現(xiàn)場總線技術在剛果（金）RTR 項目中的應用

林楊，胡申琛，黃仍杰

（1.中國有色金屬建設股份有限公司，北京 100029；2.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

1 現(xiàn)場總線技術概述

現(xiàn)場總線（Fieldbus）技術是近年來迅速發(fā)展起來的一種工業(yè)數(shù)據(jù)通信體系， 它主要解決的是工業(yè)現(xiàn)場的智能化儀器儀表、控制器、執(zhí)行機構等現(xiàn)場設備間的數(shù)字通信以及這些現(xiàn)場控制設備和高級控制系統(tǒng)之間的信息傳遞問題， 是連接智能現(xiàn)場設備和自動化系統(tǒng)的全數(shù)字、雙向、多站的通信系統(tǒng)[1]。由于其具有簡單、可靠、經濟實用等一系列突出的優(yōu)點，成為替代傳統(tǒng)4～20 mA 模擬信號及普通開關量信號傳輸?shù)闹饕x擇。

Profibus 現(xiàn)場總線技術是使用最廣泛的現(xiàn)場總線之一，其標準由西門子為首的多家公司及研究單位推行。目前Profibus 可分為Profibus-DP、Profibus-PA兩種：1）Profibus-DP，即分布式周邊（Decentralized Peripherals），通信速率為 1.5 Mbit/s，用于設備級控制系統(tǒng)與分散式I/O 的通信。 它的設計旨在用于設備一級的高速數(shù)據(jù)傳送。2）Profibus-PA，即過程自動化（Process Automation），通信速率為 31.25 kbit/s,專門用于自動化控制系統(tǒng)和現(xiàn)場儀表、 執(zhí)行器之間的串行通信系統(tǒng)。它以符合國際標準的Profibus-DP 為基礎， 增加了PA 總線應用行規(guī)以及相應的傳輸技術，使現(xiàn)場總線Profibus 不僅能用于離散制造業(yè)，也能夠滿足各種過程工業(yè)對控制的要求。

與傳統(tǒng)的PLC 點對點的控制方法相比，現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)具有較高的性能價格比、 可靠的數(shù)據(jù)傳輸、快速的數(shù)據(jù)響應以及強大的抗干擾能力、更高的系統(tǒng)測量和控制精度； 另外， 許多總線節(jié)點具有IP67 的防護等級，具有防水、防塵、抗振動的特性，可以直接安裝于工業(yè)設備上，大量減少了現(xiàn)場接線箱。基于上述優(yōu)點， 現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)成為目前使用較為廣泛的現(xiàn)場總線協(xié)議之一， 其應用領域包括制造業(yè)自動化、選礦冶金自動化、電力自動化等。 本文以剛果（金）RTR 銅濕法冶煉項目（以下簡稱“RTR 項目”）為例，介紹Profibus 現(xiàn)場總線技術在全廠范圍內的應用情況。

2 RTR 項目概況

2.1 項目背景

RTR 項目位于剛果（金）盧阿拉巴省科盧韋齊市以西26 km，主要處理科盧韋齊選礦廠自1952 年起至今長達數(shù)十年間排出的Kingamyambo 和Musonoi 兩處尾礦。 RTR 項目原由加拿大 First Quantum Mineral 公司（以下簡稱“FQM 公司”）作為第三任業(yè)主控股并負責開發(fā)。 2009 年9 月，因FQM公司與剛果金政府發(fā)生分歧，項目被迫停止。此時該項目大約已完成全部工程量的40%。

2012 年，ERG 集團通過一系列收購獲得該項目95%的控股權，剩余5%股權由剛果（金）政府持有，項目公司更名為Metalkol 公司。

2016 年6 月， 中色股份與ERG 正式簽署RTR項目一期EPC 總承包合同， 為業(yè)主提供工程設計、設備供貨、設備安裝、土建施工等工程承包服務，以完成該冶煉廠的復建工作，合同工期為24 個月。 目前，該項目已完成一期建設，2018 年10 月正式投料生產。 二期擴建項目也已于2018 年8 月開始施工。

2.2 項目特點

該項目擁有銅金屬儲量約1 499 kt， 銅平均品位 1.49%；鈷金屬儲量 326 kt，鈷平均品位 0.32%。一期工程達產后，年產銅70 kt，氫氧化鈷產品含鈷14 kt；二期將擴產至年產銅105 kt，氫氧化鈷產品含鈷20 kt。該項目存在以下特點。

1）工藝流程長。 Kingamyambo 尾礦采用高壓水沖采法，Musonoi 河處尾礦深部采用船挖掘法， 淺部采用高壓水沖采法。 高壓水沖采法和船挖掘法用于砂型物料的開采已較為成熟。 采掘后的尾礦經過銅和鈷的浸出試驗，銅萃取試驗，銅電積試驗，除鐵、錳和鋁試驗，鎘、鋅和銅離子交換試驗，鈷萃取試驗，鈷電積試驗，最終確定了本項目的主體工藝流程見圖1。

2）實施難度大。RTR 項目建設地點位于剛果（金），當?shù)毓I(yè)基礎薄弱，專業(yè)技術人員匱乏。 以RTR 項目的體量，參照國內同類企業(yè)的自動化水平建設，無論在建設時期還是生產投運期間， 都需要大量工控領域專業(yè)人才投入。

3 自動化設計理念

由于先天條件的局限和項目建設地一些因素的制約，使RTR 項目的全廠自動化程度在整個工程建設和試運行階段都顯得尤為關鍵。 選擇符合本項目自動化需求的關鍵技術有利于總包方節(jié)約采購、施工成本，縮短施工周期，簡化調試程序，降低對運維的依賴。 RTR項目的全廠自動化建設主要從以下幾個方面考慮。

3.1 裝備智能化

該項目不同的工藝流程導致測量環(huán)境、 監(jiān)測對象種類較多，因此需選用儀表的測量原理、類型也較多，在信號輸出上應統(tǒng)一為同一種傳輸協(xié)議。基于該項目工藝過程較長，測點較多，在信號傳輸上應當選擇速率較高、帶寬較大的通信協(xié)議，減少設備調試的時間，簡化設備維護流程[2]。

選擇支持現(xiàn)場總線協(xié)議的智能儀表、 裝備能夠實現(xiàn)過程控制進一步分散下移， 實現(xiàn)真正意義上的“全數(shù)字”“全分散”控制。 由于現(xiàn)場總線通信技術具有精度高、重復性好、可靠性高等特點，同時支持雙向通信和自診斷功能，使得智能裝備，尤其是儀表的安裝、使用和維護工作更為方便。

3.2 網絡信息化

服務于RTR 項目的網絡包括自動化系統(tǒng)工控網絡、火災報警的消防網絡、門禁系統(tǒng)安防網絡、流程與安全監(jiān)控用 CCTV 網絡、MES 和 ERP 辦公網絡、程控電話用VOIP 網絡。 該項目在車間級、工廠級的網絡規(guī)劃時， 貫徹多網合一、 共纜不共芯的原則， 即在廠區(qū)的主要網絡線纜敷設路徑上使用多芯光纜，在車間、廠區(qū)節(jié)點設置網絡盤，以達到簡化網絡施工、兼顧后期網絡拓展的目的。

儀表設備通常分散在生產流程的各個環(huán)節(jié)，在線纜上缺乏通用路徑、不增設大量匯線柜的情況下，難以通過共纜方式簡化施工。 使用支持鏈路掛接的現(xiàn)場總線儀表能夠克服上述難題， 同時延長儀表電纜的可敷設距離、拓展儀表電纜的信號帶寬。

3.3 控制分散化

考慮到各車間在地理位置上的距離， 以及工藝流程的相對獨立性， 控制系統(tǒng)的選擇應當優(yōu)先考慮小生產區(qū)域自成體系，在每一個車間、工段設置獨立的控制分站，擔負起車間級的信號采集、控制執(zhí)行。控制分站再通過工業(yè)以太網接入工廠級的工控網絡，與廠區(qū)的其他部分形成一個整體，卻又不受其他生產區(qū)域的影響[3]。

整個廠區(qū)生產自動化控制按照生產流程控制區(qū)域劃分， 每個工序各自設置1 套獨立的DCS 控制器。 通過采用點對點，或者服務器/客戶端的構架把各工序控制器集成在一起。這樣做的優(yōu)勢包括：1）克服了傳統(tǒng)系統(tǒng)模式中相對獨立的弊端。 早期的系統(tǒng)設計都是按照工序來配置各自完全獨立的DCS 系統(tǒng)。 其系統(tǒng)網絡結構、組態(tài)畫面都是分開的，工序與工序之間沒有聯(lián)系，系統(tǒng)之間相對封閉，不利于上下游工序管理。 2）控制器分散布置，有助于減少施工、分散風險。將控制器分散在各工序中，控制機柜或遠程I/O 機柜設置在各個生產作業(yè)區(qū)的控制室或低壓配電室中，既減少了現(xiàn)場電纜敷設與施工量，又滿足了整個系統(tǒng)控制風險的分散。 3）星型網絡結構提升系統(tǒng)可靠性。 整個DCS 控制系統(tǒng)網絡架構，采用星型網絡結構，即以中央集中控制室為網絡核心，作為核心交換機， 分別通過光纜或以太網分別敷設到4個獨立的DCS 控制室。 這樣的好處是，一旦某一個控制室的網絡光纜出現(xiàn)問題， 不會影響中控室對其他控制室的正常監(jiān)視與操作， 提升了整個系統(tǒng)的可靠性[4]。4）節(jié)省投資、方便維護管理。采用控制分散化設計不僅可節(jié)省整個DCS 系統(tǒng)投資費用，而且可減少備品備件種類與備件費用，方便維護管理、生產操作與調度管理。5）便于系統(tǒng)與上一級應用集成，以及整個生產流程集成優(yōu)化和協(xié)同運作， 最大限度地發(fā)揮工廠的潛力。

3.4 操作集中化

該項目地處海外，如果按照國內選礦廠、冶煉廠的管理模式，由各車間負責上位機操作、流程巡檢、問題處理，勢必會造成企業(yè)組織機構復雜，增加運營維護成本。 且海外企業(yè)無法背靠國內優(yōu)質的人力資源市場，難以按照國內模式組建隊伍，因此此類項目亟需建立一個能夠擔負起全廠各生產區(qū)域監(jiān)視控制的中央控制室，實現(xiàn)操作的集中化。借助現(xiàn)場先進的檢測執(zhí)行元件、 豐富多樣的網絡節(jié)點和分散化布局的控制分站，通過集過程人機界面、工業(yè)電視、調度廣播、專線電話、實時數(shù)據(jù)采集、設備信息化管理、中央調度、參觀接待、會議等多功能為一體的中央調度監(jiān)控儀表室， 只需配備少量的精干操作人員就可以實現(xiàn)生產扁平化管理與快速響應。

4 項目具體配置

4.1 分布式采集

整個工廠被細分為11 個相對獨立的生產區(qū)域，由分布于現(xiàn)場不同配電室的12 套主工藝流程PLC完成對整個工廠的分布式控制。 生產操作人員在中央控制室（CCR）對全廠實施監(jiān)控。 由于控制器下沉至各車間，各車間內部的邏輯運算相對獨立，即使某一臺控制站離線， 不會影響全廠范圍的工藝過程控制，保證了整個系統(tǒng)的容錯性和穩(wěn)定性。Profibus-PA和Profibus-DP 設備的投用使分布式采集的前端由PLC 機柜內的I/O 模塊延伸到了分布于現(xiàn)場各處的總線集線器。

4.2 全數(shù)字化工控網絡

RTR 項目形成了工廠層級Profinet 專網、 車間層級Profibus-DP 總線鏈路、 現(xiàn)場層級Profibus-PA鏈路的全數(shù)字化通信體系。

4.3 Profibus-PA 儀表

該項目采用了759 臺支持Profibus-PA 總線通信協(xié)議的自動化儀表、閥門定位器，分別部署在現(xiàn)場的不同生產區(qū)域，實時監(jiān)測包括流量、料位、溫度、pH 值在內的生產過程參數(shù)。通過Profibus-PA 技術，過程控制系統(tǒng)可以通過PID 模塊控制任意一臺調節(jié)閥的開度。 區(qū)別于傳統(tǒng)的4～20 mA 信號，Profibus-PA 串行通信系統(tǒng)的速率可達到32.25 kbit/s，使得現(xiàn)場儀表和控制室之間數(shù)據(jù)聯(lián)系更加豐富。 通過上位儀表設備管理軟件， 生產操作人員可以在控制室讀取每一臺儀表設備的自診斷信息， 極大簡化了儀表的調試和維護工作。

4.4 Profibus-DP 智能馬達保護器

該項目采用了633 臺支持Profibus-DP 總線通信協(xié)議的智能馬達保護器、變頻器，使操作員在中央控制室可以通過程序自動和遠程半自動方式啟動和停止任意一臺電控設備。 除了與人身安全相關的急停、 拉繩開關以及設備保護相關的過載信號采用硬線連接外，所有的電機啟停、調速均由SCADA 系統(tǒng)通過Profibus-DP 總線通信把指令送達。用戶可以自定義選擇需要上傳至中央控制系統(tǒng)的設備狀態(tài)與診斷信息，而不是依賴人工巡檢，或等設備出現(xiàn)嚴重故障后才發(fā)現(xiàn)問題。

4.5 現(xiàn)場總線設備診斷

過程設備管理器（SIMATIC PDM）是用于智能過程設備和自動化組件的組態(tài)、參數(shù)賦值、試運行、診斷和維護的跨制造商通用工具。 通過SIMATIC PDM單一的軟件程序就可以對不同制造商生產的各種現(xiàn)場設備進行組態(tài)。 過程設備數(shù)據(jù)可以方便地設置、修改，檢查似真性，管理和仿真。 此外，操作人員還可以在線監(jiān)視設備所選的過程值、報警和狀態(tài)信號[5]。RTR 現(xiàn)場PDM 管理維護界面Profibus 網絡拓撲見圖2。

傳統(tǒng)儀表的維護方式是系統(tǒng)報錯后， 技術人員去現(xiàn)場查找原因。 采用SIMATIC PDM 后，技術人員配合Profibus-PA 儀表就可以在上位機上讀取到儀表的故障原因，然后直接處理故障。

5 技術應用優(yōu)勢

通過現(xiàn)場總線技術在剛果（金）RTR 項目中的應用，該項目實現(xiàn)了基礎自動化層面的數(shù)字化。現(xiàn)場總線技術在該項目中體現(xiàn)出的優(yōu)勢可以歸結為以下幾點。

5.1 節(jié)省硬件投資費

由于現(xiàn)場總線系統(tǒng)中分散在設備前端的智能設備能直接執(zhí)行多種傳感、控制、報警和計算功能，因而可減少變送器的數(shù)量，不再需要單獨的控制器、計算單元等，也不再需要DCS 系統(tǒng)的信號調理、轉換、隔離技術等功能單元及其復雜接線， 還可以用工控PC 機作為操作站，從而節(jié)省了一大筆硬件投資和控制室的占地面積[6-7]。

5.2 節(jié)省安裝費用

現(xiàn)場總線系統(tǒng)的接線十分簡單。 一對雙絞線或一條電纜上通常可掛接多個設備，因而電纜、端子、槽盒、橋架的用量大大減少，連線設計與接頭校對的工作量也大大減少。當需要增加現(xiàn)場控制設備時，無需增設新的電纜， 可將新增設備就近連接在原有的電纜上，既節(jié)省了投資，也減少了設計、安裝、調試的工作量。

以RTR 項目的170 子項為例，該子項總共使用Profibus-PA 儀表 188 臺，總線集線器總計 27 臺，分支電纜總長2 425 m， 平均每臺儀表使用線纜長12.9 m；主干電纜總長 2 850 m，分為 14 個網段，平均每網段搭載儀表13.4 臺， 網段干線平均長度為203.6 m（平均網段鏈路中第一個總線集線器敷設電纜長度約 165 m)。 如使用傳統(tǒng) 4～20 mA 儀表，同樣采用27 臺儀表接線箱，每臺儀表接線箱的系統(tǒng)側均采用多芯電纜與DCS 連接，那么系統(tǒng)側多芯電纜總長度需要5 497.2 m。接線箱連接現(xiàn)場儀表需要2 芯屏蔽電纜2 425 m。 在海外施工費較高的建設項目中，電纜敷設和安裝的施工費用差距更加明顯。

5.3 提高集成兼容性

現(xiàn)場總線是國際通用的通信協(xié)議， 項目建設時期可以任意選擇不同設備廠商所提供的設備來集成系統(tǒng)， 避免了因選擇了某一品牌產品而被限制了設備選擇范圍的情況， 不再會為系統(tǒng)集成中不兼容的協(xié)議、接口而一籌莫展。

5.4 縮短投運調試工期

總線儀表和設備的大量運用大幅縮短了系統(tǒng)調試的時間， 借助于SCADA 高度集成的設備管理平臺，中央控制室在工廠機械竣工以后就可以投入使用主導智能儀表、閥門以及設備成套PLC 的在線調試。

5.5 節(jié)省后期維護工作量

在日常維護過程中，借助設備管理平臺，可以檢測到每一臺總線儀表的診斷信息和故障狀態(tài)， 大幅減少了儀表維護的工作量。 由于現(xiàn)場控制設備具有自診斷與簡單故障處理的能力， 并通過數(shù)字通信將相關的診斷維護信息送往控制室， 用戶可以查詢所有設備的運行、診斷、維護信息，以便早期分析故障原因并快速排除。 這大大縮短了維護停工時間。

5.6 提高系統(tǒng)穩(wěn)定性

與模擬信號相比，現(xiàn)場總線設備的智能化、數(shù)字化從根本上提高了測量與控制的準確度， 減少了傳送誤差。 同時，由于系統(tǒng)的結構簡化、設備與連線減少、 現(xiàn)場儀表內部功能加強， 減少了信號的往返傳輸，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

6 結語

剛果（金）RTR 項目一期工程已順利投產。 在該項目一期工程中，共使用了759 臺Profibus-PA 現(xiàn)場總線儀表設備和633 臺Profibus-DP 現(xiàn)場總線設備，全部運轉正常。 應用結果表明，Profibus 現(xiàn)場總線技術在降低工程造價、提高集成兼容性、縮短投運調試工期、降低后期維護工作量、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性等方面具有積極意義。 目前，剛果(金)RTR 項目二期工程正在建設中， 預計將在原有規(guī)模基礎上再增加250 臺Profibus-PA 現(xiàn)場總線儀表設備和180 臺Profibus-DP現(xiàn)場總線設備。 Profibus 現(xiàn)場總線技術在RTR 項目上的成功應用能為該技術在海外其他礦山項目中的推廣提供參考。