物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)下的磨礦控制信息化系統(tǒng)開發(fā)

劉旭+郝成+呂晶

摘要：隨著自動化控制技術(shù)的推廣，大部分選礦企業(yè)已能實現(xiàn)基本的磨礦設(shè)備自動運行，對各個磨礦環(huán)節(jié)的管理控制仍局限在車間內(nèi)部。目前中小企業(yè)尚處于互聯(lián)網(wǎng)與傳統(tǒng)行業(yè)融合的起步階段，僅有少數(shù)礦企搭建起數(shù)據(jù)信息化模型，受限于厚重的硬件設(shè)備和對安全性能的考慮，系統(tǒng)僅能在礦廠內(nèi)部取得穩(wěn)定良好的運行效果。設(shè)計搭建基于輕便Linux系統(tǒng)的apache服務(wù)器，通過RS485接口采集現(xiàn)場狀態(tài)信息保存到數(shù)據(jù)庫，安卓客戶端將讀取的數(shù)據(jù)顯示在友好的手機界面。在工業(yè)自動化領(lǐng)域引入物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，能夠為企業(yè)搭建嶄新的平臺，為管理者提供便捷的管理模式，同時對現(xiàn)場運行的信息數(shù)據(jù)做處理和分析，便于企業(yè)調(diào)整環(huán)節(jié)指標(biāo)，找到長期有效的高產(chǎn)模式。

關(guān)鍵詞：磨礦控制；信息化；物聯(lián)網(wǎng)；安卓

中圖分類號：TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）26-0196-03

Abstract： With the promotion of automation control technology， Most of the mineral processing enterprises have been able to achieve the basic grinding equipment automatic operation， The management of the various aspects of grinding control is still limited to the interior of workshop. At present， small and medium enterprises are still in the initial stage of the integration of Internet and traditional industry， Only a small number of mining enterprises have built a model of data Informatization， Limited by heavy hardware equipment and consideration of safety performance， The system can only be achieved within the mine stable and good operation results. Designed to build apache server Based on the portable Linux system， collect the scene status information and save to the database through the RS485 interface， The Android client would display the data in the friendly phone interface. Bringing the Internet of things architecture into the field of industrial automation could build a new platform for enterprise， and provide a convenient management model for managers， do information data processing and analysis run on site at the same time， which provides convenience for enterprise to adjust link index and find a long-term effective mode of high yield.

Key words： Grinding control； Informatization； Internet of Things； Android

目前國內(nèi)選礦廠的生產(chǎn)工藝流程已基本形成了選礦過程自動化，中小型選礦企業(yè)也基本配備控制技術(shù)和檢測儀表設(shè)備，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，信息化已成為企業(yè)為進(jìn)一步提高生產(chǎn)效率準(zhǔn)備采取的技術(shù)手段。據(jù)資料統(tǒng)計，選礦廠采用自動控制技術(shù)一般可使磨礦機臺時處理量提高10-15%，生產(chǎn)成本降低3-5%，勞動強度大大減輕，同時能顯著提高選礦回收率等生產(chǎn)指標(biāo)[1]。因此利用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)對磨礦工藝的狀態(tài)信息做進(jìn)一步分析處理，有助于企業(yè)擺脫傳統(tǒng)生產(chǎn)模式的思想禁錮，從直觀的數(shù)據(jù)表達(dá)中優(yōu)化磨礦系統(tǒng)的控制策略。然而磨礦過程具有大慣性滯后、多變量耦合、邊界條件波動等特性，模型需要經(jīng)過長期的訓(xùn)練與糾正，才能總結(jié)出具備針對性、適用性的企業(yè)控制參數(shù)，這對發(fā)展我國國民經(jīng)濟，提高工業(yè)生產(chǎn)技術(shù)水平具有重要意義。

磨礦控制系統(tǒng)采用物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)搭建，由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成，每一層可有多種技術(shù)方案實現(xiàn)平臺連接。如今部分選礦廠引用了.NET技術(shù)開發(fā)的windows服務(wù)器，實現(xiàn)礦廠內(nèi)部控制及遠(yuǎn)程B/S監(jiān)視，厚重的設(shè)備結(jié)構(gòu)運行穩(wěn)定安全，取得良好的效果。本研究設(shè)計采用開源Linux網(wǎng)關(guān)Raspberry Pi搭建網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，在Android客戶端監(jiān)視運行，搭建成本低且界面更為友好，為磨礦系統(tǒng)聯(lián)動控制打下了堅實基礎(chǔ)。

1 磨礦控制系統(tǒng)的總體設(shè)計

磨礦控制系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，按照物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層：感知層監(jiān)控計算機與網(wǎng)關(guān)服務(wù)器通過RS485接口相連，實現(xiàn)物理設(shè)備控制的同時將數(shù)據(jù)信息上傳。搭載服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫的網(wǎng)絡(luò)層Raspberry Pi通過wifi信號接入Internet網(wǎng)絡(luò)，應(yīng)用層手機終端接入系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)并解析顯示。

2 系統(tǒng)感知層endprint

2.1 自動化監(jiān)控運行

感知層磨礦車間設(shè)備如圖2所示，由監(jiān)控計算機對磨礦現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行操作管理，磨礦控制柜與監(jiān)控計算機RS485通訊，完成磨機控制儀的安裝、操作按鍵的輸入和運行指示功能。磨機控制儀的核心為STM32F103ZET6，11個光隔開關(guān)量輸入，4個用于指示的晶體管開關(guān)量輸出接口，3個繼電器輸出接口，檢測量包括皮帶秤重量和速度、水流量、磨機電流、磨音等，模擬輸出量包括4路給料機、2路電動水閥門控制量?？刂苾x采用C語言編程，設(shè)計函數(shù)實現(xiàn)鍵盤輸入、數(shù)據(jù)顯示、數(shù)據(jù)采集、控制運算、輸出控制、串行通訊等多任務(wù)功能。

磨機運行采用自動高產(chǎn)工作模式：自動高產(chǎn)模式時保持磨音不變，當(dāng)磨音低于設(shè)定值時，系統(tǒng)會減小給料量和給水量，當(dāng)磨音高于設(shè)定值時，系統(tǒng)會加大給料量和給水量，使磨音恢復(fù)到設(shè)定值，即為最佳磨音[2]。如圖3所示，將磨音設(shè)定在最佳磨音點時，若某種干擾使磨音增高，同時負(fù)荷較大，此時磨機的處理能力隨之降低，當(dāng)系統(tǒng)降低的給料量不足于抵消磨機降低的處理量時，磨機負(fù)荷會進(jìn)一步加大，最后造成飽磨。低于最佳磨音點的區(qū)域是系統(tǒng)不穩(wěn)定區(qū)，應(yīng)盡量工作在高于最佳磨音點區(qū)域以保證系統(tǒng)穩(wěn)定。因此，運行在略高于最佳磨音點附近，實現(xiàn)高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)[3]。

2.2 信息化數(shù)據(jù)上傳

開源的網(wǎng)關(guān)具有靈活擴展的接口，可實現(xiàn)與物理層多協(xié)議設(shè)備即時編程連接?，F(xiàn)場計算機實現(xiàn)對設(shè)備運行的監(jiān)視控制，并通過RS485接口與網(wǎng)關(guān)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，圖4所示監(jiān)控界面具有工況圖顯示、數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)顯示、運行曲線等人機界面，為現(xiàn)場操作人員提供了直觀便捷的監(jiān)控環(huán)境。

3 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層

利用Raspberry Pi的網(wǎng)關(guān)功能，通過Shield V3擴展板引出RS485接線，與監(jiān)控計算機通信連接[4]。由于Pi3內(nèi)部集成藍(lán)牙模塊，cpu的串口0資源默認(rèn)分配到藍(lán)牙上，需關(guān)閉內(nèi)部分配后更改為外部串口使用。

一個動態(tài)網(wǎng)站服務(wù)器平臺至少要包括：操作系統(tǒng)+Web服務(wù)器+應(yīng)用程序服務(wù)+數(shù)據(jù)庫?，F(xiàn)在主流的Web平臺有ASP.NET、JavaEE和LAMP，三者各有所長與不足之處，滿足于不同的用戶需要[5]。項目網(wǎng)關(guān)采用Raspberry Pi，在官方Linux操作系統(tǒng)Raspbian上搭建tomcat服務(wù)器，Java語言以get請求的方式訪問服務(wù)器web應(yīng)用的servlet，獲取指令來操作存儲有磨礦現(xiàn)場數(shù)據(jù)的MySQL數(shù)據(jù)庫。

3.1 數(shù)據(jù)庫

網(wǎng)關(guān)通過多協(xié)議接口與感知層連接，Python語言編程采集系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)并保存到數(shù)據(jù)庫，供應(yīng)用層調(diào)用和企業(yè)做數(shù)據(jù)分析。具體任務(wù)為采集串口數(shù)據(jù)，為數(shù)據(jù)增添標(biāo)簽后把數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。首先通過/dev/ttyAMA0節(jié)點，以9600波特率進(jìn)行數(shù)據(jù)讀寫。

3.2 服務(wù)器

服務(wù)器項目主要程序以Java代碼分成五個包存放在src文件夾下，其中模型代碼在model層，其他4層的功能及調(diào)用關(guān)系如下：

（1）Utils層中存放連接數(shù)據(jù)庫的代碼和利用PreparedStatement執(zhí)行sql語句的代碼；

（2） dao層中存放增刪改查等sql語句，通過調(diào)用utils包中的代碼執(zhí)行；

（3） service層中寫有服務(wù)器向客戶端傳送的json數(shù)據(jù)的組成方法，調(diào)用dao層中的增刪改查來實現(xiàn)；

（4） servlet中寫的是服務(wù)器和客戶端連接的核心代碼，HttpServlet方法，其調(diào)用的是service方法連接網(wǎng)絡(luò)。

4 系統(tǒng)應(yīng)用層

4.1 客戶端程序開發(fā)

Android平臺手機可以通過GSM、CDMA、3G 網(wǎng)絡(luò)和 WiFi 等無線網(wǎng)絡(luò)接入 Internet。Android 平臺手機主要是通過 HTTP 請求和發(fā)送數(shù)據(jù)到服務(wù)器端，具體實現(xiàn)有兩種方法：Get 是從服務(wù)器上獲得數(shù)據(jù)，傳輸過程的數(shù)據(jù)請求放在請求的 URL 中；Post方法是向服務(wù)器傳遞數(shù)據(jù)，其所有操作對用戶來說不可見，因此安全性較高，而且可傳輸數(shù)據(jù)量更大[6]。

Android應(yīng)用程序開發(fā)內(nèi)容包括新建項目、在src文件夾中添加Java類文件、活動類構(gòu)建layout布局、綁定布局文件、實現(xiàn)控件業(yè)務(wù)邏輯、在AndroidManifest.xml文件中添加涉及的活動服務(wù)、調(diào)試和打包成APK文件。

應(yīng)用層的核心工作是通過ip找到開啟的服務(wù)器上的servlet，調(diào)用里面的HttpPost方法實現(xiàn)和服務(wù)器的交互，項目采用Post方法通過Apache接口與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對接，Android 提供的Apache HttpClient是一個開源項目，彌補了標(biāo)準(zhǔn) Java 接口靈活性不足的缺點，功能更加完善，為客戶端的HTTP編程提供了高效、最新、功能豐富的工具包支持。使用這部分接口的基本操作與Java接口基本類似，主要包括：創(chuàng)建HttpClien以及 GetMethod/PostMethod，HttpRequest 等對象，設(shè)置連接參數(shù)，執(zhí)行HTTP操作，處理服務(wù)器返回結(jié)果。核心代碼為：

4.2 客戶端管理界面

應(yīng)用管理層不同于現(xiàn)場監(jiān)控層，以防誤操作引起的安全事故，工作環(huán)境不允許外部指令直接對系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行操作。設(shè)計圖5應(yīng)用界面需要從數(shù)據(jù)庫讀取的工礦數(shù)據(jù)包括料流量、水流量、負(fù)荷、磨機電流、濃度、料累計、班累計、水累計等，同時將四組反映工作狀態(tài)的料、水、磨機負(fù)荷和電流數(shù)據(jù)信息以折線的形式直觀展示在工況圖中，供管理層把握系統(tǒng)的運行趨勢。界面還設(shè)有照明燈開關(guān)按鈕和警報顯示子界面，便于遠(yuǎn)程監(jiān)視門窗了解車間安防狀態(tài)。

4.3 磨礦成本分析計算

管理計算機客戶端上傳的工礦數(shù)據(jù)包括料流量、水流量、負(fù)荷、磨機電流、濃度、料累計、班累計、水累計等。工況圖如圖4中所示，四條曲線分別記錄物料、水、磨機負(fù)荷和電流。影響企業(yè)效益的指標(biāo)有勞動生產(chǎn)率、選礦回收率、精礦品位、勞動條件、電能消耗、鋼球損耗、金屬回收率、磨機處理量，根據(jù)模型計算綜合指標(biāo)，分析企業(yè)收益。endprint

通過數(shù)據(jù)計算噸產(chǎn)能夠?qū)崟r分析生產(chǎn)成本，但產(chǎn)量不同會造成人工等各項成本隨之變化，無法直接按噸產(chǎn)計算成本。因此首先按天或按小時計算，然后根據(jù)產(chǎn)量計算噸產(chǎn)成本。

磨礦日產(chǎn)成本包括電耗成本、水耗成本、鐵耗成本、設(shè)備損耗成本、工資、管理費，磨礦噸產(chǎn)成本由磨礦日產(chǎn)成本除以日產(chǎn)產(chǎn)量得到，而噸產(chǎn)鐵精粉成本包括原料成本、破碎成本、磨礦成本、選別成本和管理成本。當(dāng)前噸產(chǎn)鐵精粉利潤為鐵精粉售價減去噸產(chǎn)鐵精粉成本，因此計算日產(chǎn)利潤由當(dāng)前噸產(chǎn)鐵精粉利潤與精粉每日產(chǎn)量乘積得到。

5 結(jié)論

（1） 開發(fā)手機應(yīng)用客戶端供由管理層實時查看磨礦現(xiàn)場工作狀態(tài)，界面直觀操作便捷，同時可設(shè)置警報系統(tǒng)和權(quán)限避免誤操作產(chǎn)生的事故。

（2） 網(wǎng)關(guān)Raspberry Pi具備多協(xié)議接口與感知層設(shè)備通信，針對RS485成熟工業(yè)儀表可即時擴展，并保存到MySQL數(shù)據(jù)庫供提取，引入物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)實現(xiàn)了多平臺靈活對接能力。

（3） 管理層通過產(chǎn)量指標(biāo)評價磨礦效果，收集每個工程環(huán)節(jié)的歷史數(shù)據(jù)進(jìn)而建立模型，計算其對磨機效率系統(tǒng)的貢獻(xiàn)值，進(jìn)而判斷磨機的產(chǎn)量和效率，便于評價各班的工作效果，實現(xiàn)按產(chǎn)計效，提升管理水平。

參考文獻(xiàn)：

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