磨矿组态软件的设计与实现

王德燕，黄宋魏，童 雄

（1.昆明理工大学 城市学院，昆明 650051；2.昆明理工大学 国土资源工程学院，昆明 650093）

0 引言

磨矿监控系统是磨矿生产的一个重要组成部分，是保证磨矿生产安全、提高磨矿生产效率的有效工具。由于磨矿过程是复杂而又多变的生产系统，磨机在磨矿过程中参变数众多，问题错综复杂，因而对磨矿监控系统软件的要求特殊，一般的工控组态软件难以适用。所以有必要开发一种通用的磨矿监控系统软件——磨矿组态软件，使用户不需具备编写程序的能力，只要根据具体磨矿监控系统的要求，灵活配置、组合各功能模块，即可生成相应的磨矿监控系统软件。这样不仅极大地缩短了系统开发时间，而且有利于实现各种不同磨矿监控系统的高度综合与统一。

1 磨矿工业流程简介

选矿一般采用一段或两段磨矿，便可经济地把矿石磨至选矿所需要的任何粒度。两段以上的磨矿，通常是由进行阶段选别的要求决定的。目前，国内选矿行业磨矿过程基本采用两段闭路磨矿工艺流程，如图1所示。

图1 磨矿工艺流程图

对磨矿进行监控，其控制要求如下[1]：在一段磨机给矿皮带上配置称重仪WT，用于在线测量磨机给矿量Wo；在一段磨机入口、出口管路以及旋流器给矿管路上各配置一个流量计FT，用于在线测量一段磨机入口水量FM、螺旋分级机补加水量FF以及旋流器给矿流量FG；在分级机出口、旋流器入口管路分别配置一个密度计DT，用于在线测量分级机溢流浓度DF、旋流器给矿浓度DG；在旋流器入口管路配置一个压力计PT，用于在线测量旋流器给矿压力PG；在二段泵池配置一个液位计LT，用于在线测量二段泵池液位LE；在一段和二段磨机及分级机配置电流计ET，用于在线测量一段和二段磨机电流EM1、EM2以及分级机电流EF；在一段给料处和二段底流泵处配置变频器BP，用于调节一段给料机振动频率和二段底流泵泵速；另外有3个调节阀门，分别用于调节一段磨机人口加水、分级机补加水以及二段泵池补加水量。

2 系统总体结构

根据矿磨矿生产过程的特殊性及系统需求，以使用的工作阶段划分,磨矿组态软件由两大部分组成:编辑环境与运行环境。在编辑环境通过建立一系列用户数据文件，生成最终的磨矿过程图形组态监控应用系统。在运行环境下，磨矿过程图形组态监控应用系统被装入计算机内存并投入实时运行。按成员构成划分，包括六个功能模块：1)画面编辑模块；2）I/O设备驱动模块；3）报警设置模块；4）事件设置模块；5）实时数据库模块；6）WEB发布模块；7）磨矿流程计算模块。

1）画面编辑功能模块用于采用基本的线、矩形、圆角矩形、圆和椭圆等图形及图库文件方式可随意灵活布置磨矿监控画面。各个画面具有各种动画属性：如颜色、位置、尺寸、可见性和旋转等。 可按照y=f(x)轨迹自由设定图片运行轨迹或更改图形尺寸。

2）I/O设备驱动功能模块是磨矿组态软件与PLC、智能仪表等I/O设备相互通信、交换数据的桥梁。设备驱动程序直接负责从磨矿监控设备采集实时数据并将操作命令下达给设备，驱动程序的执行效率与稳定性将直接影响到磨矿组态软件的实时性能与可靠性[2]；

3）报警设置模块用户可指定报警数据项，该项数据的报警发生时，能在报警控件中自动显示声、光等信息。

4）事件设置模块用户指定事件发生时的事件动作，如播放声音，打开画面，执行*.exe可执行程序等。

5）实时数据库用于用户指定数据存储方式，可按定时、报警或事件存储方式存入access数据库。

6）WEB发布应用Web技术实现磨矿过程的远程监测。

7）磨矿流程计算模块用于计算磨矿过程中的控制量，可输入已知数据，计算出控制量的值。

上述功能模块以实时数据库为内在连接桥梁。因此磨矿组态软件在总体上由画面编辑、设备管理、报警设置、事件设置和数据库五大部分组成，系统总体结构如图2所示。

图2 磨矿组态软件系统总体结构

3 磨矿组态软件实现的关键技术

采用Visual C++ 编程语言开发磨矿组态软件的各功能模块。将磨矿组态软件划分为两大操作对象类：系统编辑对象类和系统运行对象类。其中系统编辑对象类包括对磨矿过程实际应用系统的监测量进行各种功能处理的对象类，如曲线、报表和报警等；系统运行对象类是指在实际应用系统的实时运行平台上所进行的操作对象。这些对象的集合组成磨矿组态软件的完整程序，构成其系统总体结构中的各个相互独立的功能模块。下面就系统各个模块的主要软件实现技术加以介绍。

3.1 图形界面系统

图形界面系统就是图形显示，图形绘制、报警、曲线，报表等,即工况模拟动画。在工控组态软件中进行工程组态的第一步即是制作能反映实际生产的工况模拟动画, 生成最终的图形目标应用系统。目标应用系统包括图形的组合功能和图形的动画效果两个过程。图形的组合是指利用图形控件单元的组合，快速生成工况画面。一个监控画面由多个图元组成，图元可由用户使用基本图形绘制的到。在画面开发过程中，经常会用到如磨机、分级机等图符对象，这些对象其他组态软件都只能使用基本图元绘制，难度也较大，精度不够，很难达到用户要求的界面设计效果。为了满足界面设计的要求，同时使界面更美观，该磨矿组态软件借助于外部软件Photoshop辅助设计磨机、分级机等图库。Photoshop软件功能强大，可以设计出符合实际工程要求的图形，为磨矿组态软件提供磨矿设备图库图形。常用的磨矿设备图符可从磨矿组态软件提供的图库中获得，也可以由用户使用基本图形绘制后组合而成。

图形的动画效果主要是通过图元位置、大小、颜色等的动态变化来实现的。所谓动态变化主要是根据用户设定的条件来实现图元动态效果，这些条件一般都是与系统变量相关，包括由系统变量组成的计算公式，或者是一段包含系统变量的脚本。

图形界面系统的设计还包括报警组态及输出、报表组态及打印、历史数据显示与检索等功能。各种报警、报表和历史数据源都可以通过组态作为动画链接的对象。

3.2 实时数据库系统

实时数据库是磨矿组态软件的核心,是处理和存储实时数据的数据库。执行预定的各种数据计算、数据处理任务以及历史数据的查询、检索、报警的管理等。实时数据库及时、准确地获取现场数据是整个监控系统正常工作的基本前提。同时实时数据库也是连接图形界面系统、报表系统、报警系统、事件处理系统的桥梁和纽带。在系统运行过程中，各个部件独立地向实时数据库输入和输出数据，通过实时数据库交换数据，形成相互关联的整体。由于实时数据库的核心问题在于事物处理既要确保数据的及时性，又要保证事物的准确性，因此实时数据库系统结构的规划和管理系统具体的实现方法是设计磨矿组态软件的核心和难点，直接关系到监控系统的稳定性与可靠性。实时数据库系统的设计要求可靠、精简。

3.3 设备管理系统

设备管理系统是磨矿组态软件必不可少的组成部分，用于和I/O设备通讯，互相交换数据，实现磨矿组态软件与仪器设备进行数据交换。磨矿组态软件通过设备驱动程序与I/O设备进行数据交换，包括从下位机采集数据和发送来自上位机的设备指令。驱动由两部分组成，第一部分就是接口，另外一部分就是协议，接口对于组态软件的生存平台PC来说，接口其实就是USB，TCP/IP（wifi）和板卡等，因为设备厂商多，协议也就比较多， 如 modbusrtu/asci/tcp，profibus，opc，s7等。本组态软件设备驱动程序主要有以下六种：OPC驱动，支持注册表通用OPC服务器数据读写规范，同时为了图形的动画显示效果，加入了虚拟设备驱动；PLC驱动，PLC可作为磨矿系统下位机，配以称重仪、密度计等检测仪表和执行仪表，负责磨矿数据采集和控制；串口驱动，串行接口是测控设备所采用的最常见的一种通信接口；以太网驱动，可支持多个IP地址的同时连接通信；虚拟设备驱动：有多种虚拟数据源可选，如sin曲线，x^2曲线，循环变化，闪烁变化等，初值和终值及变化时间参数可自由设定；复合设备驱动：该驱动用来完成复杂数学表达式的逻辑运算，可以把虚拟驱动及OPC驱动，串口驱动的数据进行数学逻辑运算，包括加减乘除，求余，取反和各种三角函数运算，达到数据转化的目的，同时支持大于><=等逻辑操作。这些变化在复合变量中非常有用，可以用于报警和事件触发。

3.4 控制系统

控制系统是整个磨矿组态软件设计的核心内容。控制策略由一些基本的功能模块组成，一个功能模块代表一种操作、算法或者变量。功能模块是策略的基本执行原素。控制策略构件由一些基本的功能模块组成，一个功能模块代表一个操作、一种算法或一个变量。在很多工控组态软件中，控制策略是通过动态创建功能模块类的对象实现的[3]。功能模块是策略的基本执行元素，一个功能模块可以被反复调用，控制策略之间也可以相互调用。控制策略以功能模块的形式来完成预定的各种数据计算、数据处理、与实时数据库的数据交换和现场监控设备的控制等功能。在设计各控制策略构件的时候，把对数据的操作和处理等封装在控制策略构件内部，提供给用户的只是控制策略构件的属性和操作方法。用户只需在控制策略构件的属性中正确设置其属性值和选定操作方法即可。

3.5 WEB发布系统

近年来厂级化管理越来越流行，web发布系统，可以让用户利用普通PC的IE浏览器就可以看到工控组态软件的图形界面系统和实时数据。磨矿组态软件的web发布是通过activeX方式，就是封装一个图形浏览的exe文件在com组件中，当用户使用ie进行浏览时会提示安装一个插件，这个exe文件就安装在用户的pc上，通过IE浏览器调用exe，就可以看到磨矿的组态界面，它的优点是速度快，缺点是必须开用户指定端口,一旦遇到路由器就不能看到。

3.6 磨矿流程计算系统

磨矿过程中的检测量主要有磨机给矿量、给水量、旋流器给矿量、返砂流量、返砂浓度、分级机补加水量、溢流浓度、泵池液位、磨机内浓度等变量；控制量主要为磨机给矿量、给水量，泵池内浓度、液位；设定值为给矿量和磨机内浓度。磨矿过程中需严格控制磨机给水量、分级机补加水量、泵池补加水量等控制量，磨矿生产率才能达到最高。各控制量根据生产工艺物料平衡方程可计算确定，如磨机给水量的计算如下：

式中:W1为磨机给水量，L/s；Q1为磨机给矿量，kg/s；Q2为返砂量，kg/s；P1为磨机给矿浓度；P3为磨机要求的浓度；P2为返砂浓度。

式中:W1为磨机给水量，L/s；Q1为磨机给矿矿浆量，kg/s；Q2为返砂矿浆量，kg/s；P1为磨机给矿浓度；P3为磨机要求的浓度；P2为返砂浓度。

图3 磨机给水量计算

磨矿组态软件根据生产工艺物料平衡方程，推导出各控制量计算公式，将各控制量的计算公式独立组态成一个功能模块，不同的控制量只需选择相应的计算，输入已知数据，即可计算出控制量的值，如磨机的给水量计算如图3所示。

4 结束语

本文根据组态软件的原理提出了磨矿组态软件中最具普遍意义的功能模块的设计方法。 磨矿组态软件不仅为磨矿监控系统提供了一套通用的无需用户编程的软件生成工具，而且具有操作简单、组态灵活、界面美观、功能全面等优点。

[1] 赵大勇, 岳恒, 周平, 等. 基于智能优化控制的磨矿过程综合自动化系统[J]. 山东大学学报(工学版), 2005. 35(3):119, 124.

[2] 马国华. 监控组态软件及其应用[M]. 清华大学出版社,2001.

[3] 鹿玲杰, 田燕燕等. 组态软件的设计与实现方法[J]. 大庆石油学院学报, 2001, (1).

[4] 李启衡. 碎矿与磨矿[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1983.