无线通信电台在选矿厂DCS中的设计与应用

余冰

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330031）

无线通信电台在选矿厂DCS中的设计与应用

余冰

（江西瑞林电气自动化有限公司，江西南昌 330031）

选矿厂DCS是数字化矿山的重要组成部分，本文综合考虑紫金集团某矿业大型选矿厂的工业环境，设计了基于Atmega1281和CC1100无线通信电台的硬件电路，并成功应用于该选矿厂DCS的Profibus DP总线网络中，解决了周边传动型浓密机无法敷设通信线缆的难题。实践表明，该无线通信电台误码率、可靠性及实时性满足现场需求。

无线通信电台；DCS；Profibus DP；CC1100

随着自动化技术、计算机技术、传感器技术、视频图像技术及通讯技术的迅速发展，工业设备的自动化程度不断提高，选矿厂全流程自动化系统越来越多地应用在各类金属非金属矿山中[1]。选矿流程的智能化、数字化极大地提高了生产效率，也减少了耗能成本与人力成本。选矿厂的全流程自动化系统包括破碎连锁控制、磨矿分级优化控制、浮选控制、精矿脱水控制及尾矿泵房控制。其常规设计包括1个车间级中控室和1个厂级调度中心。AS控制站与各车间远程I/O站之间通常采用总线通信方式，但由于选矿工艺分散、工况复杂及布线困难等情况，常常导致诸如周边传动型浓密机类型的第三方通信设备等无法进行总线电缆的敷设。本文结合某大型选矿厂的实际情况，设计了一套基于Profibus总线通信的无线传输电台，解决了第三方通信设备无法布线的难题。

1　无线通信电台的硬件设计

通过比较TI公司与Nodic公司所产无线芯片的工作频段、调制方式、传输速率、切换时间及工作模式等参数[2]，本文最终选用TI公司的CC1100。CC1100是一种低成本单片UHF收发器，电路主要设定为315 MHz、433 MHz、868 MHz和915 MHz等频段，在低传输速率时，传输距离可达300~400 m。其主要操作参数和FIFO（先进先出堆栈）可通过SPI接口进行控制。CC1100的应用电路如图1所示。

由图1可以看出，C131、C121、L131和L121形成一个平衡转换器，将CC1100上的微分RF端口转换成单端RF信号，调节LC网络阻抗值与平衡转换器值以匹配50 Ω的天线，晶体振荡器附带有2个C81和C101的负载电容，各元器件的设定值如表1所示。

图1　CC1100应用电路

表1　CC1100应用电路图中各元器件值

CC1100通过四线 SPI接口（SI、SO、SCLK和CSn）进行配置，该接口同时用来读写缓存数据。CC1100的配置寄存器地址为0x00到0x2F之间，所有寄存器均能读和写。写寄存器时，待写字节数据传输到SI引脚后，状态字节将被送至SO引脚。CC1100的TX FIFO与RX FIFO的存储容量为64 kb，地址均为0x3F。当读/写位为0时，单片机访问TX FIFO；当读/写位为1时，单片机访问RX FIFO。发送数据时，发射端要对缓冲区设置单次发送的数据包个数，并写入要发送的数据包，数据自动加前导码和校验，接着进入发送模式，等待本次发送结束后冲洗缓冲区，完成数据发送。接收数据时，接收端进入接收模式，等待接收信息完成后分解所收到的数据包并存储，最后清洗缓冲区，完成数据接收。相对于其他的无线收发芯片，CC1100具有包处理机制、发送FIF0、接收FIF0、WOR模式等特点。当需要发射数据时，只需将发射的数据按照既定格式通过SPI口写入到发射FIF0，然后把CC1100配置成发射状态，数据就会按照要求进行发送；当需要接收数据时，首先将CC1100配置成接收状态，一旦收到既定格式的数据，CC1100就会把收到的数据存入接收FIF0，同时引脚GD01或GD02会有一个脉冲出现，该脉冲用以告知Atmega1281单片机有数据包已接收完成，以便单片机通过SPI口读取CC1100收到的数据。

2　选矿厂DCS系统设计

本文所提到的DCS系统应用在紫金集团某大型矿山中,主要由设于磨浮车间低配室的1套416 H冗余CPU、设于破碎配电室的414 H冗余CPU及设于各流程车间的远程I/O站组成，如圆锥破碎机、球磨机、浓密机、压缩过滤机及尾矿高压泵等第三方设备通过有线或无线Profibus DP总线方式传输至DCS系统，并在磨浮中央控制室设置1台工程师站及2台操作员站，在破碎操作室设置1台操作员站。其中，磨浮车间的416 H冗余CPU主要负责磨矿分级、浮选机、精矿脱水、尾矿泵房及回水池中各类电气设备、仪表设备及第三方通讯的设备的集中、连锁控制，图2为该416 H冗余CPU及对应精矿车间、尾矿车间及药剂添加等远程I/O站的硬件组态及网络拓扑结构。破碎配电室的414 H冗余CPU主要负责破碎筛分车间中1~9#转运站皮带、圆锥破碎机、给料机等电气仪表设备的集中、连锁控制。

图2　磨浮车间416 H冗余CPU硬件组态

该DCS系统的变成组态软件采用西门子PCS7中文版本V8.0,每台工程师站与操作员站配置2000PO授权,满足对该选矿厂生产过程中所有设备的数据采集、监视、控制、计量以及存储等方面的需求。操作人员可通过键盘或鼠标对画面中的任何被控装置进行手动控制[3]。当现场设备处于自动程控状态时,模拟图标上将反映出运行设备的最新状态及自动程序当前精度。若自动程序失败或现场设备发生故障，则有报警并显示故障信息,同时对现场所有电气仪表设备运行状态进行归档,方便操作人员随时进行设备状态的跟踪查询。

3　数传电台在该DCS系统中的应用

本文所提到的DCS系统中，精矿脱水、尾矿泵房、药剂制备等子车间远程I/O站点通过光纤媒介以Profibus总线方式连接至上述对应的冗余CPU，各远程I/O站点就近的电气仪表设备通过控制电缆连接。

在选矿厂的各类设备中，浓密机是浓缩矿浆的重要设备，在选矿厂中的应用极为广泛。浓密机多为户外选址，且较为分散，生产过程主要以现场手动操作为主，自动化水平较低，操作极为不便。本文以实现该选矿厂5台浓密机的集中控制、减轻操作工人劳动强度、简化人员配置、提高浓密机生产效率及实现底流浓度自动控制为目的，以该选矿厂DCS为平台，综合考虑周边驱动型浓密机（尾矿浓密机）无法进行线缆敷设的特点，设计了1套无线通信电台并成功应用于尾矿浓密机的Profibus总线通信中。浓密机网络拓扑图见图3。

图3　浓密机网络拓扑

从图3可以看出,铜、铅、锌、硫精矿浓密机通过有线Profibus总线方式连接至就近的精矿脱水远程I/O站点，而周边驱动型尾矿浓密机控制站通过在硫浓密机平台设置1台无线传输电台进行数据传输。DCS分配1段8字输入、8字输出的地址空间与尾矿浓密机本体的315 PN/DP控制系统进行通信，双方通信格式参考表2。

4　工程数据

精矿脱水远程I/O站柜体内设置1套西门子Y-Link通信设备，与铜、铅、锌、硫精矿及尾矿浓密机的西门子300系列控制系统进行通信，站点地址分别为3、4、5、6，其中硫精矿与尾矿浓密机之间通过无线传输电台进行通信。其工程应用数据详见图4，其中IW地址保存浓密机开关量状态、模拟量状态的实时数据，QW地址保存DCS集中控制命令，具体含义参考表2。

表2　尾矿浓密机无线DP站点数据

图4　铜、铅、锌、硫精矿及尾矿浓密机数据监控

5　结论

本文设计提出的无线传输电台成功应用于紫金集团某大型矿山选矿厂全流程自动化系统中，解决了周边驱动型浓密机无法进行线缆敷设的难题。该无线通信电台误码率、可靠性及实时性满足现场需求，实现了该选矿厂共5台浓密机的集中控制，达到了减员简配、提高生产效率的效果。

[1]刘伟军.无线现场总线系统的开发与应用[J].自动化与仪器仪表, 2010(2):41-42.

[2]关可,盛惠兴,王海滨,等.基于nRF905的无线数据传输系统设计[J].信息安全与通信保密,2009(3):85-88.

[3]梁强.西门子PLC控制系统设计及应用[M].北京：中国电力出版社,2011.

Design and Application of Wireless Communication Station in Concentrator DCS

YU Bing
(Jiangxi Nerin Electric Automation Co.,Ltd.,Nanchang,Jiangxi 330031,China)

Concentrator DCS is important component of digital mine,industrial environment of a large concentrator in Zijin Group should be taken into consideration in this paper,hardware circuit based on Atmega1281and CC1100 wireless communication station has been designed and successfully applied in Profibus DP busbar network of concentrator DCS,and it can solve the problems that communication cables of drive thickener cannot be laid.The practice shows that error rate,reliability and real-time of the wireless communication station can meet site requirements.

wireless communication station;DCS;Profibus DP;CC1100

TP273

B

1004-4345(2015)04-0046-03

2015-03-03

余冰（1985—），男，主要从事仪表自动化的设计与实施工作。