貴冶自動化控制技術的發展與思考

鐘耀球,常 春,馬英奕

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠,江西貴溪 335424)

貴冶自動化控制技術的發展與思考

鐘耀球,常 春,馬英奕

(江西銅業集團公司貴溪冶煉廠,江西貴溪 335424)

概要介紹了貴溪冶煉廠自動化儀表控制系統、生產過程信息化系統和實時數據庫系統的發展過程、基礎現狀、特點和存在的問題;對我廠未來生產過程自動化和信息化系統建設和發展提出了一些建設性意見和思考。

控制系統;實時數據庫系統;信息化管理;現場總線;FCS系統

1 概述

1.1 企業概述

江西銅業公司貴溪冶煉廠 (以下簡稱貴冶)是我國“六五”期間建設的國家重點工程項目。經過三十年的建設和發展,現產能已達 90萬噸銅/年,是我國目前設計規模最大的現代化銅冶煉企業。工程分四期建設,一期工程主體工藝和設備于1979年分別從日本住友公司和芬蘭奧特昆普公司成套引進,1985年 12月建成投產,生產能力為年產 9萬噸銅,其中電解銅 7.5萬噸/年。此后,為了應對國內外銅市場的需求與競爭的需要,進行了一系列提高產能、提高效率和降低成本的挖潛改造項目,生產規模不斷擴大。自 1987年至 2007年先后啟動了閃速熔煉富氧挖潛、二期、三期和四期等工程建設,使得電解銅產能由 7.5萬噸上升到 15萬噸、20萬噸、42萬噸、70萬噸、90萬噸,主產品先后全部在LEM注冊,實現了產量、質量的跳躍式發展,且是國內目前唯一一家擁有兩套以閃速爐為核心系統的銅冶煉企業。

1.2 自動化系統概況

隨著貴冶產品產量及質量的逐年提高,其自動化控制水平也發生了質的變化,自動化建設經歷了以下三個發展階段:

(1)投產伊始,自動化儀表控制系統是采用日本北辰公司 (現日本橫河公司)生產的、性能優良、在當時國內外處于先進水平的 EK系列Ⅱ型電動單元組合式儀表,閃速爐模型控制系統采用HOC900上位機,通過 SPC控制方式,與儀控系統組成了一套完整的在線式計算機先進 (數模)控制系統,這在當時的同行業中,全世界僅有日本東予冶煉廠和貴冶成功應用了這項處于世界領先水平的控制技術。

(2)90年代中期,基于計算機、通訊往絡和圖形顯示技術發展而在 70年代中期開發的 DCS系統(分散控制集中監管控制系統)和技術已日臻成熟,而在這一時期,貴冶的 EK系列儀表已投入運行了近十年正處于故障高發期,維護量和維修成本大幅上升,此時,又恰逢貴冶二期工程正在初步設計階段。貴冶的決策者高瞻遠矚,及時采納工程技術人員的建議,決定利用 94年閃速爐冷修時間,先期將主工藝線上儀控系統更換成DCS系統,為貴冶二期工程中全面推廣應用 DCS系統積累經驗和創造條件。經調查比較,選用了性價比高、系統運行穩定、易擴容和新舊產品易兼容的美國 Honeywell公司的TDC-3000系統,同時將上位機 HOC900系統更換為美國 DEC公司的 VAX系列小型機 (DEC VAX4000A),并構建以 FDD I雙環光纖為主干網的全廠計算機網絡,完成與主工藝線上的DCS系統實現異構系統的集成。隨著工廠的擴建改造,相應的儀表也進行更新技術改造,逐步完成了從分體儀表向DCS系統的升級換代,奠定了貴冶 PCS系統 (基礎層過程控制系統)的發展基礎。

(3)進入二十一世紀,由于自動化技術的發展,以開放性、互操作性、全數字化、智能化與功能自治性的總線技術為核心的 FCS系統(現場總線控制系統)已進入成熟推廣的黃金階段[2],且市場份額近年來擴張極快,必將是未來工業自動化儀表控制系統和技術的發展方向。2006年底,國家批準貴冶四期工程(新 30萬噸銅冶煉項目)建設,正好利用該工程設計過程這一個絕佳的契機,在項目中分別引進DeltavFF和 CS3000R3現場總線控制系統[2],采用 FF總線協議 (基金會現場總線協議)。同時,與北京太極公司(華北計算機研究所)合作,采用全新的面向對象的和模塊化設計方法重新設計與構建計算機數摸優化系統。使貴冶自動化基礎建設又一次跟進世界發展的水平。

目前全廠十一個主要生產車間共采用了 21套DCS、FCS和11套 PLC控制系統,檢測調節回路 2千多個,檢測點數 8千多點,儀表臺件數近萬(其中 FF總線儀表 4百多臺),I/O點數高達 2萬點,共有 3千余臺機電設備和萬臺儀表設備受控于這些系統,并在流程關聯密切的車間或工段之間實現了基礎級的網絡互聯通信。各控制系統通過網關或網橋與 PI實時數據庫系統聯網通訊,實現了生產控制域與管理信息域廣泛的信息共享,形成了功能全面,輻射全廠的先進的管控一體化網絡,使貴冶過程控制自動化和企業信息化管理水平一直處于同行業的較高水平。

2 自動化系統現狀與啟示

2.1 系統配置簡介

2.1.1 基礎級自動化系統

基礎級自動化控制系統主要分布于全廠Ⅰ系統和Ⅱ系統的 30多個控制室內。根據各生產車間 I/ O總數、開關量輸入輸出點數與模擬量輸入輸出點數的比例和生產過程被控對象的特點,選擇了不同的控制裝置。

表 1 Ⅰ系統自動化控制系統和計算機數摸優化系統設備表

表 2 Ⅱ系統自動化控制系統和計算機數摸優化系統設備表

2.1.2 計算機數摸優化系統

在貴冶Ⅰ系統 (二、三期工程)中,閃速爐數模優化系統的在線控制方式仍沿用 SPC控制方式,上位機則由 HOC900系統更換為美國 DEC公司的VAX系列小型機,在計控辦公樓主機房設置了由 2臺DEC VAX4000A小型計算機及硬盤陣列構成的高可靠性集群系統 (Cluster),并在該系統中安裝了SYBASE數據庫,該系統主要用于閃速爐數學模型在線控制,同時還承擔生產過程數據集成和管理層數據服務;在貴冶Ⅱ系統 (四期工程)中,則以 Sun小型機 +PI實時數據庫 +W indowsPC機作為整個系統的基礎平臺,為了確保整個系統的高可靠性和高可用性,采用冗余的系統服務器結構,以兩臺SUN V440小型機 +磁盤陣列構成雙機系統,布置在西區綜合辦公大樓主機房內。整個系統采用 C/S+ B/S結構模式,所有關鍵核心業務模塊都運行在SUN小型機服務器上,操作瀏覽界面部署在客戶端W indows PC機上,同時,支持WEB方式瀏覽等功能等,充分結合了小型機安全、穩定、可靠、高效和W indows操作方便、易維護、界面美觀等特點。

2.1.3 實時數據庫系統

在貴冶三期工程中,新增部分網絡和設備對原信息網絡進行改造,過程控制網仍采用 FDD I網并設置大型過程實時數據庫,用于Ⅰ系統生產過程DCS和 PLC系統的數據采集,為此引入了北京三維公司的實時數據庫 Superinfo系統,基本消滅了生產過程級信息孤島;在新 30萬噸建設中,分別對全廠Ⅰ/Ⅱ系統的管控網和實時數據庫系統的硬/軟件環境分別進行了升級改造,其中,管控骨干網采用千兆以太網,其它各職能管理部門、生產車間以及各生產車間控制裝置的控制網,則通過光纖構成百兆以太網結構,基本上形成了全廠網絡平臺系統;引進美國OSISoft公司的 PI實時數據庫,把運算、控制、分析、管理等各類數據整合在一個平臺上,構建全廠統一的實時數據庫系統,使得數據接口、人機接口的開發進一步與核心模型的開發分離,簡化了開發進程,系統的安全、容錯能力也得到提高。網絡硬件環境及網管系統支持各種 Internet方面的服務 (如電子郵件、WWW、FTP等),支持實時數據采集系統、調度優化系統、管理信息系統、辦公自動化系統、廠長決策支持系統;可實現多媒體網絡系統(如:網絡傳輸視頻會議、電視監控等一系列多媒體的應用)等,可用于對工廠生產數據和企業管理數據的組合、分析和實現企業各個方面數據共享。

2.2 系統結構特點

整個系統具有以下特點:

(1)各生產車間全面采用先進的 DCS、PLC控制系統,實現了全廠基礎自動化控制,并實現全廠控制系統聯網及實時數據共享,全廠無“自動化信息弧島”;

(2)在小型計算機系統中運行基于數學模型的閃速熔煉優化控制軟件和管理數據庫軟件,通過計算機及網絡通信技術實現貴冶閃速爐在線優化控制,基本上達到穩定生產,改善指標、增加產量、減少消耗、降低成本和提高經濟效益的目標,閃速熔煉主要技術指標進入世界先進水平;

(3)應用先進的計算機網絡技術,實現了主要工藝流程實時數據和監控畫面在工廠管理層桌面PC機上的遠程瀏覽功能,為企業 ERP的發展奠定了基礎。

(4)四期工程部分采用了作為流程工業未來發展方向的 FCS控制技術,積累了設計和工程經驗,為今后貴冶全面推廣這項新的工業自動化技術奠定了基礎。

2.3 系統存在的問題與啟示

經過三十年的發展,貴冶雖然在自動化控制技術和裝備水平以及企業信息化管理方面已取得了長足的進步,但在自動化技術應用過程中仍存在以下問題,總體而言與國外乃至國內先進的石化企業相比仍有較大的差距,主要歸結為:

(1)DCS系統功能未能充分發揮:工廠已用DCS系統或 PLC替代了電動 III型單元儀表,但由于缺乏創新提高,未能引進先進控制技術和優化控制技術,軟件開發未予重視,結果 DCS強大功能未能得到高效發揮。

(2)代表國際自動化發展方向的是電儀一體化操作、控制,而貴冶未能突破傳統模式,仍沿用電氣、儀表分離控制和操作方式,其結果造成控制系統資源和投資浪費。

(3)在過程自動化基礎工藝參數的檢測方面:專用儀表亟待開發,檢測 (執行)水平有待提高,軟測量技術尚未應用以及環保檢測控制技術不能滿足環保治理要求等等,如冶煉過程原料、中間產品、排放水重金屬量、渣中鐵硅比、鈣硅比等快速分析儀器系統等。

(4)在先進控制技術軟件開發和應用方面:我廠除閃速爐模型控制實施了先進控制技術外,迄今仍未鮮見先進控制技術在 DCS系統上加以實現的實例。而先進控制技術軟件,為生產過程中的控制難題如非線性、大滯后、多變量、強耦合、多約束條件、不確定性、多控制目標等的解決,提供了強有力的工具。這些先進控制技術早在 70～80年代已經開發,并已在 DCS平臺上應用于流程工業,據有關資料不完全統計,國外較著名先進控制技術軟件包,如 Setpoint、DMC、Adersa、Honeywell、Protimatic、Treiber Controls等,已有 2400多套在石油、化工、采礦、冶金、造紙、公用工程中得到應用?？梢灶A見這些先進控制技術(軟件)(包括預估控制、模糊控制、魯棒控制、智能控制、自適應控制、神經網絡控制、軟測量等)正以其優異的控制指標、明顯的經濟效益必將在各流程工業中得到廣泛應用。引進和應用這些先進技術,正是我廠過程自動化發展今后應明確的任務。

(5)作為流程工業自動化未來發展方向的現場總線 FCS控制技術,雖然在我廠有所應用,但未能有效的發揮 FCS總線技術所具有的多功能、智能化、可組態、自診斷、可雙向通訊等優勢和作用。實際上智能化儀表通過現場總線 FCS系統與設備資源管理系統 (AMS/PRM)、Internet或Intranet通訊網絡與計算機管理系統相連接即構成了企業長期追求的管控一體化的計算機集成過程系統 (IPS)[3]:

①使用先進的現場總線數字儀表和 FCS系統,實現工廠生產過程全部信息的數字化,使你能透徹地洞察你工廠生產過程的每一個環節[3]。

②使用先進的設備管理軟件 AMS(AssetManagement Software)和高級監視軟件等,使你能預測你工廠設備的將來,實現工廠真正意義上設備前瞻性預知維修管理體系[1]。

(6)MES/ERP(工廠制造執行系統/企業資源綜合規劃)[4]系統未建立:我廠雖然建立了過程控制和信息管理一體化的網絡,但只停留在各類信息收集、簡單數據處理和初級應用等較低水平階段,還沒有建立實用、高效的企業信息分析及決策系統MES/ERP,這都影響著企業管理和決策現代化水平的提高,更難以達到國外企業已在實行的“從生產到市場全方位的實現生產過程高質量低成本”的控制目標,也難以應用現代自動化和信息化技術與企業管理有效結合從而實現企業綜合生產技術指標和經濟指標優化的數字管控一體化的目的。

3 貴冶自動化技術的思考與發展

伴隨著 FCS總線技術在四期工程中的應用,貴冶的自動化應用水平和設備裝備水平上升到一個全新的高度。但從客觀上來講,目前貴冶自動化控制系統的功能事實上僅僅局限于滿足單個生產車間或裝置的監視和控制。另外,雖然通過 PI實時數據庫,把 PCS過程控制層各裝置的運算、控制、管理等各類數據整合在一個平臺上,消滅了“信息孤島”現象,但也僅僅局限應用于遠程用戶對現場裝置的流程圖、趨勢圖瀏覽以及對采集的實時數據和歷史數據的訪問、查詢等基本功能。而對更深層次的開發應用,諸如消除生產過程中非計劃停車、先進控制、設備生命周期管理、能源管理、生產成本最優規劃、可計量生產利潤的功能等,以及如何克服生產系統與經營管理系統實現綜合指標優化的壁壘,使經營管理與工廠生產形成閉環的前提下追求績效最佳的協調自動化系統的理念等。因此,我們認為未來江銅貴冶自動化的發展和建設,不僅要建設精細化管理的車間,更要著眼于精細化管理工廠,從以下幾個方面來思考。

①利用現有的 PLC、DCS、FCS自動化控制裝置和 PI實時數據庫平臺,與科研院校相結合,充分利用各方的優勢,針對我廠工藝操作的特點和需求,采用神經網絡控制、模糊控制、過程優化和軟測量等先進控制技術,不斷研發如閃速爐優化在線計算模型這類針對生產過程裝置對象的實時生產優化控制系統,以縮小閃速爐銅冶煉生產在能耗、成本、環保、勞動生產率和金屬直收率等方面與國外發達國家的差距,并在此基礎上,開展針對陽極爐、傾動爐等大耗能裝置的模型優化,實現離線指導和在線控制,以減輕工藝操作人員的勞動強度、提高經濟效益,達到節能降耗、環保目的。

②加強基礎自動化檢測儀表的應用研究和開發,完善或實現全工藝參數的檢測,提高調節介質(原料、輔料、燃料、中間產物)的執行應用水平,對于難以實現的工藝參數檢測應推廣應用過程參數軟測量技術。

③充分運用現場總線設備 FCS所賦予的豐富的管理信息,直觀、全面地反映現場設備的狀態,以便把傳統經驗型的被動維護設備管理模式,轉變成知識結合經驗型的主動預知維護設備管理模式,徹底改變傳統設備維修體制造成的設備過修、欠修、低效和費用高的浪費被動局面[1],既通過利用 FCS技術,對設備進行動態維護,來實現設備的全壽命周期管理[3],從而達到減少非計劃性停車的目的。

④隨著自動化控制技術的發展,在新的技術背景下,要對傳統習慣總結提升,進行合理的揚棄,要打破長期以來將工業控制領域人為劃分為電氣控制、過程控制、運動控制等專業的束縛,建立統一的工程設計平臺和統一的生產運營平臺,從而真正的實現以自動化、信息化、集成化為核心的工廠管控一體化和全流程電儀一體化,并完善業已形成的具有貴冶特色的作業模式,使之更高效、更合理,促進工廠管理水平進一步提高。

⑤在世界經濟全球化大環境下,江銅作為我國最大的銅工業生產基地,要進一步做大、做強、做好,躋身于世界一流銅業公司,必須加強企業自動化和信息化的建設。從這個意義上說,對工廠的信息化進行全面的整合,促進整個工廠管理觀念的提升,改變過去以車間為主體的集約式寶塔形管理為以工廠為主體的集群式扁平化管理,形成以自動化、信息化、集成化為核心的符合 PCS/MES/ERP三級結構體系的全企業綜合自動化系統[4],從而為工廠步入世界級先進管理水平打造出高效率的生產作業經營管理平臺。江銅貴冶 PCS/MES/ERP三級結構體系結構如圖 1所示,總體實現目標為[4]:

⑴以產品質量和工藝要求為指標的先進過程控制技術(PCS級);

⑵以經濟指標為目標的生產過程優化運行、優化控制和優化管理技術(MES級);

⑶以財務分析決策為核心的整體資源優化技術(ERP級);

⑷以企業戰略目標為導向、知識鏈為依托的三級結構集成技術

⑸以工廠經營管理與產品生產形成閉環、追求績效最佳的協調自動化的系統理念,并把這種要求轉化為一種有效的可執行的發展規劃。

圖 1 生產過程管理流程發展三級結構示意圖

4 結束語

借鑒和吸取貴冶前期自動化建設的經驗,就應在貴冶未來自動化發展規劃建設上,將高起點的生產過程自動化、信息化技術作為應用新技術的主要內容。在設計階段就應確立電儀一體化、管控一體化和系統網絡化的自動化項目建設目標,并在工程建設中得到很好的實施。企業信息化、管控一體化和全流程電儀一體化,符合今后自動化信息化發展的主導方向,有助于提升企業操作、運行和管理水平[4]。貴冶已經具備了國內領先企業自動化信息化基礎設施和可貴的人力資源,在企業信息化、管控一體化和全流程電儀一體化、管理信息系統的基礎上,只需根據工藝特點、生產的需求,進一步發揮現有DCS系統功能潛力,重視軟件平臺的開發完善,大力采用現代先進控制技術就有可能較快建成符合 PCS/MES/ERP三級結構體系[4]的全企業綜合自動化系統,必將進一步提高企業綜合技術經濟指標,取得更大的經濟效益,使江銅公司在今后日益激烈的市場競爭中立于不敗之地。

REFERENCES

[1] 鐘耀球.創新 FF總線智能設備維護管理與應用[J].自動化博覽 2009.(10):50-52.

[2] 鐘耀球,張衛華.FF總線技術在貴冶新 30萬噸工程中的應用[J].中國儀器儀表,2008,(12):56-60.

[3] 鐘耀球,張衛華.FF總線控制系統設計與應用[M].中國電力出版社,2010.1.

[4] 彭瑜.過程控制系統技術的戰略轉移和自動化體系架構的發展[J].自動化儀表與裝置,2008,(10):1-11.

Development and Consideration to Automatic Control Technology in Guixi Smelter

ZHONG Yao-qiu,CHANG Chun,MA Ying-yi
(Guixi Smelter of JCC,Guixi,335424,Jiangxi,China)

he instrument control system,automated information system and real-time database system developmentprocess,status,characteristics and problems are introduced in this article.Some constructive suggestions and considerations are proposed to production automation and automated information system construction for Guixi Smelter future production process.

control system;real-time database system;information management;CAN-bus;FCS-system

book=68,ebook=178

TF35

C

1009-3842(2010)03-0068-05

2010-07-05

鐘耀球(1965-),男,江西萍鄉人,高級工程師,貴冶自控首席工程師。主要從事工業自動化儀表的應用、維護、管理、貴溪冶煉廠DCS系統的應用軟件的開發和編程,E-mail:jsjkz@163.com