黃金選礦廠冗余FCS自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

彭秀云，王 旭，鄒國(guó)斌，劉繼明，高 揚(yáng)，王俊鵬

（1. 北京礦冶研究總院，北京 102628；2. 礦冶過(guò)程自動(dòng)控制技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102628）

1 引言

現(xiàn)在DCS已經(jīng)暴露出來(lái)了它自身的弱點(diǎn)。最初它取代傳統(tǒng)的儀表盤(pán)給控制領(lǐng)域帶來(lái)了一個(gè)又一個(gè)驚喜。但是隨著時(shí)間的推移，計(jì)算機(jī)、通信、網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，DCS各廠家為了各自的壟斷利益使DCS的發(fā)展相對(duì)滯后，目前DCS越來(lái)越顯現(xiàn)出它自身的弱點(diǎn)：費(fèi)用昂貴；DCS各廠家通訊標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一，互不兼容，封閉式的控制模式阻礙了信息共享。如何從封閉的控制系統(tǒng)向開(kāi)放的控制系統(tǒng)延伸與發(fā)展成為自動(dòng)化領(lǐng)域的焦點(diǎn)問(wèn)題。現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)（FCS）的出現(xiàn)使這一問(wèn)題得到了解決［1］。

現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)(FCS)的基礎(chǔ)是現(xiàn)場(chǎng)總線，現(xiàn)場(chǎng)總線是用于過(guò)程自動(dòng)化和制造自動(dòng)化最底層的現(xiàn)場(chǎng)儀表或現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備互連的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)與控制系統(tǒng)的集成。FCS是在傳統(tǒng)的儀表控制系統(tǒng)和集散控制系統(tǒng)DCS的基礎(chǔ)上利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)逐步發(fā)展形成的［2］。

FCS技術(shù)就是將專用微處理器植入測(cè)量控制儀表或I/O模塊，使其具有數(shù)字計(jì)算和數(shù)字通信能力，然后采用通訊電纜（如Profibus DP、Profibus PA）將其連接在一起，使它們相互或它們與計(jì)算機(jī)之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，從而形成各種適應(yīng)實(shí)際需要的自動(dòng)控制系統(tǒng)。FCS優(yōu)化了DCS傳統(tǒng)的I/O單元和控制站，DCS控制站的功能塊被分散到現(xiàn)場(chǎng)儀表中，各功能塊可由用戶統(tǒng)一選擇并組態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了虛擬控制站技術(shù)并可實(shí)現(xiàn)更為徹底的分散控制［3］。

目前，國(guó)內(nèi)大中型礦山選廠在工程建設(shè)中積極推廣自動(dòng)化、信息化、數(shù)字智能化技術(shù)，通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)在線優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度和管理，使整個(gè)選礦生產(chǎn)過(guò)程處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，最大限度提高產(chǎn)量、金屬回收率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，以達(dá)到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能降耗［4］。三山島金礦是國(guó)家黃金工業(yè)“七五”期間重點(diǎn)建設(shè)項(xiàng)目，是中國(guó)100家最大有色金屬礦采選業(yè)企業(yè)之一，也是目前全國(guó)機(jī)械化程度最高的地下開(kāi)采黃金礦石。位于山東省萊州市北的三山島特別工業(yè)區(qū)。三山島金礦8000t/d探建結(jié)合工程選礦廠電力與綜合自動(dòng)化工程位于山東省萊州市三山島街道新立礦區(qū)。

本文主要介紹FCS技術(shù)在三山島金礦8000t/d探建結(jié)合工程選礦廠電力與綜合自動(dòng)化工程的應(yīng)用。

2 工藝流程介紹

三山島金礦8000t/d選礦廠主要工藝流程包括破碎、篩分、中細(xì)碎、磨礦、浮選、精礦濃縮及過(guò)濾脫水、尾礦分級(jí)及輸送、尾礦輸送及處理以及生產(chǎn)給水、生產(chǎn)回水和收塵水處理等。

粗碎設(shè)在井下（前期使用地表粗碎站），礦石經(jīng)箕斗提至地表礦倉(cāng)，與外來(lái)礦石由皮帶運(yùn)至預(yù)先篩和閉路篩，合格產(chǎn)品經(jīng)中細(xì)碎后進(jìn)入粉礦倉(cāng)，經(jīng)過(guò)磨礦作業(yè)、分級(jí)作業(yè)、浮選作業(yè)、過(guò)濾作業(yè)最終產(chǎn)品為精礦濾餅，然后由卡車外運(yùn)至精煉廠。尾礦的再分析利用也是選礦廠重視發(fā)展的方向。浮選的尾礦經(jīng)過(guò)旋流分級(jí)，底流通過(guò)加壓泵輸送至充填攪拌站；其溢流通過(guò)加壓泵輸送至5km外的尾礦處理車間進(jìn)行處理，最終輸送到尾礦庫(kù)。其關(guān)鍵工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 生產(chǎn)流程圖

3 冗余FCS系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 FCS系統(tǒng)概述

在充分考慮礦山現(xiàn)狀，本著穩(wěn)定可靠、合理先進(jìn)、增效降耗的原則，進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

根據(jù)廠房平面布置以及工藝流程的相關(guān)性，系統(tǒng)設(shè)4個(gè)控制站：破碎、磨浮、精礦脫水和尾礦處理。4個(gè)控制站與操作員站和工程師站形成工業(yè)以太網(wǎng)，4個(gè)控制站與其遠(yuǎn)程站之間形成冗余網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)控制站與遠(yuǎn)程站之間的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)交換。所有設(shè)備全部納入集中控制。

破碎控制站設(shè)6個(gè)分布式IO站集成粗碎站、篩分車間、中細(xì)碎車間和皮帶廊及轉(zhuǎn)運(yùn)站的信號(hào)。磨浮控制站設(shè)7個(gè)分布式IO站集成主廠房、粉礦倉(cāng)、石灰乳制備車間、尾礦加壓車間的信號(hào)。精礦脫水控制站設(shè)1個(gè)分布式IO站集成濃密機(jī)、精礦過(guò)濾車間的信號(hào)。尾礦處理控制站設(shè)3個(gè)分布式IO站集成尾礦濃密與輸送、尾礦分級(jí)和溢流回水泵站的信號(hào)。針對(duì)不同的設(shè)備系統(tǒng)選用了不同的集成方式或通訊協(xié)議，主要有：PROFIBUS DP/PA、MODBUSRTU、Industrial Ethernet。

在此基礎(chǔ)上優(yōu)化控制系統(tǒng)，集成了優(yōu)化控制服務(wù)器、全流程綜合指標(biāo)優(yōu)化服務(wù)器和設(shè)備與流程建模仿真服務(wù)器，完成了建模仿真、控制與優(yōu)化集成平臺(tái)。

在選礦磨浮廠房設(shè)有集中控制室，將各廠房?jī)?nèi)的主要設(shè)備運(yùn)行情況、工藝過(guò)程參數(shù)等數(shù)據(jù)送到集中控制室，集中控制室根據(jù)生產(chǎn)狀況和要求對(duì)工藝參數(shù)和工藝過(guò)程進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)和控制。控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖見(jiàn)圖2。

3.2 控制系統(tǒng)選用

本項(xiàng)目選用美國(guó)GE PAC RX3iCA系列產(chǎn)品作為主選型設(shè)備。PLC系統(tǒng)包括UPS電源、PLC處理器，用于數(shù)據(jù)采集的PROFIBUS、MODBUSRTU、Industrial Ethernet、AI、AO、DI、DO等通訊，以及IO站與CPU站/CPU站與數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通訊所需要的各種模塊。PLC系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)原則，主CPU模塊、Industrial Ethernet主干網(wǎng)通訊模塊、光纖、交換機(jī)輸入輸出口均采用冗余設(shè)計(jì)。在數(shù)據(jù)采集方面，PROFIBUS、MODBUSRTU、Industrial Ethernet、AI、AO、DI、DO等模塊均留有30%的擴(kuò)展容量，PLC機(jī)架均保有30%的空槽。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

系統(tǒng)在破碎、磨浮、脫水、尾礦處理4個(gè)關(guān)鍵工藝流程各配置1套冗余RX-3i主站在控制室，同該流程相關(guān)的電氣設(shè)備信號(hào)、第三方設(shè)備信號(hào)以及儀表檢測(cè)信號(hào)均接入就近的分布式IO站。

3.3 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）樹(shù)形冗余網(wǎng)絡(luò)。

FCS系統(tǒng)采用冗余設(shè)計(jì)原則，主CPU模塊、Industrial Ethernet主干網(wǎng)通訊模塊、光纖、交換機(jī)輸入輸出口均采用冗余設(shè)計(jì)。

磨浮控制室、中細(xì)碎廠房、過(guò)濾廠房、尾礦處理廠房分別設(shè)PLC站，每個(gè)控制站CPU冗余，網(wǎng)絡(luò)冗余，服務(wù)器冗余。所有PLC系統(tǒng)的IO站均采用雙網(wǎng)冗余與CPU主站進(jìn)行通訊。主干網(wǎng)絡(luò)采用單模光纖介質(zhì)，并留有冗余。

（2）數(shù)據(jù)采集功能。

使用FROBIBUS現(xiàn)場(chǎng)總線采集現(xiàn)場(chǎng)的模擬量和開(kāi)關(guān)量，并進(jìn)行處理和輸出；I/O模塊與背板實(shí)現(xiàn)隔離。

采用PROFIBUS-DP通信技術(shù)，任何廠商生產(chǎn)的DP從站，利用GSD文件可以方便地集成到一個(gè)主站系統(tǒng)中組成所需的控制系統(tǒng)。系統(tǒng)組態(tài)方便、靈活，完全可以實(shí)現(xiàn)即插即用的開(kāi)放式組態(tài)［5］。表1為系統(tǒng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線采集的電氣設(shè)備變頻器、智能保護(hù)器、馬達(dá)保護(hù)器和第三方設(shè)備表，表2為系統(tǒng)采集的檢測(cè)和控制儀表。

表1 電氣和第三方設(shè)備統(tǒng)計(jì)

表2 檢測(cè)控制儀表統(tǒng)計(jì)

（3）先進(jìn)的控制算法。

系統(tǒng)具有反饋控制、比例控制、先進(jìn)智能控制等功能。先進(jìn)控制與常規(guī)（PID）控制相結(jié)合，進(jìn)行智能閉環(huán)控制，完成各種控制算法，輸出運(yùn)算結(jié)果；把數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)化成模擬量信號(hào)，控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu)。

給礦控制的目標(biāo)是要保證擠滿給礦率，生產(chǎn)要求控制破碎機(jī)擠滿給礦運(yùn)行時(shí)間占總運(yùn)行時(shí)間的80%以上。為此，采用料位計(jì)檢測(cè)料腔料位，同時(shí)檢測(cè)圓錐破碎機(jī)的運(yùn)行功率，對(duì)圓錐破碎機(jī)的給礦實(shí)行分段控制原則，實(shí)現(xiàn)擠滿給礦，控制原理見(jiàn)圖3。

圖3 擠滿給礦控制原理圖

4 面向?qū)ο笙到y(tǒng)平臺(tái)

選擇一個(gè)系統(tǒng)平臺(tái)主要是從以下方面進(jìn)行考察：平臺(tái)架構(gòu)、承載能力、用戶界面、整合能力和可擴(kuò)展性。此外，針對(duì)一線操作員工的專業(yè)技術(shù)局限性，必須要求系統(tǒng)用戶界面友好，易于上手，便于操作和維護(hù)［6］。

本項(xiàng)目中，F(xiàn)CS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、操作員站、工程師站、歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器、無(wú)線數(shù)據(jù)管理服務(wù)器等部分組成。其具體功能描述如下：

（1）數(shù)據(jù)采集服務(wù)器（IO Server）。

數(shù)據(jù)采集服務(wù)器負(fù)責(zé)和PLC控制器連接，完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集。

（2）應(yīng)用服務(wù)器（Application Station）。

應(yīng)用服務(wù)器作為一個(gè)統(tǒng)一的接口，負(fù)責(zé)將所有流程畫(huà)面和數(shù)據(jù)發(fā)布到操作員站上，并接收操作員站返回的數(shù)據(jù)。應(yīng)用服務(wù)器是監(jiān)控層的核心設(shè)備，因此通常做冗余配置。

（3）工程師站（Engineering Station）。

工程師站提供多種服務(wù)。控制工程師根據(jù)生產(chǎn)過(guò)程控制狀況，通過(guò)分析多種工藝和設(shè)備的約束條件，確定用于過(guò)程控制的最有效的操作參數(shù)；他們還可以在工程師站進(jìn)行操作員模擬培訓(xùn)，完成系統(tǒng)配置、組態(tài)和系統(tǒng)維護(hù)等工作。

對(duì)照組飲食控制45例（100.00%）、運(yùn)動(dòng)鍛煉42例（93.33%）、規(guī)律用藥 43例（95.56%）、定時(shí)血糖檢測(cè)42例（93.33%）、足部護(hù)理 40 例（88.89%）、定期復(fù)診44 例（97.78%）；觀察組飲食控制38例（84.44%）、運(yùn)動(dòng)鍛煉32例（71.11%）、規(guī)律用藥 28例（62.22%）、定時(shí)血糖檢測(cè)30例（66.67%）、足部護(hù)理25例（55.56%）、定期復(fù)診26例（57.78%）；觀察組患者護(hù)理依從性明顯高于對(duì)照組，差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P＜0.05）。

（4）操作員站（Operator Station）。

操作員站將所有人機(jī)界面、應(yīng)用數(shù)據(jù)、控制變量完全集成。操作人員通過(guò)畫(huà)面完成對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各檢測(cè)點(diǎn)以及所有控制回路運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控。受控參數(shù)的顯示，被控變量變化趨勢(shì)的描述等都可以在畫(huà)面中看到。它是操作人員進(jìn)入控制系統(tǒng)的接口。操作員站的數(shù)據(jù)輸入輸出和畫(huà)面顯示是由應(yīng)用服務(wù)器來(lái)配置和管理的。

破碎控制室配置2臺(tái)操作員站，用于實(shí)現(xiàn)破碎車間的生產(chǎn)操作與流程控制；磨浮車間配置2臺(tái)操作員站，用于磨浮車間的生產(chǎn)操作與流程控制；精礦濃縮控制室配置2臺(tái)操作員站，用于實(shí)現(xiàn)濃密脫水車間的生產(chǎn)操作與流程控制。尾礦加壓泵站設(shè)置1臺(tái)操作員站，用于實(shí)現(xiàn)尾礦車間的生產(chǎn)操作與流程控制；尾礦處理控制室配1臺(tái)操作員站和1臺(tái)工程師站。

（5）歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器。

歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器是用來(lái)對(duì)流程數(shù)據(jù)和報(bào)警等信息進(jìn)行長(zhǎng)期歸檔存儲(chǔ)，歷史數(shù)據(jù)可通過(guò)歷史趨勢(shì)曲線和報(bào)表等方式在操作員站上查看。歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器應(yīng)提供通用數(shù)據(jù)訪問(wèn)接口，第三方軟件可通過(guò)ODBC、OLEDB等方式訪問(wèn)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)，讀取相關(guān)數(shù)據(jù)。

（6）網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器。

網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器用于將操作員站上的流程畫(huà)面和數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁(yè)的形式發(fā)布到辦公局域網(wǎng)上，廠領(lǐng)導(dǎo)可通過(guò)IE瀏覽器及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，提高工作效率。以網(wǎng)頁(yè)形式發(fā)布的流程畫(huà)面只能監(jiān)視，不能操作。

磨浮控制室作為選礦廠的中央控制室，同時(shí)配置2臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器（互為冗余）、1臺(tái)工程師站、1臺(tái)歷史數(shù)據(jù)服務(wù)器、1臺(tái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)布服務(wù)器。

浮選流程WEB發(fā)布畫(huà)面如圖4。

圖4 浮選生產(chǎn)流程WEB發(fā)布畫(huà)面

5 總結(jié)

冗余FCS控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)在黃金選礦廠控制系統(tǒng)得到良好的應(yīng)用，目前系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。總線技術(shù)減少了集成信號(hào)硬接線電纜以及輸入輸出模塊的使用，節(jié)省了投資成本。冗余網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)在提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定的同時(shí)，穩(wěn)定了選礦廠的生產(chǎn)流程，并為生產(chǎn)流程優(yōu)化和指標(biāo)優(yōu)化提供了更大的空間和可能。

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