。它還可以通過其通信接口 (如 RS232/RS485/RJ45) 連接到上層，考慮到本物聯網系統具備遠程測量與控制功能，通信接口限定為 RJ45 以太網，支持 TCP 協議的網絡接口。

2.3 網絡傳輸層

網絡傳輸層用于連接控制匯聚層和操作應用層，它可以由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網等組成，相當于人的神經中樞系統，負責將終端設備的請求數據或者命令，安全可靠地傳輸到控制匯聚層，并將反饋數據或者執行結果重新返回到操作應用層[5]。

考慮到磨礦設備運行時常出現大電流、大功率的狀況，設備的啟停誤動作會威脅到現場維修人員的生命安全，一旦受到外網攻擊會產生很大的風險。因此本系統只考慮在企業內部局域網 (LAN) 環境下運行，它可以是有線以太網或者無線 WiFi。

構建該系統的時候，可以在磨礦設備本地操作室安裝交換機/路由器，使其接入企業內部局域網。由于LAN 具有高速可靠網絡傳輸的特性，使得遠程操作指令下發到 PLC 沒有任何延遲，具備較高的實時性。

2.4 操作應用層

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

如果網絡出現故障，操作應用層處于失聯狀態，但整個系統仍可以正常工作，感知執行層與控制匯聚層構成的 DCS 單元可以本地自治穩定工作。

3 IoT-DCS自動化系統軟件設計

物聯網系統硬件結構除了感知執行層采用標準成熟的電子傳感器或者執行器件外，控制匯聚層和操作應用層需要設計對應的軟件。

3.1 控制匯聚層軟件設計

控制匯聚層主要是 CJ2M PLC 程序的設計與開發，它的集成開發環境為 CX-Programmer V9.6，支持豐富的邏輯控制、算術運算、串口通信、網絡通信等指令，擁有強大的仿真技術。CJ2M PLC 程序的語法包含傳統的梯形圖 LAD 代碼以及類似現代 C 語言的 ST 代碼。

3.1.1 加球機控制程序設計

鋼球是球磨機的研磨介質，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為鋼球實時計數值，bSV為周期性補加球目標值。加球周期開始時將bPV清零，同時將加球狀態值設置為真；進球信號為加球機出口的光電掃描開關量輸入信號，當有球進入球磨機時，開關量立刻為 ON，bPV增加 1；然后判斷是否bPV≥bSV，若不滿足該條件，則繼續進入加球循環；如果條件滿足，則說明加球數量達到目標設定要求，此時將加球狀態值設置為假，從而完成加球周期。

3.1.2 電子秤與加水流量 PID 程序設計

PID 控制算法是結合比例、積分和微分 3 種環節于一體的控制算法，其算法數學表達式為

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

本系統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。為了達到合適的礦漿質量分數與溢流質量分數，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動態變化的函數；sv(t) 為用戶設定的理想控制目標值；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調整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計

磨礦工藝流程包含設備眾多，運行環境惡劣，常常因為設備老化或者電網負荷的異常變化引起某些設備故障。對于球磨機與分級機這種大功率、高耗能設備，用傳統的手段很難快速診斷故障，往往會因為時間拖延給生產造成很大損失，因此需要編寫故障診斷程序，快速查找問題所在。設計的磨礦設備故障診斷專家系統是一種智能 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、評價優化機構及故障提示處理機構。

當傳感器故障檢測器掃描到某一個設備狀態信息(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 保持數據 DM 區中的磨礦故障知識庫并進行比對。該知識庫由若干 IF-ELSE 規則組成，得到故障結論后立刻將故障信息反饋到最高層人機界面，并作出適當處理。系統的知識庫可以通過磨礦知識獲取接口輸入設備的故障范圍參數。每次故障處理完成后，通過評價優化機構再次監測發生故障的狀態信息是否恢復正常，如果未能解決，說明該知識規則失效，需要用戶調整，以確保知識庫及時更新。

3.1.4 設備手動與一鍵自動啟停程序設計

本系統所有設備，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，可通過開關按鈕手動控制其工作，還可以根據球磨工藝需要，按照設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，關閉時順序相反。還可以定義各個設備開關互鎖操作，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 操作應用層軟件設計

操作應用層是用戶操作磨礦設備的人機接口，根據物聯網終端設備的種類，需要開發不同的應用程序。本系統中包含 HMI 軟件、PC 桌面軟件、移動手機 APP。無論哪一種終端設備都需要直接或者間接通過 TCP/IP 協議連接到 CJ2M PLC 網絡接口。

由于HMI 廠家定制了特定的開發環境，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計與組態，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 選擇與硬件對應的 HMI 型號；③配置 HMI與 PLC 網絡通信參數 (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 編寫設備監控畫面。

操作應用層核心軟件為 PC 桌面軟件、移動手機APP，一般采用跨平臺開發工具設計，工作內容與編程過程比較相似，限于篇幅下面只對 PC 桌面軟件的設計與涉及的關鍵技術做主要介紹。

操作應用層 PC 桌面軟件設計成客戶端/服務器架構，可以將 CJ2M PLC 看成服務器，它提供傳感數據與執行命令，PC 桌面軟件窗口對應于客戶端程序設計，考慮到系統的安全性與設備管理的特殊性，操作應用層用戶群體只限于磨礦企業少數技術人員[7]。本系統的用戶與口令預置在 PLC的 DM 區中，無需注冊，遠程操作即可修改。

操作應用層 PC 桌面軟件設計流程如圖 3 所示，主要包含的模塊功能如下。

圖3 操作應用層 PC 桌面軟件設計模塊Fig.3 Design module of desktop software of operation application layer

(1) 磨礦用戶登錄模塊 需要 PLC 授權的合法用戶才可以遠程訪問控制本物聯網系統。

(2) PC 桌面軟件任務調度模塊 是上位機軟件的主要循環調度模塊，它通過后臺通信事件，或者用戶操作其他模塊事件驅動執行，套接字 (Socket) 通信為最高優先級事件。

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

(4) 磨礦工藝畫面模塊 為本系統最重要的人機畫面模塊，它將磨礦設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備實時狀態和運行數據。

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

(6) 趨勢曲線顯示模塊 將采集到的磨礦設備傳感器數據以動態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) 磨礦控制參數模塊 技術人員可以遠程查看并設置磨礦設備故障的上下限閾值或者電子秤、加水量控制 PID 參數。

4 實際應用

運用筆者提出的物聯網分層開發理論，為國內某鉛鋅選礦廠成功設計并實施了基于Omron 公司 CJ2M PLC的磨礦設備 IoT-DCS自動化系統。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 圓盤給料機等設備。整個物聯網系統包含了控制匯聚層 PLC程序，操作應用層 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

磨礦設備在實施本系統之前為傳統的人工手動控制方式，技術改造后采用 IoT-DCS 方式，改造前后技術指標對比如表 3 所列。

表3 磨礦設備實施本系統前后技術指標對比Tab.3 Comparison of technical indexes before and after application of system to grinding equipment

從表 3 可以看出，本系統提高了礦石處理能力，且磨礦產品的溢流質量分數也得到了提高，為企業帶來了較好的經濟效益。

5 結語

本系統采用物聯網分層理論，既能體現 PLC的穩定性與可靠性，又發揮了 DCS 集中控制的自治優越性，同時又能體現物聯網遠程診斷操作的方便性。根據用戶一年多的實際運行效果反饋，該系統運行穩定、可靠，改善了工人的工作環境，降低了工人勞動強度，可以快速自動診斷故障，報警后技術人員可遠程協助解決，大幅減少了磨礦設備的維護成本。IoTDCS 控制系統為其他礦山企業磨礦設備遠程穩定、安全、高效運行提供了較好的解決方案。