采用DCS和FCS相結合的自動化系統在黃金選礦廠中的應用

倉冰南,王俊鵬,李云慶,王一兵

（1.北京礦冶研究總院；礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室,北京102600；

2.山東黃金礦業（萊西）有限公司,山東 萊西 266613）

采用DCS和FCS相結合的自動化系統在黃金選礦廠中的應用

倉冰南1,王俊鵬1,李云慶2,王一兵2

（1.北京礦冶研究總院；礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室,北京102600；

2.山東黃金礦業（萊西）有限公司,山東 萊西 266613）

摘要：北京礦冶研究總院采用DCS和FCS相結合的方式搭建了黃金選礦廠自動化系統。DCS相較FCS調試方便，故障排查更直觀，對維護人員技術要求不高，不會由于某臺設備故障導致一系列設備失去控制；但FCS由于采用了現場總線技術，相比DCS更節約電纜，施工更簡單且設備可集成信息量更大。北京礦冶研究總院對關鍵設備的控制采用DCS方式，而對設備信號集成采用FCS方式，保證了自動化系統在控制可靠性的前提下充分利用了FCS的技術優越性，可達到技術先進性和控制可靠性之間的平衡。

關鍵詞：現場總線控制系統（FCS）；分布式控制系統（DCS）；黃金選礦廠；自動化

1　前言

山東黃金礦業（萊西）有限公司采選1000t/d選礦廠全流程自動化系統工程由北京礦冶研究總院負責工程總承包。工程內容包括破碎篩分、磨礦浮選、精礦濃密脫水、尾礦輸送等內容，在選礦磨浮廠房設有中央控制室（以下簡稱中控室），將上述幾部分內容的主要設備運行情況、工藝過程參數等數據送到中央控制室，中控室根據生產狀況和要求對工藝參數和工藝過程進行自動調節和控制。

2　黃金選礦廠工藝流程概述

山東黃金礦業（萊西）有限公司1000噸/日采選工程，其選礦流程由破碎、磨礦、浮選和濃縮過濾等工藝流程組成，產品為金精礦。選礦廠全廠工藝流程如圖1所示。

3　黃金選礦廠自動化系統設計

3.1 DCS技術概述

圖1　工藝流程圖

自 1975 年 Honeywell 公司推出的 TDC2000 集散控制系統以來,集散控制系統在近 30 年的發展過程中逐步完善、成熟,20 世紀八、九十年代在控制領域中占主導地位。其基本思想是分散控制集中管理。集散控制系統具有控制功能多樣、操作簡便、維護方便、可靠性高、便于與其他計算機聯用等優點。但是DCS 系統基本上是采用一對一連線,4～20mA （或0～10V）模擬信號進行檢測與控制, 致使設備與設備之間、系統與系統之間、系統與外界之間無法進行信息交流,在一定程度上成為“信息孤島”[1]。

3.2FCS技術概述

現場總線控制系統（FCS）技術是將專用微處理器植入傳統的儀表或IO模塊,使它們各自都具有數字計算和數字通信能力,采用專用的通訊總線電纜把它們聯結在一起,使它們彼此或它們和計算機間具備交換相應信息和傳輸相關數據的能力[2]。不同于DCS傳統的IO單元和控制站，FCS將DCS各控制站的功能塊分散到了各現場設備中，用戶可以對各個功能塊統一選擇并進行硬件組態，這就實現更加徹底的分散控制。[3-5]但由于FCS中各設備均通過若干總線進行連接，一旦某個設備出現故障就極有可能影響整條總線通訊導致整條總線上的設備均失去控制。此外，FCS系統出現故障后排查起來不直觀，對于維護人員的技術要求也更高。

3.3黃金選礦廠自動化系統網絡結構設計

山東黃金萊西選礦廠全流程自動化系統工程采用了DCS和FCS相結合的自動化系統搭建方式，車間低壓電氣設備的控制采用DCS方式集成，而更多信號信息集成則采用FCS方式集成。根據車間地理位置設置2臺PLC主站，破碎段設置1臺GE RX-3i的PLC作為破碎段主站，置于破碎車間動力中心內；磨礦浮選段設置1臺GE RX- 7i的PLC作為磨浮段控制主站，置于中央控制室電子間內。全廠同樣根據車間地理位置為依據設置2個段級操作控制室，即破碎段自動化控制室、磨浮段自動化控制室（中控室），磨浮段自動化控制室暨全廠中控室，集成全廠自動化信息。為了保證自動化的可靠性，將較重要的磨浮主站配置為冗余結構。各PLC之間以及控制室之間通過工業以太網進行連接。

2個CPU主站中的數據均進入布置于中控室冗余配置的DAServer（數據采集服務器）里。操作員站通過DAServer接收PLC集成的車間數據并對PLC給出控制命令。破碎段、磨浮段的自動化控制由放置于破碎段自動化控制室、磨浮段中控室內的操作員站分別進行處理。破碎段自動化控制室和磨浮段中央控制室之間利用以太網進行連接構成全廠的管理網絡。

由于磨礦和浮選車間段包含較多設備，因此除CPU主站外還設置有2臺IO從站，組成主—從站PLC控制系統。由于高位水IO站距離主站距離較遠，因此采用光纖連接，通過光纖終端盒、跳線、帶光口交換機等實現光電轉換，最終將該從站和主站連接起來。圖2為該黃金選礦廠自動化系統架構網絡示意圖。

3.4 黃金選礦廠自動化系統與現場儀表選型

由于各車間檢測和控制點不是很多，因此我方均選用了提供4-20mA信號接口的儀表。為保證電氣控制的穩定性和便于排查故障，車間內各常規低壓電氣設備集成均采用硬接線方式進行控制；為盡可能多讀取設備信息，且各常規低壓電氣設備控制柜均集中布置于各車間低壓配電室中，因此各常規低壓電氣設備信息讀取均采用總線方式集成，本項目采用Modbus-RTU總線方式進行集成。除了各種檢測和控制儀表和車間常規低壓電氣設備外，各車間還有一些第三方設備需要集成到自動化系統中來，這些設備很多提供DP通訊接口。我方可從設備通訊模塊的DP接口上通過接入DP通訊插頭將其掛在Pro fi bus DP現場總線上連接到PLC中進行信號集成與控制。

綜上所述，各車間現場儀表、低壓電器設備和第三方設備與PLC系統的通訊方式主要分為3類，即Pro fi bus DP、Modbus rtu以及硬接線等3類。我方的控制系統選用了國際上先進的GE RX系列PLC。其中DP通訊選用GE 的Pro fi bus DP主通訊模塊，Modbus通訊則選用GE專用的Mobus rtu主站通訊模塊，除此之外，選型時還需選用GE的DI、DO模塊及AI、AO模塊。對于現場儀表距離IO站較遠，超出通訊電纜長度限制的情況，還需在現場儀表側設計控制箱用來放置OLM模塊，同時在從站上亦應加裝OLM模塊，DP通訊電纜首先連入OLM模塊，兩個OLM模塊之間再通過光纖實現長距離信號傳輸。某CPU站控制系統選型設計見下表。

4　結語

本項目采用DCS和FCS技術相結合的方式搭建了山東黃金萊西選礦廠自動化系統。DCS系統相較FCS系統調試方便，出現故障排查起來也更加直觀，同時對于選礦廠技術人員來說維護也比較容易；此外，DCS系統不會出現FCS系統中由于某一臺或幾臺設備故障從而導致全廠總線網絡癱瘓而影響生產的情況。但是FCS系統由于采用了現場總線技術，相比較DCS系統更加節約電纜，施工更簡單且可以集成信息量更大[3]。因此，我們對于關鍵的影響生產的低壓電氣設備的控制采用DCS控制方式，而對于相對來說次重要的低壓電氣設備的更多信號信息讀取則采用FCS方式進行集成，在充分節約電纜、減少施工量的前提下集成盡可能多的設備信號信息。這就在保證了自動化系統在控制可靠性的前提下充分利用了FCS系統中現場總線技術的優越性，達到了技術先進性和可靠性之間的平衡。

圖2　自動化架構網絡示意圖

某控制系統CPU站設計選型表

綜上，在規模適中且可靠性要求較高的工業場合，DCS系統仍然具有較強的生命力，采用DCS和FCS技術相結合的方式搭建自動化系統可更好地達到技術可靠性和先進性之間的平衡。

參考文獻：

[1]來江,王寶渝,佟邊江,祁玉梅.FCS-DCS兩種控制系統比較[J].中國水泥,2007（08）：49-50.

[2]梁東浩，趙建國，劉小勇.現場總線控制系統（FCS）的應用與展望[J].工業計量,2001（05）：34-36.

[3]倉冰南,郭振宇,徐寧,王慶凱.現場總線技術在黃金精煉廠中的應用[J].有色金屬（冶煉部分）,2012（08）：30-33.

[4]郝偉.DCS系統設計及在電廠熱工控制系統的應用[J].科技創新與應用,2014（31）：140.

[5]高海峰.DCS系統在煤氣站自動中的應用[J].科技與企業,2014（14）：133.

作者簡介：倉冰南（1985—），男，遼寧沈陽人，碩士，工程師，國家一級建造師，主要從事：礦冶自動化工程技術工作。