基于CJ2M PLC的磨矿设备IoT-DCS自动化系统的设计

杨 帆，李 博，刘 水

1西北工业大学伦敦玛丽女王大学工程学院 陕西西安 710072

2西安捷达测控有限公司 陕西西安 710199

某矿山企业的磨矿设备控制通常靠值班人员手动操作或通过仪器仪表、工控机辅助调节。这种控制方式的缺点是操作人员劳动强度大、滞后性强、稳定性差，而且受主观因素的影响，经常出现磨矿生产的多个环节 (如称重、给料、加球、加水等) 不能高效配合，导致磨矿产能与效率低下，以及溢流细度合格率差等状况[1]。另外，由于传统的磨矿车间环境比较恶劣，磨矿设备产生的高浓度粉尘与大分贝噪声对操作人员的健康危害极大。

1 PLC、DCS、IoT的技术特点

可编程控制器 (PLC) 在化工、机械、建筑及环保等行业设备电气控制方面得到了广泛的应用，它由Power、CPU、ID、OD、AD 或者 DA 等功能模块组成，具备强大的逻辑控制、时序控制、PID 控制、串口或者网络通信等功能。CJ2M PLC 是日本 Omron 公司推出的一种新型的通用自动化模块积木式控制装置，它将现代的微电子精确控制技术、计算机复杂算法分析技术和以太网高速通信技术融为一体，具有适应性广、稳定性高、寿命长以及易于扩展等优点。由于磨矿设备的工作环境恶劣，干扰源众多，如球磨机、分级机等大功率用电设备的启动或停止，易引起电网电压的波动，形成低频干扰，如果用传统的仪器仪表或者计算机直接控制，会使系统经常受到严重干扰而不能正常地运行[2]。而 CJ2M PLC 在设计和制造过程中已采取多层次抗干扰措施，对恶劣工况有超强的免疫力，是理想的磨矿设备控制装置。

分散控制系统 (DCS) 采用分散控制、集中管理、本地自治的基本设计思想，是传统工业自动化的主要形式，其最大优点是可以本地自治闭环调节，不受外界干扰[3]。

物联网 (Internet of Things，IoT) 是万物互联的网络，其基本宏观架构由感知层、网络层和应用层组成。IoT 通过在感知层给被测对象布置传感器进行实时测量，将获取的数据进行算法控制并作用于目标对象，然后通过网络层发送到应用层进行显示、存储、分析或者加工利用。

充分结合 DCS 技术与 IoT 技术设计开发的 IoTDCS自动化系统，可以发挥 DCS的强自治性、IoT的广互联性，实现磨矿设备本地自主自动智能调节，出现故障时可远程高效实时进行诊断干预，从而极大地降低了操作人员的劳动强度，提高了磨矿设备的产品质量与产量。

2 IoT-DCS自动化系统结构设计

通过调研大部分矿山企业用户的自动化控制需求，遵循低成本、安全可靠的原则，结合 PLC、DCS、IoT的技术特点，设计出基于矿山企业局域网(LAN)的磨矿设备 IoT-DCS自动化系统。该系统从下至上分为 4 层，即感知执行层、控制汇聚层、网络传输层和操作应用层，其硬件结构如图 1 所示。

图1 磨矿设备 IoT-DCS自动化系统硬件结构Fig.1 Hardware structure of IoT-DCS automation system for grinding equipment

其中感知执行层、控制汇聚层构成基本的 DCS自治系统，体现分散管理、集中控制的思想，所有的4 层架构构成一个完整的物联网系统。

2.1 感知执行层

感知执行层位于整个物联网系统的最下层，它包含了称重传感器、称重控制器、进水传感器、进水控制器、矿浆传感器、电流传感器、电压传感器、加球控制器及开关控制器，它们的功能与接口信号如表 1所列。

表1 感知执行层功能与接口信号Tab.1 Functions and interface signals of perceived executive layer

感知执行层不是一成不变的，可以根据企业的实际需要增加或删减一部分传感器或控制器。比如很多矿山企业磨矿设备还要增加润滑油油温、球磨机装载负荷、圆盘给料机电流和电压等参数的实时测量或者控制。感知执行层的传感器或者控制器可以采用市场上标准的电子器件，但必须要符合表 1 中的接口电流电压规格。

2.2 控制汇聚层

控制汇聚层为本系统的核心，采用 1 台日本Omron 公司的 CJ2M PLC，也可以适配其他型号。CJ2M PLC 各个部分的主要选型与功能描述如表 2 所列。

表2 CJ2M PLC 各个部分的主要选型与功能描述Tab.2 Main model selection and function description of each part of CJ2M PLC

控制汇聚层的作用是实时采集感知层各个设备的开关状态信号与模拟量输入信号，并根据磨矿工艺逻辑控制算法与 PID 算法，实时控制电子秤的变频器频率，满足球磨机的产量要求。另外通过 PID 算法动态控制球磨机的进水量，使矿浆质量分数与溢流质量分数符合产品质量要求[4]。控制汇聚层将分散到磨矿车间的各个传感器信号与输出控制信号都汇聚到一个测量控制中心，其功能等于传统物联网的协调器。它还可以通过其通信接口 (如 RS232/RS485/RJ45) 连接到上层，考虑到本物联网系统具备远程测量与控制功能，通信接口限定为 RJ45 以太网，支持 TCP 协议的网络接口。

2.3 网络传输层

网络传输层用于连接控制汇聚层和操作应用层，它可以由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网等组成，相当于人的神经中枢系统，负责将终端设备的请求数据或者命令，安全可靠地传输到控制汇聚层，并将反馈数据或者执行结果重新返回到操作应用层[5]。

考虑到磨矿设备运行时常出现大电流、大功率的状况，设备的启停误动作会威胁到现场维修人员的生命安全，一旦受到外网攻击会产生很大的风险。因此本系统只考虑在企业内部局域网 (LAN) 环境下运行，它可以是有线以太网或者无线 WiFi。

构建该系统的时候，可以在磨矿设备本地操作室安装交换机/路由器，使其接入企业内部局域网。由于LAN 具有高速可靠网络传输的特性，使得远程操作指令下发到 PLC 没有任何延迟，具备较高的实时性。

2.4 操作应用层

操作应用层作为本物联网系统的最高层，是多种类型终端设备的人机接口。本系统的操作应用层包括3 种终端：触摸屏人机界面 (HMI)、工业控制计算机(PC)、远程操作的手机 (Phone)。通过操作应用层，用户可以本地或者远程查看磨矿设备的实时工作画面、设备的运行状态和故障信息，记录历史数据、动态趋势曲线等信息；还可以根据工艺规程开启或者关闭各磨矿设备，用户无须到现场操作，可远离噪声和粉尘污染。更重要的是，技术人员可以通过远程 APP 实时查看、设置磨矿控制参数，如设定球磨机给矿量、进水量、PID 参数及报警参数等，提高了工作效率；一旦发生故障，还可以及时远程诊断、排查问题，提高了磨矿设备的安全性与可靠性。

如果网络出现故障，操作应用层处于失联状态，但整个系统仍可以正常工作，感知执行层与控制汇聚层构成的 DCS 单元可以本地自治稳定工作。

3 IoT-DCS自动化系统软件设计

物联网系统硬件结构除了感知执行层采用标准成熟的电子传感器或者执行器件外，控制汇聚层和操作应用层需要设计对应的软件。

3.1 控制汇聚层软件设计

控制汇聚层主要是 CJ2M PLC 程序的设计与开发，它的集成开发环境为 CX-Programmer V9.6，支持丰富的逻辑控制、算术运算、串口通信、网络通信等指令，拥有强大的仿真技术。CJ2M PLC 程序的语法包含传统的梯形图 LAD 代码以及类似现代 C 语言的 ST 代码。

3.1.1 加球机控制程序设计

钢球是球磨机的研磨介质，球磨机正常运行时钢球与钢球、钢球与矿石、钢球与球磨机衬板之间产生摩擦，使钢球磨耗增大。为了保持球荷充填率和球的合理配比，必须进行合理补加球。本系统需要周期性地自动给球磨机加入钢球，其控制算法流程如图 2 所示。

图2 自动补加球控制算法流程Fig.2 Process flow of algorithm for automatic ball addition

流程图采用 ST 语法代码编写。bPV为钢球实时计数值，bSV为周期性补加球目标值。加球周期开始时将bPV清零，同时将加球状态值设置为真；进球信号为加球机出口的光电扫描开关量输入信号，当有球进入球磨机时，开关量立刻为 ON，bPV增加 1；然后判断是否bPV≥bSV，若不满足该条件，则继续进入加球循环；如果条件满足，则说明加球数量达到目标设定要求，此时将加球状态值设置为假，从而完成加球周期。

3.1.2 电子秤与加水流量 PID 程序设计

PID 控制算法是结合比例、积分和微分 3 种环节于一体的控制算法，其算法数学表达式为

式中：mv(t) 为t时刻 PID 算法的输出控制量；Kp为比例系数；TI为积分时间常数；TD为微分时间常数。

本系统中需要给球磨机定量加矿石，采用 PID算法控制电子秤的变频器，确保精确放料。为了达到合适的矿浆质量分数与溢流质量分数，需要在球磨机中加入适量的水，采用 PID 算法控制瞬时加水量。用pv(t) 表示传感器采集的实时矿量或者瞬时水量，它是随时间t动态变化的函数；sv(t) 为用户设定的理想控制目标值；e(t) 为控制偏差值，等于sv(t) 与pv(t)的差值。控制过程中需要动态调整mv(t)，以改变电子秤变频器的频率或者进水流量阀门的开度，使得e(t) 尽量为 0。

3.1.3 故障诊断程序算法设计

磨矿工艺流程包含设备众多，运行环境恶劣，常常因为设备老化或者电网负荷的异常变化引起某些设备故障。对于球磨机与分级机这种大功率、高耗能设备，用传统的手段很难快速诊断故障，往往会因为时间拖延给生产造成很大损失，因此需要编写故障诊断程序，快速查找问题所在。设计的磨矿设备故障诊断专家系统是一种智能 PLC 程序，它包含传感器故障检测器、磨矿故障推理机、磨矿知识获取接口、磨矿故障知识库、评价优化机构及故障提示处理机构。

当传感器故障检测器扫描到某一个设备状态信息(电流、电压、频率) 超出阈值，磨矿故障推理机开始工作，搜索存储在 PLC 保持数据 DM 区中的磨矿故障知识库并进行比对。该知识库由若干 IF-ELSE 规则组成，得到故障结论后立刻将故障信息反馈到最高层人机界面，并作出适当处理。系统的知识库可以通过磨矿知识获取接口输入设备的故障范围参数。每次故障处理完成后，通过评价优化机构再次监测发生故障的状态信息是否恢复正常，如果未能解决，说明该知识规则失效，需要用户调整，以确保知识库及时更新。

3.1.4 设备手动与一键自动启停程序设计

本系统所有设备，包括加球机、球磨机、分级机、圆盘给料机、渣浆泵、带式输送机及螺旋分级机等，可通过开关按钮手动控制其工作，还可以根据球磨工艺需要，按照设定的工序依次顺序启停。如渣浆泵开 → 球磨机开 → 分级机开 → 输送机开 →圆盘给料机开 → 1 号螺旋分级机下降 → 2 号螺旋分级机下降，关闭时顺序相反。还可以定义各个设备开关互锁操作，如球磨机与分级机启停互锁，即球磨机不开，分级机不能开启；分级机不停，球磨机不能停止[6]。

3.2 操作应用层软件设计

操作应用层是用户操作磨矿设备的人机接口，根据物联网终端设备的种类，需要开发不同的应用程序。本系统中包含 HMI 软件、PC 桌面软件、移动手机 APP。无论哪一种终端设备都需要直接或者间接通过 TCP/IP 协议连接到 CJ2M PLC 网络接口。

由于HMI 厂家定制了特定的开发环境，如WeinView 公司的 EasyBuilder Pro，其编程相对简单，整个过程只需要可视化的设计与组态，脚本代码的编写工作量较少。需要完成的步骤有：①新建 HMI 项目；② 选择与硬件对应的 HMI 型号；③配置 HMI与 PLC 网络通信参数 (IP 地址与端口号)；④ 定义用于显示的布尔、整型、浮点型变量；⑤ 编写 HMI 主菜单画面；⑥ 编写设备监控画面。

操作应用层核心软件为 PC 桌面软件、移动手机APP，一般采用跨平台开发工具设计，工作内容与编程过程比较相似，限于篇幅下面只对 PC 桌面软件的设计与涉及的关键技术做主要介绍。

操作应用层 PC 桌面软件设计成客户端/服务器架构，可以将 CJ2M PLC 看成服务器，它提供传感数据与执行命令，PC 桌面软件窗口对应于客户端程序设计，考虑到系统的安全性与设备管理的特殊性，操作应用层用户群体只限于磨矿企业少数技术人员[7]。本系统的用户与口令预置在 PLC的 DM 区中，无需注册，远程操作即可修改。

操作应用层 PC 桌面软件设计流程如图 3 所示，主要包含的模块功能如下。

图3 操作应用层 PC 桌面软件设计模块Fig.3 Design module of desktop software of operation application layer

(1) 磨矿用户登录模块 需要 PLC 授权的合法用户才可以远程访问控制本物联网系统。

(2) PC 桌面软件任务调度模块 是上位机软件的主要循环调度模块，它通过后台通信事件，或者用户操作其他模块事件驱动执行，套接字 (Socket) 通信为最高优先级事件。

(3) 套接字通信模块 创建客户端套接字，编程采用多线程技术，同时该线程处于后台最高优先级激活状态。

(4) 磨矿工艺画面模块 为本系统最重要的人机画面模块，它将磨矿设备以图形化的方式直观显示出来，同时在画面上可以查看设备实时状态和运行数据。

(5) 数据存储查询模块 由 TCP 获取的数据自动存储在应用层软件的后台数据库中，以供后期技术人员查询及故障诊断决策时使用。

(6) 趋势曲线显示模块 将采集到的磨矿设备传感器数据以动态曲线的方式直观显示出来。

(7) 故障存储查询模块 通过本模块用户可以方便查询异常报警故障以及处理情况。

(8) 磨矿控制参数模块 技术人员可以远程查看并设置磨矿设备故障的上下限阈值或者电子秤、加水量控制 PID 参数。

4 实际应用

运用笔者提出的物联网分层开发理论，为国内某铅锌选矿厂成功设计并实施了基于Omron 公司 CJ2M PLC的磨矿设备 IoT-DCS自动化系统。该磨矿工艺流程中主要包含 MQG2100×3000 湿式格子型球磨机、FLG-ϕ2000 高堰式单螺旋分级机以及 DB800 圆盘给料机等设备。整个物联网系统包含了控制汇聚层 PLC程序，操作应用层 HMI 软件、PC 软件以及手机 APP软件，其中 PC 软件磨矿工艺主画面如图 4 所示。

图4 PC 软件磨矿工艺主画面Fig.4 Main interface of PC software for grinding process

磨矿设备在实施本系统之前为传统的人工手动控制方式，技术改造后采用 IoT-DCS 方式，改造前后技术指标对比如表 3 所列。

表3 磨矿设备实施本系统前后技术指标对比Tab.3 Comparison of technical indexes before and after application of system to grinding equipment

从表 3 可以看出，本系统提高了矿石处理能力，且磨矿产品的溢流质量分数也得到了提高，为企业带来了较好的经济效益。

5 结语

本系统采用物联网分层理论，既能体现 PLC的稳定性与可靠性，又发挥了 DCS 集中控制的自治优越性，同时又能体现物联网远程诊断操作的方便性。根据用户一年多的实际运行效果反馈，该系统运行稳定、可靠，改善了工人的工作环境，降低了工人劳动强度，可以快速自动诊断故障，报警后技术人员可远程协助解决，大幅减少了磨矿设备的维护成本。IoTDCS 控制系统为其他矿山企业磨矿设备远程稳定、安全、高效运行提供了较好的解决方案。