1.引言
二十一世紀是信息主導的世紀，“數字化生存”已成為知識經濟的標志。發達采礦國家的礦山信息化改造已邁出了堅實的步伐，如芬蘭采礦業于1992年宣布的智能采礦技術方案，涉及采選礦實時過程控制，資源實時管理，礦山信息網建設，新機械應用和自動控制等28個專題。我國絕大多數礦山企業還處在勞動密集型階段，信息化改造勢在必行。鉭是金屬工業中的貴族，在抗腐蝕性、硬度、伸展性等方面都是金屬中的佼佼者。現今計算機的精密部件、關鍵部位，都是鉭在獨當一面，鉭鈮也是“空間時代”的重要原料，在化工、機械、精密儀器、電子、電氣、超導、國防科技領域，都離不開耐熱、耐腐蝕的鉭。江西宜春鉭鈮礦作為全國最大的鉭鈮原生礦，近年來運用新技術改造提升傳統生產水平，以技術進步調整產品結構，更新采場鉆機、鏟裝、運輸設備，引入選礦自動化系統，從而降低成本，提高產品質量， 拓寬產品市場， 使企業出現新的活力。 本文對宜春鉭鈮礦選礦計量" title="計量">計量網絡監控進行研究。
2.總線控制技術
現場總線" title="現場總線">現場總線控制系統是隨著控制技術、 計算機技術、 通訊技術和網絡技術等的成熟與發展,在實際生產需求的驅動下,基于現場總線技術的新型控制系統。
2.1現場總線的特點
現場總線也被稱為開放式、數字化、多點通信的底層控制網絡。20世紀 90 年代以來，各種現場總線的標準陸續形成，其中主要有Lonworks、CAN、PROFIBUS、MODBUS" title="MODBUS">MODBUS、FF、HART等協議標準。現場總線技術不僅是一種通信技術，它實際上融入了智能化儀表、計算機網絡和開放系統互聯(OSI)等技術的精粹。具有以下傳統設備無法比擬的優點：
(1) 數字信號取代模擬信號，提高了抗干擾能力及對現場環境的適應性，提高了系統檢測精度，縮短了控制周期。
(2) 實現現場設備智能化及功能自治，使基本過程控制、計算、處理等功能分散到現場設備中完成。
(3) 開放的總線系統使不同廠家的設備之間可實現互聯與信息交換，提高了系統的互用性。
(4) 互聯設備及系統間可實現一點對多點的數字通信，作到信息共享。
(5) 系統結構高度分散，使系統的危險性得到分散。同時系統結構的大大簡化，降低了成本。
(6) 增加了非控制信息，如自診斷、組態及補償信息等，實現了現場管理與控制的統一。
(7) 只需采用一根二芯通訊電纜，減少大量信號電纜、端子、控制柜等安裝附件。從而使安裝、維護難度與費用大大降低。
2.2 MODBUS總線
MODBUS是一種工業通信和分布式控制系統協議，由美國莫迪康公司(MODICON Inc. ) 推出。MODBUS協議定義的是一種數據幀結構，獨立于物理層介質，所有控制器能夠識別和使用，而不管設備通信的網絡類型，因而具有非常良好的適用性。
MODBUS 的通信方式為主從方式。主方所發出的請求幀和從方所發出的應答幀都是以從方地址開頭的。從方只讀發給自己的指令，對以其他從方地址開頭的報文不予理睬，并對接受到的正確的報文予以應答，這種一問一答的通信模式，大大提高了通信的正確率，而且使得 MODBUS 協議相對來說比較簡單。MODBUS 協議也成了一種事實上的通用標準，因此大部分組態監控軟件都免費支持MODNUS協議。 MODBUS有RTU(Remote Terminal Unit)和 ASCII 兩種傳送方式。本文采用的 RTU通信方式采用 CRC－16 位循環碼冗余校驗，即將整個字符串(不包括最后兩個字節)按規定的方式進行移位并進行異或計算，計算結果存在字符串的最后兩個字節內，并由接收方按同樣的計算方法進行校驗是否一致。這種校驗方法對隨機或突發差錯造成的幀破壞有很好的檢驗效果。
3.計量監控系統的要求
宜春鉭鈮礦包括采礦廠和選礦廠，采礦廠將原礦石經初步破碎后運輸到選礦廠，選礦廠通過棒磨，球磨，磁選，篩選等工藝最終將鉭鈮礦選出來（流程圖如圖 1） 。還有一種礦料是液態的，它直接通過烘干再進行篩選（流程圖如圖 2） 。
在固體礦料生產加工過程中，要求能 24 小時準確測量皮帶 2、3 上物料的流量、含水量及累計干重量等信息，以便進行內部的計量與考核，同時控制好皮帶上物料的流量，若流量過大，棒磨機不能處理，則會導致物料堵塞，太小則降低棒磨機的生產效率，而且為了保證棒磨效率與出礦品位，需要控制加水量。而在液態礦料的生產加工過程中，要求能 24 小時準確測量管道 1 中液態礦料的濃度和流量以及累計干礦量，以便控制緩沖池閥門的開口大小。傳統的做法是每隔一定的時間（如 30 分鐘）取樣烘干得到礦料的含水量，再用經驗公式分析礦料流量。而若是液態礦漿則根據重量體積比的方法來計算濃度。這樣的人工方法實時性太差，而且礦料流量有時變化相當大，因而不能準確測量出各種參數，重要的是不能在遠程監控室中監控現場的流量，而生產線距離拉得很遠（測點間距離近千米）以及現場的各種機器嘈雜聲，各測點與控制點之間聯系很困難，工人的工作條件也相當差。所以利用計算機測控技術以及現代傳感技術研制一套新型的、功能完善的計量監控系統非常必要。需求的計量監控系統除完成上述檢測與控制功能外，還要求：
1) 能同時進行多點計量監控，且一個計量點出現故障時，不影響其他計量點工作。
2) 能方便地進行系統的擴展；可以實現遠距離通訊。
3) 能以 WEB 方式發布在礦局域網上，實現局域網監視。
4.監控系統構成
考慮到系統要求以及現場總線監控系統的優點，采用了基于 MODBUS 總線的監控系統結構（如圖3）。主控計算機采用工控機，現場主控計算機通過以態網連接到局域網，實現局域網上的監視。各現場站采用德國 WAGO 公司的 750-815 可編程 MODBUS 現場總線控制器，750-815 總線控制器系統最多可連接 99 個總線節點，系統可接最大 I/O 點數為 6000 點，通訊速率為 0.15Kbps~19.2Kbps，最大傳輸距離為 1200m。要準確地實現過程自動控制，系統要求數據的精確采集必不可少，系統中主要涉及的數據有固態礦料流量、水分，液態礦料濃度、流量，水流量,同時現場各數據采集點還提供二次儀表顯示。主要數據采集設備分述如下：
4.1 固態礦料流量檢測
考慮到鉭鈮礦固態礦料選礦現場空間狹小、濕度大，溫度變化大、粉塵多、大功率電機電磁干擾嚴重、而礦料單一的情況，選用非接觸式的核子稱在線測量固態礦料的流量和累計量。核子稱是根據物料對γ射線的吸收與物料質量厚度和質量吸收系數有關的原理工作的。與使用普遍的電子稱相比，核子稱有如下優點：
(1) 可進行非接觸式在線測量,不受皮帶磨損、張力、跑偏、沖擊等因素的影響。
(2) 可在高溫、多塵、強磁、強腐蝕環境中長期穩定運行。
(3) 它的結構簡單,不對原設備進行改造,即可在線安裝。
(4) 秤體近乎免維護。
4.2 水分檢測
水分在線檢測是本系統中特別重要的一環。水分檢測的方法有很多種，目前主要有：紅外水分檢測技術、微波測濕技術、中子測濕技術等等。
紅外水分儀是利用水分子吸收特殊波長近紅外光的能量， 而基本不吸收另外波長近紅外光的能量這一原理工作的。
紅外水分檢測儀具有不接觸物料能在線測量的優點， 在一定水分范圍內測量結果比較準確，主要用于煙草、茶葉行業。但也有其突出的缺點，主要在于一旦含水量超過一定的范圍，將出現誤檢結果。 如物料被水掩蓋時， 由于水鏡面的形成反而使特殊波長近紅外光反射增強，水分儀反而會認為水分很少，此時就要考慮水分補償的問題，而且在生產中需要嚴格保證含水量在水分儀的檢測范圍內。
4.3 礦漿流量檢測
要測控的對象液態礦料屬于具有導電性的泥漿類流體，故選用襯里為聚氨酯橡膠的電磁流量計檢測其流量。電磁流量計所依據的基本理論是法拉第電磁感應定律，當導體切割磁力線運動時，導體內將產生電動勢。導管內導體平均流速V 或流量Qv (Qv =VπD2 /4)與感應電動勢的大小成正比例關系，從而可測量管內流動的導體流體的流量。
電磁流量計的優點主要有：
(1) 接觸流體的部分結構簡單，不會改變流場分布，不會引起堵塞、無機械零件的損壞。
(2) 電磁流量計的輸出信號正比于流體的體積流量，只要流體具有一定的導電性，就可以不受被測流體的溫度、密度、粘度以及導電率(在一定范圍內)的影響。
(3) 線性范圍寬，無慣性，反應靈敏，可測量脈動流量和正、反方向流量。
但是，流體內氣泡對檢測結果影響較大。如果在流體內含有大量氣泡，會阻斷磁力線的正常分布，出現流量擺動很大的情況，導致計量不準。目前有消氣閥可以排除氣泡，但我們在實踐中發現它并不能完全排除氣泡。于是跟據計量點的特殊地理位置，我們把管道切斷，中間加入了一個敞開的蓄料池，使得液態物料在經過計量點時能將氣泡排除。試驗證明這是一種有效的方法。
4.4 濃度采集
根據現場的條件，采用γ射線核子密度（濃度）計來測礦漿濃度，它也是根據γ射線穿過被測介質后， 其強度由于被測介質的吸收而呈現按指數規律減弱特性來對被測介質進行連續性測量。核子密度計可在線測量密封罐、槽、管道內各種流體、半流體或混合物等的密度、濃度等。
5.通信實現
監控系統主控計算機與各從控制器之間通過 MODBUS 總線實現通信，主控計算機與局域網之間通過以太網實現通信，主控計算機及局域網終端計算機上的監控軟件基于組態王6.5 軟件開發。
5.1 MODBUS總線通信方式
主控計算機與各總線控制器之間以設備管理的形式實現， 組態王對設備的管理是通過對邏輯設備名的管理實現的，邏輯設備可以是DDE（動態數據交換）設備、智能板卡類設備、串口類設備、人機界面卡、網絡設備等，本文采用串口形式的MODBUS總線設備，一個串口可以連接多個總線設備，但必須在組態王中為每一個實際I/O設備指定唯一的邏輯名稱，此邏輯設備名對應著該設備的生產廠家、實際設備名稱、設備通訊方式、設備地址、與上位PC機的通訊方式等信息內容。一個邏輯設備,可與一個I/O設備中的多個I/O變量對應。因此，定義一個變量時需要指定具體設備的具體寄存器地址。
如：原生泥體積流量計信號由 3 號總線控制器采集，在 3 號總線控制器中的變量地址為“%QW258” ，主控計算機通過串口 COM1 與 MODBUS 總線設備進行通信，如果需要將原生泥體積流量定義為主控計算機中組態王變量 AA，則需設置實型變量 AA指向接在 COM1上的 MODBUS 總線地址為 3 的總線設備 3 中的寄存器地址 80259，于是變量 AA 實時反應原生泥體積流量的變化。
變量 AA的值可以賦值給組態王的內存變量或臨時變量， 如賦值給組態王的內存實型變量 BB 的表達式為：\\本站點\BB=\\本站點\AA；
5.2 以太網通信方式
組態王支持 TCP/IP 協議，網絡上其它計算機能通過局域網實時訪問主控計算機上的數據，并可以以與主控計算機上完全一樣的動畫界面進行實時監控。遠程訪問組態王的實時數據有兩種方式：其一是在客戶端上定義服務器站點為一個網絡站點設備，然后在客戶端上定義變量指向網絡站點上的變量，訪問實時數據，這與主從控制器之間的通訊方式一樣，這種方式可以在本機上直接進行歷史數據記錄、產生報警等。第二種是使用組態王的網絡功能在程序中直接引用遠程站點上的變量，而無需在客戶端上定義變量，但歷史數據的訪問只能從歷史數據服務器上獲得。本文采用第二種方式，主控計算機上將網絡設置為“連網類型” ，而其他客戶機則設置為“遠程節點” 。
例如：需要在局域網客戶機上顯示主控計算機上的變量AA的值，可設主控計算機的網絡節點名定義為jxtnk1，則客戶機界面上或程序中可直接引用變量“\\jxtnk1\AA”。
網絡監控系統" title="網絡監控系統">網絡監控系統主控計算機與客戶機上的主界面之一如圖 4 所示。
6. 結束語
采用 MODBUS 總線協議的選礦計量網絡監控系統，更好地體現了分散控制、集中管理的思想；一個節點出現問題，并不會影響其他的節點的工作，上位機即使關機，也不會影響下位機的工作。可以實現多節點遠距離的集中監控與協調，減少接線，減少故障率，提高可靠性；基于總線與以太網的系統，WEB 監控終端與 PLC 節點都易于擴展。同時，配合上位機組態監控軟件，配置現場攝像頭，能實現 WEB 訪問與監控，改善了工作效率。