基于C#的磨机监控系统设计

邓 展 王建民(华北理工大学电气工程学院，河北 唐山 063210 )

随着自动化技术的进步，自动化控制在工业领域得到了广泛的应用。工业生产中组态监控系统是典型的工业自动化系统，它是将计算机、仪器仪表、控制理论和其他信息技术进行综合应用的技术，可实现生产过程的监测、控制与管理，提高生产效率、产品质量与生产安全性，减少生产过程中原料与能源的消耗。目前工业领域应用较多的是由西门子公司开发的Wincc组态软件。Wincc内部嵌入了支持OPC的组件以及PLC的驱动软件[1]，这使得底层设备和上位机之间的数据传输更加简单方便，因此得到广泛应用。但是OPC接口技术是在网络下的协议，为了保证自动化网络不被企业网络的病毒所攻击，必须加网关和防火墙等设备，成本较高，需要较高的技术支持[2]。为了解决数据传输过程中的弊端，本研究根据选矿厂的实际情况，在用磨机控制柜控制现场设备的基础上，采用C#编程软件设计了磨矿系统人机交互的监控界面。C#设计的监控系统可以使用串行通信技术，直接与底层设备和管理计算机进行实时数据传输[3]。串行通信技术的数据传输只需要通讯线即可，成本低，自动化网络不会被企业网络的病毒所攻击，安全性高，克服了OPC接口技术的弊端。在磨矿自动控制系统中，用C#语言编写磨机智能控制算法，通过串行通信进行数据传输，可以实现对磨机的智能控制[4]。

1 选矿厂磨矿工艺流程

磨矿是原矿破碎的继续，是选别前的准备工作。磨矿的目的是使矿石中的有用矿物尽可能与脉石矿物分离，同时避免过磨现象的发生，为分选作业提供合适的粒度[5]。磨矿分级过程的工艺流程见图1。储存在矿仓内的破碎产品经调速皮带机(装有电子称)送至球磨机，在连续加水和定期加钢球状态下磨矿，磨矿产品排至螺旋分级机分级，粗粒级返回再磨，合格粒级(即分级机溢流)进入选别作业[6]。

图1 磨矿分级工艺流程Fig.1 Grind grading process flow diagram

2 磨机控制系统的工作原理

根据磨矿分级过程中磨机的运行特性和控制要求，采用串级控制方式对磨机的运行过程进行控制，磨机运行控制原理见图2。

3 磨机监控系统的功能与结构

为了满足生产需要，更方便地对磨机进行实时监控，本监控系统设计了7方面的功能：①记录并显示皮带给料机的实时给矿量，以便可及时调整给料量，使磨机稳定运行。②记录并显示实时给水量，关联流量和电磁阀门的开度信息，以便及时调整磨矿浓度。③实时显示磨机电流和磨机磨音数据，以便间接判断磨机负荷，消除不正常的运行状态。④显示矿石和水控制量，设置矿石和水检测量超上下限的自动报警功能，提醒操作人员在必要时配合自控系统对矿石量和水量进行调整。⑤将磨机矿量、水量、负荷及电流变化情况以曲线的形式显示出来，以便使数据变化更直观。⑥实现磨机运行数据检测系统与磨机控制柜和管理机的串行通信。⑦设计现场运行状态和运行数据的汇总功能，以便快速了解某个时段的生产情况。

图2 磨机运行控制结构Fig.2 Mill operation and control structure

磨机监控系统通过工业以太网连接，共分3个结构层，其中，生产管理层设在厂办公室，方便厂领导了解现场运行情况；监控操作层，操作人员在监控室实时监视和调整现场的运行情况。过程控制层，磨机控制柜与现场设备连接，接收操作层的指令，对现场设备进行控制，并且将采集到的设备数据在监控计算机上显示出来[7]，见图3。

4 磨机监控系统的设计

系统设计是在VS2010环境下研究开发的。根据生产需要，按各模块的功能进行设计，使用户可以方便、快捷地了解现场设备的运行情况，及时解决实际问题。

4.1 设备运行状态显示

现场设备的运行状态通过模拟的方式形象、生动地显示在监控界面上(图4)，以便操作人员更容易掌握现场运行状态。通过监控界面与现场设备间的通讯，可以实时获取给料机的控制量以及传输皮带的检测量，使操作人员可以实时掌握磨机给料量。还可以实时获取磨机的给水量和电流、磨机磨音的数据，方便操作人员实时判断磨机的负荷状态。

图3 磨机监控系统的结构Fig.3 Structure of monitoring system for mill

4.2 实时数据运行曲线

将获取的设备数据(主要是磨机矿量、水量、负荷及电流)通过曲线的方式呈现在监控界面上，以便操作人员更直观地掌握磨机的运行状况，及时进行参数调整。

由于现场数据每秒传输1次，数据量很大，难以准确表现磨机的运行状态，因此，在绘图时每10 s画1次运行曲线。

4.3 现场数据的实时显示

为了实时掌握现场设备的运行数据，需在监控界面上进行数据的实时显示，见图5。与在Wincc环境下设计的监控界面相比，C#环境下的监控界面无需来回切换[8]。

图5 实时数据显示Fig.5 Real time data display

4.4 控制方式设计

本监控系统共有停止、手动、自动、专家和优化5种控制方式。每种控制方式既可以通过通信传输来获取现场设备的控制模式，也可以在监控系统中进行点击操作来实时控制现场设备的运行状态。设计中，每种控制方式间可以进行实时切换，以达到提高磨机工作效率的目的。

(1)手动控制。让设备按恒定参数工作会影响磨矿效率，增大人工和物料成本。

(2)自动控制。参考现场生产数据，结合现场操作人员的经验，设定合适的给料量范围和给水量范围。矿物和水通过PID控制器进行控制、调整，防止过调节而造成磨机的不稳定。

(3)专家控制。由于磨机的控制具有非线性、纯滞后等特点，磨机负荷难以直接检测，传统的控制方式很容易造成系统的不稳定，因此设计了专家控制方式。结合现场操作人员的经验，分析现场运行数据，给出一般状况下磨机负荷控制的大小。通过设定磨机负荷的大小来间接设置给料量。通常磨机负荷的大小通过磨音的大小来表征，但是工作现场噪音干扰较大，单一靠磨音的变化来判断磨机负荷的大小准确性不高。因此，综合考虑了磨机电流的变化，综合这2个信号的变化能够较精确判断磨机负荷的变化。由于这种控制方式是通过直接设置磨机负荷大小来进行控制的，因此会出现“欠磨”和“饱磨”的状态，根据专家经验，“欠磨”时增加给料量，“饱磨”时减少给料量[9]，同时将“欠磨”和“饱磨”分别划分3个级别，重欠磨、中欠磨、轻欠磨、重饱磨、中饱磨、轻饱磨，不同的级别对应不同的给料量[10]。磨机负荷专家运行流程见图6。

(4)优化控制。前面实现了磨机负荷的自动控制，但是此时的负荷控制并不一定是最佳控制，为了提高磨机的工作效率和产量，设计了优化控制方式。磨机负荷与磨机功率之间存在极值关系(图7)，因此，可以通过自寻优方式来寻找负荷最佳点。

寻优的目的就是，不论当前的工作点在最佳工作点的左侧还是右侧，最终都需要让其工作在B点附近。若当前工作点在b点，而下一刻运行到c点，则表明寻优方向正确，此时的磨机负荷增加量ΔM>0，磨机功率增加量ΔP>0。若当前工作点在B点的右侧e点，而下一刻运行到d点，则表明寻优方向正确，此时的磨机负荷增加量ΔM<0，磨机功率增加量ΔP>0。由以上分析可知，只要存在ΔP>0，寻优方向正确，可以增加一个步长[11]。优化控制方式就是通过专家和现场操作人员的工作经验，设定一个最优负荷值，利用自寻优方式在这个设定值附近寻找出最佳负荷，并将这个最佳负荷作为负荷的设定值控制磨机的给料量，给水量通过水料比进行控制。这样不仅能够实现磨机的稳定运行，而且可以使产量最高、生产成本最低。

4.5 数据输入菜单的实现

在实际操作中，有时需要根据现场的运行情况适当进行一些参数调整，使磨机能够稳定运行。因此就需要操作人员通过监控界面进行参数输入。设计的方式是通过下拉菜单弹出对话框，再通过对话框把数据输入到系统中。这种方式能够很好地实现人机交互过程。在输入菜单中设置了矿物、水、负荷PID控制参数，这些参数的设定，实现了与磨机运行相关参数的实时调整，输入的参数还会自动保存在自己创建的文件中，方便以后读取。图8为磨机饱、欠磨参数的输入对话框。

图6 磨机负荷专家运行流程Fig.6 Operation process of expert control of mill load

图7 磨机负荷寻优曲线Fig.7 Load optimizing curve of mill

4.6 数据的保存和读取

由于监控界面的数据显示都是实时的，而有时候需要查看历史数据，因此需要把实时运行数据存储起来。在Wincc组态界面中，通常是把数据放到数据库中，而数据库是经过加密封装的，用户无法从外部直接访问，这给数据共享带来了困难。在C#设计的组态系统中，通过建立文件夹将数据储存到文件中，这样用户可以直接读取或者写入数据。

5 应用实践

河北承德某选矿厂共有4条磨矿分级生产线，采用φ2.7 m×3.6 m的球磨机，DCS控制系统是由华北理工大学开发的磨机控制仪和工业控制计算机组成，使用Modbus通信协议来完成磨机控制仪与工控机间的通信和数据传输，由磨机控制仪控制现场设备，利用监控计算机来控制仪表柜。为了实现磨机负荷的自动控制，选择了专家控制方式。将磨机负荷设定为40 t/h，水料比设定为15%，矿物的PID调节参数分别为1、5、0，水的PID调节参数分别为1、3、0，磨机负荷的PID调节参数分别为1、20、5。该系统运行显示见图9。从运行情况看，该控制系统磨机台时处理量约提高了6%，避免了磨机“饱磨”或“欠磨”现象的发生，减少了磨机故障的概率，大大提高了磨机工作效率。

图8 数据输入对话框Fig.8 Data input dialog box

图9 河北承德某选矿厂的运行状况Fig.9 Operation status of a concentrating mill in Hebei Chengde

6 结 语

本磨机监控系统利用了C#强大的编程功能以及友好的人机交互界面。采用串行通讯方式实现了监控界面与磨机控制仪间的数据交换，解决了用OPC接口技术进行数据传输的弊端，运行成本低，易于维护。在C#里编写专家和优化智能控制算法，实现了磨机的智能优化控制和稳定运行的目标。在河北承德某选矿厂的运行表明，该控制系统能够在保证磨机稳定运行的前提下达到节能、降耗、增产的目标。

[1] 何坚强，薛迎成，徐顺清.工控组态软件及应用[M].北京：北京大学出版社，2014.

He Jianqiang，Xue Yingcheng， Xu Shunqing.Industrial Control Configuration Software and Its Application[M].Beijing:Peking University Press，2014.

[2] 张 申，张 涛.论矿山物联网的结构性平台与服务性平台[J].工矿自动化，2013(1):34-38.

Zhang Shen，Zhang Tao.Discussion of structured platform and service platform of mine internet of things[J].Industry and Mine Automation，2013(1):34-38.

[3] 孟彦京，唐 霖，张宝童.基于C#的OPC技术在监控系统中的应用[J].微计算机信息，2009(13)：304-306.

Meng Yanjing，Tang Lin，Zhang Baotong.Application of OPC technology based on C# in supervisory control system[J].Microcomputer Information，2009(13):304-306.

[4] 贺晓巧，王建民，赵 晔，等.基于OPC和Wincc的磨机负荷控制系统[J].计算机测量与控制，2014(12)：3954-3956.

He Xiaoqiao，Wang Jianmin，Zhao Ye，et al.Mill load control system based on OPC and Wincc[J].Computer Measurement，2014(12):3954-3956.

[5] 李艳姣.磨机负荷优化计算与专家控制[D].唐山:华北理工大学，2013.

Li Yanjiao.Mill Load Optimization Calculation and Expert Control[D].Tangshan:North China University of Science and Technology，2013.

[6] 胡 纯.选矿破碎过程料位控制系统研究[D].长沙:中南大学，2014.

Hu Chun.The Research of the Material Level Control System on the Crushing Process of the Ore Dressing[D].Changsha:Central South University，2014.

[7] 李艳娇，王建民，张 杰.基于VB的OPC客户端在磨机负荷控制系统中的应用[J].仪表技术与传感器，2014(8):101-103.

Li Yanjiao，Wang Jianmin，Zhan Jie.Application of OPC client in mill load control system based on VB[J].Instrument Technique and Sensor，2014(8):101-103.

[8] 于仲安，张 姿.基于组态软件的磨机供料自动监控系统[J].金属矿山，2013(10):116-119.

Yu Zhongan，Zhang Zi.Automatic monitoring system for feeding of mill based on configuration software[J].Metal Mine，2013(10):116-119.

[9] 张 杰.磨机运行专家控制系统的研究[D].唐山:华北理工大学，2013.

Zhang Jie.Research on Expert Control System of Mill Running[D].Tangshan:North China University of Science and Technology，2013.

[10] 李世国，王 鹤.基于PLC和Wincc的磨机给矿量模糊控制系统[J].金属矿山，2009(4):126-128.

Li Shiguo，Wang He.Fuzzy control system for grinding mill feed quantity based on PLC and Wincc[J].Metal Mine，2009(4):126-128.

[11] 张 杰，王建民，杨志刚，等.承德某选矿厂磨机运行专家系统[J].金属矿山，2013(7):144-148.

Zhang Jie，Wang Jianmin，Yang Zhigang，et al.Expert system of mill running in a dressing plant from Chengde[J].Metal Mine，2013(7):144-148.