物联网架构下的磨矿控制信息化系统开发

刘旭+郝成+吕晶

摘要：随着自动化控制技术的推广，大部分选矿企业已能实现基本的磨矿设备自动运行，对各个磨矿环节的管理控制仍局限在车间内部。目前中小企业尚处于互联网与传统行业融合的起步阶段，仅有少数矿企搭建起数据信息化模型，受限于厚重的硬件设备和对安全性能的考虑，系统仅能在矿厂内部取得稳定良好的运行效果。设计搭建基于轻便Linux系统的apache服务器，通过RS485接口采集现场状态信息保存到数据库，安卓客户端将读取的数据显示在友好的手机界面。在工业自动化领域引入物联网架构，能够为企业搭建崭新的平台，为管理者提供便捷的管理模式，同時对现场运行的信息数据做处理和分析，便于企业调整环节指标，找到长期有效的高产模式。

关键词：磨矿控制；信息化；物联网；安卓

中图分类号：TP273.5 文献标识码：A 文章编号：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

目前国内选矿厂的生产工艺流程已基本形成了选矿过程自动化，中小型选矿企业也基本配备控制技术和检测仪表设备，随着互联网技术的发展，信息化已成为企业为进一步提高生产效率准备采取的技术手段。据资料统计，选矿厂采用自动控制技术一般可使磨矿机台时处理量提高10-15%，生产成本降低3-5%，劳动强度大大减轻，同时能显著提高选矿回收率等生产指标[1]。因此利用数据挖掘技术对磨矿工艺的状态信息做进一步分析处理，有助于企业摆脱传统生产模式的思想禁锢，从直观的数据表达中优化磨矿系统的控制策略。然而磨矿过程具有大惯性滞后、多变量耦合、边界条件波动等特性，模型需要经过长期的训练与纠正，才能总结出具备针对性、适用性的企业控制参数，这对发展我国国民经济，提高工业生产技术水平具有重要意义。

磨矿控制系统采用物联网架构搭建，由感知层、网络层和应用层构成，每一层可有多种技术方案实现平台连接。如今部分选矿厂引用了.NET技术开发的windows服务器，实现矿厂内部控制及远程B/S监视，厚重的设备结构运行稳定安全，取得良好的效果。本研究设计采用开源Linux网关Raspberry Pi搭建网络服务器，在Android客户端监视运行，搭建成本低且界面更为友好，为磨矿系统联动控制打下了坚实基础。

1 磨矿控制系统的总体设计

磨矿控制系统的总体结构如图1所示，按照物联网架构分为感知层、网络层和应用层：感知层监控计算机与网关服务器通过RS485接口相连，实现物理设备控制的同时将数据信息上传。搭载服务器和数据库的网络层Raspberry Pi通过wifi信号接入Internet网络，应用层手机终端接入系统获取数据并解析显示。

2 系统感知层endprint

2.1 自动化监控运行

感知层磨矿车间设备如图2所示，由监控计算机对磨矿现场设备进行操作管理，磨矿控制柜与监控计算机RS485通讯，完成磨机控制仪的安装、操作按键的输入和运行指示功能。磨机控制仪的核心为STM32F103ZET6，11个光隔开关量输入，4个用于指示的晶体管开关量输出接口，3个继电器输出接口，检测量包括皮带秤重量和速度、水流量、磨机电流、磨音等，模拟输出量包括4路给料机、2路电动水阀门控制量。控制仪采用C语言编程，设计函数实现键盘输入、数据显示、数据采集、控制运算、输出控制、串行通讯等多任务功能。

磨机运行采用自动高产工作模式：自动高产模式时保持磨音不变，当磨音低于设定值时，系统会减小给料量和给水量，当磨音高于设定值时，系统会加大给料量和给水量，使磨音恢复到设定值，即为最佳磨音[2]。如图3所示，将磨音设定在最佳磨音点时，若某种干扰使磨音增高，同时负荷较大，此时磨机的处理能力随之降低，当系统降低的给料量不足于抵消磨机降低的处理量时，磨机负荷会进一步加大，最后造成饱磨。低于最佳磨音点的区域是系统不稳定区，应尽量工作在高于最佳磨音点区域以保证系统稳定。因此，运行在略高于最佳磨音点附近，实现高产稳产[3]。

2.2 信息化数据上传

开源的网关具有灵活扩展的接口，可实现与物理层多协议设备即时编程连接。现场计算机实现对设备运行的监视控制，并通过RS485接口与网关进行数据通信，图4所示监控界面具有工况图显示、数据输入、数据显示、运行曲线等人机界面，为现场操作人员提供了直观便捷的监控环境。

3 系统网络层

利用Raspberry Pi的网关功能，通过Shield V3扩展板引出RS485接线，与监控计算机通信连接[4]。由于Pi3内部集成蓝牙模块，cpu的串口0资源默认分配到蓝牙上，需关闭内部分配后更改为外部串口使用。

一个动态网站服务器平台至少要包括：操作系统+Web服务器+应用程序服务+数据库。现在主流的Web平台有ASP.NET、JavaEE和LAMP，三者各有所长与不足之处，满足于不同的用户需要[5]。项目网关采用Raspberry Pi，在官方Linux操作系统Raspbian上搭建tomcat服务器，Java语言以get请求的方式访问服务器web应用的servlet，获取指令来操作存储有磨矿现场数据的MySQL数据库。

3.1 数据库

网关通过多协议接口与感知层连接，Python语言编程采集系统运行数据并保存到数据库，供应用层调用和企业做数据分析。具体任务为采集串口数据，为数据增添标签后把数据存入数据库。首先通过/dev/ttyAMA0节点，以9600波特率进行数据读写。

3.2 服务器

服务器项目主要程序以Java代码分成五个包存放在src文件夹下，其中模型代码在model层，其他4层的功能及调用关系如下：

（1）Utils层中存放连接数据库的代码和利用PreparedStatement执行sql语句的代码；

（2） dao层中存放增删改查等sql语句，通过调用utils包中的代码执行；

（3） service层中写有服务器向客户端传送的json数据的组成方法，调用dao层中的增删改查来实现；

（4） servlet中写的是服务器和客户端连接的核心代码，HttpServlet方法，其调用的是service方法连接网络。

4 系统应用层

4.1 客户端程序开发

Android平台手机可以通过GSM、CDMA、3G 网络和 WiFi 等无线网络接入 Internet。Android 平台手机主要是通过 HTTP 请求和发送数据到服务器端，具体实现有两种方法：Get 是从服务器上获得数据，传输过程的数据请求放在请求的 URL 中；Post方法是向服务器传递数据，其所有操作对用户来说不可见，因此安全性较高，而且可传输数据量更大[6]。

Android应用程序开发内容包括新建项目、在src文件夹中添加Java类文件、活动类构建layout布局、绑定布局文件、实现控件业务逻辑、在AndroidManifest.xml文件中添加涉及的活动服务、调试和打包成APK文件。

应用层的核心工作是通过ip找到开启的服务器上的servlet，调用里面的HttpPost方法實现和服务器的交互，项目采用Post方法通过Apache接口与网络服务器对接，Android 提供的Apache HttpClient是一个开源项目，弥补了标准 Java 接口灵活性不足的缺点，功能更加完善，为客户端的HTTP编程提供了高效、最新、功能丰富的工具包支持。使用这部分接口的基本操作与Java接口基本类似，主要包括：创建HttpClien以及 GetMethod/PostMethod，HttpRequest 等对象，设置连接参数，执行HTTP操作，处理服务器返回结果。核心代码为：

4.2 客户端管理界面

应用管理层不同于现场监控层，以防误操作引起的安全事故，工作环境不允许外部指令直接对系统设备进行操作。设计图5应用界面需要从数据库读取的工矿数据包括料流量、水流量、负荷、磨机电流、浓度、料累计、班累计、水累计等，同时将四组反映工作状态的料、水、磨机负荷和电流数据信息以折线的形式直观展示在工况图中，供管理层把握系统的运行趋势。界面还设有照明灯开关按钮和警报显示子界面，便于远程监视门窗了解车间安防状态。

4.3 磨矿成本分析计算

管理计算机客户端上传的工矿数据包括料流量、水流量、负荷、磨机电流、浓度、料累计、班累计、水累计等。工况图如图4中所示，四条曲线分别记录物料、水、磨机负荷和电流。影响企业效益的指标有劳动生产率、选矿回收率、精矿品位、劳动条件、电能消耗、钢球损耗、金属回收率、磨机处理量，根据模型计算综合指标，分析企业收益。endprint

通过数据计算吨产能够实时分析生产成本，但产量不同会造成人工等各项成本随之变化，无法直接按吨产计算成本。因此首先按天或按小时计算，然后根据产量计算吨产成本。

磨矿日产成本包括电耗成本、水耗成本、铁耗成本、设备损耗成本、工资、管理费，磨矿吨产成本由磨矿日产成本除以日产产量得到，而吨产铁精粉成本包括原料成本、破碎成本、磨矿成本、选别成本和管理成本。当前吨产铁精粉利润为铁精粉售价减去吨产铁精粉成本，因此计算日产利润由当前吨产铁精粉利润与精粉每日产量乘积得到。

5 结论

（1） 开发手机应用客户端供由管理层实时查看磨矿现场工作状态，界面直观操作便捷，同时可设置警报系统和权限避免误操作产生的事故。

（2） 网关Raspberry Pi具备多协议接口与感知层设备通信，针对RS485成熟工业仪表可即时扩展，并保存到MySQL数据库供提取，引入物联网架构实现了多平台灵活对接能力。

（3） 管理层通过产量指标评价磨矿效果，收集每个工程环节的历史数据进而建立模型，计算其对磨机效率系统的贡献值，进而判断磨机的产量和效率，便于评价各班的工作效果，实现按产计效，提升管理水平。

参考文献：

[1] 杨树亮， 范凌霄， 严凡涛， 等. 磨矿自动化控制系统在赤峰某钼矿的应用[J]. 有色金属（选矿部分）， 2012（4）：67-70.

[2] 王美燕， 王建民. 基于智能仪表的磨矿自动化与信息化研究与开发[J]. 河北联合大学学报：自然科学版， 2015， 10（37）：59-64.

[3] 杨志刚， 张杰， 李艳姣. 磨音影响因素分析与磨机负荷检测方法综述[J]. 金属矿山， 2015（2）：139-144.

[4] 邢波. 基于Raspberry Pi、Zigbee技术的无线智能家居系统设计[J]. 通信技术， 2014（6）：59-60.

[5] Jin J， Gubbi J， Marusic S， et al. An Information Framework for Creating a Smart City Through Internet of Things[J]. IEEE Internet of Things Journal， 2016， 1（2）：112-121.

[6] 劉仁春， 王棵， 朱成龙， 等. 基于物联网的移动输液系统的设计与实现[J]. 软件工程， 2016，19（3）：51-54.endprint