DCS系統在復雜金精礦冶煉系統中的應用

范凌霄

(北京礦冶研究總院)

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DCS系統在復雜金精礦冶煉系統中的應用

范凌霄

(北京礦冶研究總院)

摘要以某冶煉企業復雜金精礦開發利用項目為例，從設計思路、系統架構、軟硬件組成、控制方案等方面介紹了DCS系統在實際工作中的應用情況。經現場實際運行，該系統極大地提高了企業的生產和管理效率。

關鍵詞金精礦集散控制系統冶煉

集散控制系統(Distributed Control System)簡稱DCS發展至今，其功能和性能都有大幅提高，系統的開放性更好，穩定性和標準化程度更高[1]。為了滿足企業對信息化和自動化的要求，本著提高企業效益和生產管理水平的目的，越來越多的冶煉企業開始采用DCS控制技術。本文以DCS控制技術在某復雜金精礦冶煉廠應用為例，介紹基于西門子平臺的DCS系統的應用情況。

1　工藝簡介

某冶煉廠處理的來料為含砷3.25%、含硫26.5%的復雜金精礦，對金精礦采用的是兩段焙燒預處理工藝，即在第一段爐內還原焙燒脫砷，第二段爐內氧化焙燒脫硫，產生的二氧化硫煙氣制硫酸，燒渣用于酸浸提銅以及再氰化浸金，具體工藝流程見圖1。精礦在原礦車間進行調漿，合格的礦漿通過軟管泵打到焙燒爐的料漿分配器，之后進入焙燒爐進行焙燒。焙燒過程產生的煙氣通過爐氣冷卻塔、旋風收塵器、斜管沉淀器、高效洗滌器、填料塔、電除霧器進行處理和凈化，再經過轉化器、一吸塔、二吸塔進行轉換和吸收得到高濃度硫酸[2]。焙燒產生的焙砂經過水淬和酸浸后，送到φ15 m防腐濃密機1濃密，濃密機1溢流流入料液池，由于該溢流含有細粒礦物，需進一步壓濾除雜，溢流由壓濾機壓濾后，濾液由泵送至銅萃取車間；濃密機底流送入φ15 m 防腐濃密機2洗滌，濃密機2底流用泵送入膠帶過濾機過濾，濾液返回濃密機1，濾餅送入調漿槽，用碳酸鈉粉末、氫氧化鈉溶液及回水調漿至礦漿pH值10.5～11.0后進行再磨，再磨之后進入兩浸兩洗的氰化流程。通過浸出與洗滌作業產出的含金貴液進入鋅粉置換車間進行處理，產生含金金泥，最后送入金泥精煉車間加工制成金錠。

采用該工藝可以實現金、砷、硫等有價元素的綜合利用，同時可以獲得更高的砷脫除率及金回收率[3]。另外，在整個工藝流程工段產生的氰化尾渣、含砷廢液、含氰貧液及硫酸廢水等有毒有害物，都通過泵池輸送到污水車間進行處理，經中和、消毒等工序對廢物進行處理。

2　DCS系統架構設計

DCS控制系統是通過使用自動化技術、計算機技術、網絡技術、數據庫技術、圖形顯示技術構建成的綜合自動化系統。在確保達到規定的工藝指標要求及系統穩定可靠運行的目標前提下，將全廠的運營決策、管理、調度、過程優化、故障診斷、現場控制等功能集成在網絡環境下，通過信息多層無縫連接，為實現全流程作業管控一體化及綜合信息處理構建信息平臺[4]。

圖1　復雜金精礦處理工藝流程

整個自動控制系統分為3個功能層，分別是管理層、控制層、現場設備層。各層網能夠獨立運行，各層網之間通過網關實現隔離，保證自動化系統的獨立性和安全性[5]。管理層主要功能是監控和管理、實時數據的可視化管理、人機交互和遠程管理，另外，還可以實現對數據實時采集、歷史數據歸檔及WEB發布等功能?？刂茖又饕δ苁翘幚憩F場設備的狀態和過程數據，實時完成數據處理及回路控制?，F場設備層主要負責采集實時數據和執行控制指令，包括檢測儀表和執行機構等。

整個自控系統本著可靠性原則、易維護原則、可擴展原則和負荷原則設計。

可靠性原則。要求系統在滿足工藝要求的基礎上能長期穩定運行，并具備抗各種干擾的能力，具有電源及信號防雷能力，滿足電磁兼容性和安全性的要求，采用的軟硬件系統是當今自動控制領域公認的穩定可靠的系統，且在整個系統的各網層之間實現隔離，保證各部分之間互不干擾。

易維護原則。要求系統易于維護，操作簡便?？刂葡到y所采用的I/O模塊、CPU模塊支持熱插拔功能，帶電插拔而不損壞，且不影響其他模塊正常工作；單個網絡設備及線路的損壞只影響其對應的操作站而不影響其他站點的操作及監控。

可擴展原則。要求系統具備靈活的擴展能力，以確保將來廠房改擴建的時候，滿足其對控制系統的擴容要求。除了系統的硬件要求外，系統軟件和應用軟件也具有靈活的擴展能力。

負荷原則。整個系統包括現場儀表、控制單元、工程師站、操作站、服務器、管理終端等，其負荷都不超過硬件、軟件處理能力的60%。

3　DCS系統功能層介紹

3.1管理層

管理層設備主要包括配備在中央控制室的工程師站、操作員站、數據采集服務器、歷史服務器、WEB發布服務器，以及配備在各車間的現場操作員站。工程師站用于程序開發、系統診斷和維護、控制系統組態、數據庫和畫面的編輯修改；操作員站可在組態畫面上匯集和顯示有關設備的運行信息，供操作人員據此對生產過程進行監控和控制；數據采集服務器收集和處理全廠所有的實時數據，所有主站CPU和操作員站均與該服務器進行通訊，為了安全性，數據采集服務器采用冗余設計方案，兩臺服務器1備1用，任意1臺服務器故障后可隨時切換備用服務器，不會導致系統故障停機；歷史服務器保存了系統最近30 d內的所有歷史數據，可供用戶隨時調取，便于故障后續排查；WEB發布服務器可以通過Internet方式對外發布系統畫面，管理人員無需進入中控室，在辦公室即可通過上網實時監控全廠的生產運行狀況，極大地提高了生產管理效率。

3.2控制層

根據工藝要求分別在焙燒收塵、制酸、氰化、焙砂酸浸、污水處理5個流程設置CPU主站，每個主站再分別下設遠程分布式IO站。其中，焙燒收塵CPU主站集成焙燒收塵、調漿和石灰制備車間信號，IO站設置在水源泵站，集成該車間信號；制酸CPU主站集成轉化車間信號，下設2個IO站，分別集成凈化、干吸和循環水站信號；氰化CPU主站設置在鋅粉置換車間，集成鋅粉置換和洗滌車間信號，下設1個IO站，置于氰化車間，集成氰化和磨礦流程信號；焙砂酸浸CPU主站集成焙砂酸浸車間信號，下設2個IO站，集成銅萃取和電積車間信號；污水處理CPU主站集成污水車間信號，下設2臺IO站，集成金泥精煉和藥劑制備車間信號。

整個控制層集成了工業以太網、Profibus-DP、Modbus等總線通訊技術。各車間CPU主站與從站(遠程IO、HMI、機電一體化大型設備的PLC智能接口等)之間通過Profibus-DP總線實現數據傳輸；主站之間，主站與數據服務器、工程師站、操作員站等設備之間通過交換機實現互聯，采用工業以太網的方式實現相互之間的數據通訊。工業以太網的低成本、可靠和易于組網的特性，為信息層的設備連接提供了便利，同時，因為現場各車間主站之間往往距離較遠，以太網可以通過光纖介質延長傳輸距離，提高信號傳輸的穩定性。

3.3現場設備層

現場設備層由分布在流程工段的各參數檢測儀表、執行機構和控制設備組成。該功能層實現對全廠各單元生產過程參數、設備狀態、電氣參數的數據采集，并將實時數據通過硬接線或DP通訊上傳至控制層。另外，系統在現場設備層實現對關鍵生產過程環節的電氣控制，通過各環節對應的控制機構、電機、變頻器等實現對生產過程的控制。另外，現場設備層還包括了第三方設備，比如濃密機、壓濾機等。

3.4DCS系統配置

DCS系統配置如圖2所示。

圖2　DCS系統配置

4　過程回路控制方案

對整個工藝流程來說，關鍵環節的控制效果對產品的指標有重要影響。以焙燒爐溫度及氣量控制、高位水池補加水控制、循環給水控制等幾個關鍵回路的控制為例，介紹相關回路的控制方案。

4.1兩段焙燒爐溫度及氣量控制

焙燒爐是冶煉廠的核心，焙燒系統的穩定、控制的好壞直接影響到后續工段的穩定和金屬回收率。其中焙燒爐的溫度控制和空氣量控制是關鍵因素。

在兩段焙燒爐的各層設置多組溫度檢測點，根據焙燒爐頂部的出口溫度控制礦漿分配器的加水量，保證爐內溫度在合理范圍之內。焙燒爐底部通過鼓風機將一定量的空氣經風口鼓入焙燒爐內，鼓風機的出口風管上安裝熱式流量計，用于檢測入爐風量，鼓風機采用變頻器控制，通過變頻調節入爐風量，確保一段焙燒為弱氧化氣氛，二段焙燒為氧化氣氛，從而保證爐內焙燒氣氛。工藝流程如圖3所示。

4.2高位水池補加水回路控制

高位水池是整個廠區生產、生活用水來源，通常情況下高位水池供水由市政直接供給，通過安裝在市政供水管道上的壓力傳感器檢測市政供水是否正常。

圖3　焙燒工藝流程

當市政停水時，加壓水泵自動啟動向廠區供水，當高位水池液位到下限時，自備深水井水泵立即啟動并向高位水池補水，補水水位到上限時水泵停止運行。深水井水泵和加壓水泵配合進行供水時，當市政來水且水壓正常后，加壓水泵和水井泵停止運行。此時高位水池進水閥門開啟由市政水向高位水池補水，同時向廠區直接供水，當高位水池補水到上限時，進水閥門自動關閉，市政水直接供至廠區，恢復正常供水。工藝流程如圖4所示。

圖4　高位水池工藝流程

4.3循環給水控制

在制酸工藝中，稀酸制備過程會產生大量的熱量，為滿足后續工藝要求，需對稀酸進行降溫處理。采用板式換熱器通過循環水對稀酸進行降溫，之后循環水返回循環水池，該控制回路的目標是保證制酸工藝循環冷卻的效果。通過測量循環水池液位，測量進入循環水池的新水流量，根據循環水池進水管和出水管的溫度差，自動開關冷卻塔的數量和循環水泵的數量，從而實現對循環冷卻的最優控制。工藝流程如圖5所示。

圖5　循環水工藝流程

4.4礦漿pH值調節控制

氰化流程采用的是國內黃金冶煉廠普遍采用的兩浸兩洗的氰化工藝，從酸浸車間排出的礦漿通過泵送入泵池，經pH調漿后輸送到氰化浸出車間。根據工藝要求，進入氰化流程的礦漿pH值需要保持在11左右，在pH調漿槽上安裝1套pH計，并根據pH值自動添加Na2CO3和NaOH，保證進入氰化流程的礦漿pH值相對穩定。為保證系統能自動調節Na2CO3和NaOH添加量，Na2CO3螺旋給料機需采用變頻控制，NaOH儲備罐出口處安裝一套電動調節閥，通過閥門及變頻器實現pH值的自動控制。工藝流程如圖6所示。

圖6　礦漿pH調節工藝流程

4.5旋流器分級穩定控制

為保證旋流器分級穩定，在旋流器頂部安裝1臺壓力檢測器，實現旋流器頂部壓力—泵池液位區間控制，即在液位上下限內，采用壓力和旋流器給料泵組成閉環控制，在液位上下限外，采用泵池液位和旋流器給料泵組成閉環控制，最終達到在流程穩定的基礎上實現分級穩定。工藝流程如圖7所示。

圖7　旋流分級工藝流程

4.6氰化浸出槽pH值控制

1次浸出攪拌槽和2次浸出攪拌槽第1槽各安裝1臺pH計，共計2臺pH計，實現pH值下限報警，保證人身安全；同時通過實時檢測pH值，自動控制Na2CO3的添加量，Na2CO3添加方式如下：儲槽上安裝1臺超聲波液位計，實現與上一級泵(藥劑制備車間)的液位聯鎖，儲槽出口安裝電動調節閥來調節各點Na2CO3添加量。

4.7液位與泵池的連鎖控制

現場的多數儲槽、泵池等都安裝有超聲波液位計，通過液位的實時檢測和與泵的邏輯連鎖控制保證流程的安全性，且減少了工人的工作量。

5　結　語

DCS系統在該冶煉廠投入使用以來，一直穩定可靠運行，未出現因DCS系統原因導致的生產事故，用戶反映非常好。同時，自控系統在保證生產工藝穩定的前提下，極大地提高了現場的生產管理效率，減少了工作人員的勞動強度。

參考文獻

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[3]李海濤,譚長有.自控系統在復雜金精礦濕法冶煉工藝中的應用[J].銅業工程,2014(2):12-14.

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[5]趙光華,曾旭峰.DCS系統在水廠自動化中的應用[J].廣東自動化與信息工程,2005,26(3):13-14.

(收稿日期2016-05-05)

Application of Distributed Control System in the Smelting System of Refractory Gold Concentrate

Fan Lingxiao

(Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy)

AbstractIntroduces an application of DCS system in an actual project from the following aspects, such as design ideas, system architechure, hardware, software and control methods. Through field practical operation, the system has greatly improved the efficiency of production and management.

KeywordsGold Concentrate,Distributed control system,Smelting

范凌霄(1983—),男，工程師，100160 北京市南四環西路188號總部基地十八區23號樓。