劉 洋， 顧貴鴻， 盧 強， 鄔青秀， 李 然， 曾尚林， 符嘉浚

（1.長沙礦冶研究院有限責任公司，湖南長沙410012；2.湖南長遠鋰科股份有限公司，湖南長沙410205；3.天津中德應用技術(shù)大學軟件與通信學院，天津300350）

隨著現(xiàn)代工業(yè)快速發(fā)展，綜合管控能力增強和標準化提高，對生產(chǎn)自動控制水平提出更高要求［1］。 近年來稀貴金屬市場較為低迷，很多冶煉廠通過技術(shù)改造項目提高綜合回收效益。 某冶煉廠新上項目——稀貴金屬綜合回收技改工程，生產(chǎn)全流程長，設(shè)備較為分散，指標控制要求高。 集散控制系統(tǒng)（Distributed Control System，簡稱DCS 系統(tǒng)）是以微處理器為基礎(chǔ)，采用控制功能分散、顯示操作集中、兼顧分而自治和綜合協(xié)調(diào)設(shè)計原則的新一代儀表控制系統(tǒng)，具有組態(tài)靈活多樣、危險性分散和管控集中等優(yōu)點［2］，在提高控制回路質(zhì)量、安全穩(wěn)定運行和加強生產(chǎn)管控方面顯示了其優(yōu)越性能，且能自我改善系統(tǒng)內(nèi)部的軟件工作環(huán)境。 本文將DCS 系統(tǒng)應用于該冶煉廠的過程監(jiān)控和生產(chǎn)管控，以期為企業(yè)提供穩(wěn)定可靠的工業(yè)數(shù)據(jù)以指導生產(chǎn)［3］。

1 系統(tǒng)工藝流程

該系統(tǒng)自動控制流程分為焙燒磨礦、富氧浸出和萃取精煉3 大部分，其中焙燒磨礦和富氧浸出共用一套DCS 控制系統(tǒng)。 相比傳統(tǒng)的PLC 控制系統(tǒng)，采用DCS 具有編程工作量小、軟硬件組態(tài)和維護方便、工程建設(shè)簡單等優(yōu)點，控制功能與信息通信穩(wěn)定，硬件平臺和軟件平臺形成一體化設(shè)計，控制系統(tǒng)畫面具有友好性，迎合各類冶煉廠對控制系統(tǒng)的需求。

焙燒磨礦工藝流程主要為：料倉→滑架卸料器給料→回轉(zhuǎn)焙燒→磨礦（雷蒙磨）→粉末收塵→星型卸料→氣力輸送→單螺旋計量→料漿攪拌。

2 DCS 系統(tǒng)架構(gòu)及配置

DCS 控制系統(tǒng)架構(gòu)主要由工程師ES 站（編程調(diào)試）、操作員OS 站（操作）、服務器、現(xiàn)場控制Clt 站（客戶端）及通信網(wǎng)絡(luò)5 個部分構(gòu)成，可將焙燒磨礦車間過程優(yōu)化、現(xiàn)場控制、故障診斷等功能集成在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，構(gòu)建了綜合信息平臺，實現(xiàn)工藝過程的管控一體化處理［4］。

實現(xiàn)控制系統(tǒng)的3 個縱向功能層由監(jiān)控層、控制層和執(zhí)行層構(gòu)成，該3 層結(jié)構(gòu)以工廠網(wǎng)和終端網(wǎng)為2層橫向網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和以實時／歷史數(shù)據(jù)庫和關(guān)系數(shù)據(jù)庫為中心。 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架示意圖見圖1。

圖1 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意

對于焙燒磨礦、富氧浸出監(jiān)控層為數(shù)據(jù)處理控制中心，設(shè)有工程師站和單站各1 臺、操作站和服務器（具有冗余服務器）各2 臺，其中監(jiān)控層對整個富氧浸出車間進行監(jiān)測遙控。

1） 人機接口站。 本系統(tǒng)設(shè)有操作員站2 套、單站和工程師站各1 套，通過以太網(wǎng)工業(yè)交換機進行聯(lián)接。

2） DCS 處理單元。 整個焙燒磨礦、富氧浸出DCS控制系統(tǒng)含控制器AS410 smart 冗余配置共1 對、雙面IO 控制機柜4 個，采用DP 通信連接柜內(nèi)雙面及柜體之間，柜內(nèi)共計ET200M 型I／O 擴展模塊10 塊、AI 模擬量輸入卡件16 塊（8 通道）、AO 模擬量輸出卡件3塊（8 通道）、DI 數(shù)字量輸入卡件18 塊（32 通道）和DO 數(shù)字量輸出卡件30 塊（8 通道）。

其中焙燒磨礦控制柜如圖2 所示，具有DI 卡件2塊、DO 卡件2 塊和AI 卡件2 塊。

圖2 焙燒磨礦控制卡件

3） 其他外圍設(shè)備。 包含智能交換機4 套、終端盒4 個和UPS 電源1 臺。

整個焙燒磨礦車間由DCS 系統(tǒng)進行自動控制，其主要任務為：對該車間生產(chǎn)過程控制狀態(tài)進行在線監(jiān)視；監(jiān)控設(shè)備運行參數(shù)；綜合液位、流量等多種生產(chǎn)資料，可繪制多組趨勢曲線用于查詢和監(jiān)測數(shù)據(jù)變化；記錄所有生產(chǎn)設(shè)備狀態(tài)、故障及操作。

3 焙燒及磨礦DCS 系統(tǒng)功能與控制層級

焙燒磨礦車間主要由料倉、螺旋給料機、滑架卸料器、焙燒爐、雙螺旋破碎機、刮板機、雷蒙磨、羅茨風機、螺旋氣力輸送泵、旋風收塵器、布袋收塵器、星型卸灰閥、單管螺旋計量秤、料漿攪拌槽等組成，如圖3 所示。

3.1 現(xiàn)場控制層

焙燒磨礦現(xiàn)場控制層是整個焙燒磨礦、富氧浸出控制系統(tǒng)中現(xiàn)場控制分站，由2 套具有雙機熱備、性能穩(wěn)定可靠的AS410 Smart 處理器、各類模擬量檢測儀表以及控制設(shè)備組成。

系統(tǒng)在該層實現(xiàn)了對提升機、皮帶、料倉、螺旋給料機、滑架卸料器、焙燒爐、雷蒙磨、羅茨風機、粉末收塵、單管螺旋計量稱及料漿攪拌槽等主要生產(chǎn)設(shè)備過程參數(shù)及低壓柜等電氣設(shè)備的控制和保護。 根據(jù)工藝控制的要求，對料倉料位、給料頻率、雷蒙磨電流、中間倉料位、料漿攪拌槽液位及氣體報警器等參數(shù)同時進行了監(jiān)測和控制。

3.2 過程監(jiān)控層

過程監(jiān)控層是數(shù)據(jù)交換與顯示的控制平臺，由組網(wǎng)在工業(yè)以太網(wǎng)上的工程師站、單站、操作站以及服務器等5 臺工控計算機及液晶顯示屏幕等設(shè)備構(gòu)成，其中服務器主要工作為管理網(wǎng)絡(luò)上的系統(tǒng)數(shù)據(jù)。

圖3 焙燒磨礦控制系統(tǒng)示意

過程監(jiān)控層通過wincc 組態(tài)工具和軟件實現(xiàn)焙燒磨礦車間所有儀表數(shù)據(jù)的集中監(jiān)視和計算顯示、現(xiàn)場各流程的控制組態(tài)、趨勢曲線多樣化顯示、在線和歸檔數(shù)據(jù)處理以及實時控制指令等功能［5］。

4 DCS 系統(tǒng)的信息數(shù)據(jù)通信

4.1 焙燒爐信息通信

焙燒爐是焙燒磨礦系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的設(shè)備，其主要功能是對礦粉進行烘干焙燒，爐腔溫度在600 ℃左右，主控室需監(jiān)控其運行狀態(tài)，將其運行信號及溫度頻率等數(shù)據(jù)傳送至DCS 系統(tǒng)［6］，免去人工現(xiàn)場查看運行數(shù)據(jù)。

對焙燒爐的監(jiān)測主要為采集其運行數(shù)據(jù)，包括進料螺旋機頻率、爐內(nèi)和爐腔溫度、筒體轉(zhuǎn)速、出風和出料溫度以及其他輔助設(shè)備運行和故障信號，如圖4所示。

圖4 焙燒爐監(jiān)測畫面示意

由于烘干爐自帶PLC314C-2，為實現(xiàn)與DCS 通信，需加配CP342-5DP 通信硬件模塊，并設(shè)置為DP從站。

DCS 系統(tǒng)中則添加CP342-5 軟件模塊，在DP 總線上添加CP342-5 DA03，保持硬件模塊標識一致。

從烘干爐共計傳送64 個數(shù)字量和16 個模擬量信號，占用72 個字節(jié)，即36 個字，為保持傳送數(shù)據(jù)一致性，DCS 系統(tǒng)中CP342-5 下插入DP ID 共計32＋4個字。

為更加方便管理傳送數(shù)據(jù)，新建FC400 功能塊，調(diào)用SFC20（BLKMOV）對PD ID 地址進行打包傳送至DB 數(shù)據(jù)塊處理，如圖5 所示。

采用SFC20 方式大大減少了工程師編程工作量，保持數(shù)據(jù)同源性，避免數(shù)據(jù)映射錯誤。

圖5 FC400 功能塊程序

4.2 雷蒙磨變頻通信

雷蒙磨及其輔助設(shè)備也是整個焙燒磨礦系統(tǒng)中較為關(guān)鍵的設(shè)備，由雷蒙主機、主風機、分析機和收塵裝置等組成，需在DCS 系統(tǒng)中對雷蒙磨的變頻頻率和電流進行監(jiān)控。

雷蒙磨自帶PLC200，采用EM277 通信獲取雷蒙磨運行數(shù)據(jù)信息，變頻器頻率監(jiān)控來源有兩處——變頻器和磨機PLC，對兩者可兼用不同方式進行變頻調(diào)速處理，本系統(tǒng)采用DP 總線通信方式，將變頻器和PLC200 都并入中繼REPEAT，且分別撥碼地址。

在硬件組態(tài)中，添加安裝丹佛斯EM277 的GSD文件并調(diào)用，設(shè)置與變頻器對應地址，如圖6 所示。

在CFC 編程中，為方便調(diào)試讀取數(shù)據(jù)結(jié)果、核對結(jié)果準確性，可使用SEL_R 程序塊作選擇處理，經(jīng)調(diào)試知，直接從變頻器DP 通信讀取頻率數(shù)據(jù)準確，而通過PLC 的EM277 擴展模塊讀取頻率相差10 Hz，可能DP 總線存在干擾，最終選擇直接讀取變頻器頻率。

5 系統(tǒng)應用效果

DCS 系統(tǒng)自2016 年12 月在某冶煉廠全面運行以來，運行穩(wěn)定，現(xiàn)場人員減少三分之二以上，基本實現(xiàn)了遠程控制和集中控制，保障了作業(yè)人員安全，人力成本直接和間接降低，且標準化與程序化管控生產(chǎn)過程使得生產(chǎn)指標一致性與整線產(chǎn)能得到提高，經(jīng)濟效益顯著。

6 結(jié) 論

通過對某冶煉廠稀貴金屬綜合回收技術(shù)改造項目焙燒磨礦生產(chǎn)流程構(gòu)建DCS 系統(tǒng)，有效地解決了生產(chǎn)過程控制與成套設(shè)備信息通信的全流程集中管控難點；同時通過分布式集中控制系統(tǒng)替代人工作業(yè)，提高了生產(chǎn)系統(tǒng)高效性、穩(wěn)定性和安全性。 本項目實現(xiàn)了生產(chǎn)工藝流程與先進過程控制的典型應用，為其下一步建設(shè)智能冶煉工廠奠定了自動化基礎(chǔ)條件。