橫河DCS系統在李家溝鋰礦中的應用

〔摘 要〕李家溝鋰輝石礦采選項目工藝管道落差大、距離短，光纖露天鋪設故障率高，檢測數據和聯鎖也無法得到保障。為保證廠方能夠準確掌握儀表數據、閥門及設備狀態，確保工藝操作的可靠性，采用橫河的CENTUM VP系統，在山上的磨礦控制室和山下的浮選控制室分別布置了互為冗余且帶完整數據庫存儲的工程師站+數據服務器，并通過采取配置兩個主控器間通信、三網分別端口聚合、通信心跳檢測、操作可視化等多種方法，保證了原礦自流下山管道及尾礦上山管道的正常運行。

〔關鍵詞〕采選項目；工藝管道；橫河DCS系統；冗余配置；鏈路聚合技術

中圖分類號：TP273" " " 文獻標志碼：B" 文章編號：1004-4345（2024）0６-0040-0５

Application of Yokogawa DCS System in Lijiagou Spodumene Mine Project

ZHOU Zhongguang1， CHEN Rongxiang2， YU Zhihua3

（1. Jiangxi Nerin Electric amp; Automation Co.， Ltd.， Nanchang， Jiangxi 330038， China; 2. Sichuan Dexin Mining Resources Co.， Ltd.， Aba Jinchuan， Sichuan 624101， China; 3. Yokogawa China Co.， Ltd.， Xi'an， Shaanxi 710077， China）

Abstract" The process pipeline of the Lijiagou Spodumene ore mining amp; mineral processing project has a large drop and a short distance，. The failure rate of the optical fibre is high when it is laid in the open air， and the detection data and interlocking cannot be guaranteed. Yokogawa's CENTUM VP system was adopted to ensure that the instrument data and valves amp; equipment status can be accurately obtained to ensure the reliability of process operation. Mutually redundant engineer stations and data servers with complete database storage are arranged in the grinding control room up in the mine and the flotation control room down the mine， respectively. Furthermore， the normal operation of the raw ore upward pipeline and tailings downward pipeline by gravity can be ensured by adopting a variety of methods such as communication configuration between the two master controllers， three-network ports aggregation， communication heartbeats detection， and operation visualization.

Keywords" mining amp; mineral processing project; process pipeline; Yokogawa DCS system; redundancy configuration; link aggregation technology

1" "項目背景

由四川某資源有限公司投資的李家溝鋰輝石礦采選項目位于四川阿壩州金川縣李家溝。該項目地處大雪山山脈北延部分的大金河北岸，海拔高程在2 200～4 200 m之間，相對高差達到2 000 m。２０２４年已探明的鋰輝礦礦石資源儲量為3 881.2萬t，是目前亞洲探明并取得采礦權證的最大單體鋰輝石礦[1]。該項目建成后，預計年產鋰精礦約18萬t。

該項目的主要工藝車間分為山上及山下兩部分。1）山上部分（海拔高程3 710～3 220 m）依據海拔高度依次布置有采礦高位水池、生活水處理車間、選礦生產新水池、生活高位水池、尾礦膠結充填站、選礦回水池、破碎及篩分車間、粉礦倉、磨礦車間、井下涌水處理車間、尾礦壓濾及二級加壓泵站、尾礦庫凈化庫回水設施、35 kV變電站及配電系統。2）山下部分（海拔高程2 300 m）的場地內采用分臺階布置各車間或設施，從高到低依次為高位生產及生活水池、消能站、鍋爐房、藥劑制備及浮選車間、硫酸貯存間、實驗驗室、尾礦一級加壓輸送泵房、浮選回水池及加壓泵、尾礦和精礦濃縮機、110 kV變電站及配電系統、精礦壓濾車間、精礦貯存車間。

2" "常規選礦控制方案存在問題

主要生產流程采用成熟的“破碎+球磨+浮選”的選礦工藝。但由于該項目破碎+球磨工段和浮選工段分地配置，導致與常規選礦項目在工藝布局（見圖1）上存在巨大區別和難點。

由圖1可以看出，該項目破碎+球磨工段和浮選工段之間配置有國內第1根長距離的原礦自流下山管道，其長度約為78 00 m，高度落差1 200 m（自

3 530 m磨礦下山攪拌槽至2 340 m消能站），反向同步還有1根尾礦上山的增壓管道。兩根管道使用同一趟安裝在盤山公路路肩墻上的支撐固定架。

常規的選礦控制方案[2]是在磨浮車間設置中央控制室，中央控制室內配置數據服務器、工程師站、操作員站；依據工藝流程在不同的工藝車間配置主控器和I/O站；在相對獨立的區域設置有操作員站；各操作員站的數據來源于數據服務器。然而，山上和山下的通信48芯主光纖是隨著原礦下山管道同向露天敷設，部分區域由于施工困難或空間有限，只能借用管道支架，如馬蹄彎處或公路跨越處等。因此，光纖故障率極高，除了常規的老化、鼠咬、擠壓外，交通事故及地質災害也可能造成物理切斷[3]。從項目開始施工到試投產的9個月間，共發生了7次交通事故和1次泥石流造成的物理切斷故障。

這意味著，如果繼續采用常規設計方案，無論數據服務器放置在哪里，也不論服務器在中央控制室是否冗余配置，部分操作員站都存在讀取不到服務數據的風險，兩根輸送管道上儀表的檢測數據和聯鎖也無法得到保障。針對這一問題，以下進行了管線和通信的改進。

3" "優化改進方案

本項目從數據安全及完整性角度考慮，采用橫河的CENTUM VP系統（R6.09版本）。根據項目的特點和面臨的難題，布置了2臺互為冗余且帶完整數據庫存儲的工程師站+數據服務器，分別配置在山上的磨礦控制室和山下的浮選控制室。為方便與第三方的管道專家系統及管理信息系統（Management Information System）通信，還設置了專門的OPC服務器。重點針對原礦自流下山管道控制部分、尾礦上山加壓管道控制部分、通信部分和程序控制部分進行優化改造。修改方案詳見圖2。

3.1" 原礦下山管道控制部分

該項目原設計是按工藝流程將原礦自流下山管道部分的儀表及設備分成了1個主控器+1個遠程I/O，主控器放在了山下消能站孔板安裝區，遠程I/O設在山上磨浮車間外的原礦攪拌區。此設計雖然使所有工藝流程設備由同一個主控器進行控制，所有設備間聯鎖均在同一主控器中進行運算，程序編寫相對簡單，但存在致命缺陷，即主控器與遠程I/O中間有長達12 km的光纖，當光纖出現故障時，山下的主控器無法對山上遠程I/O中的設備進行操作，帶來極大的操作風險，可能造成管道堵塞、抽真空或礦漿攪拌槽的冒漿。

經與設計方及業主充分溝通，取消了山上的遠程I/O，直接將山上有關原礦自流工藝的儀表及設備并入到球磨車間的DCS主控器中。這樣，無論山上山下之間的通信光纖是否有故障，都能保證DCS對原礦自流管道上有關設備操作的可靠性。

改造涉及的設備及儀表主要有：原礦攪拌槽（2臺），原礦攪拌槽附屬的液位、流量、壓力、濃度檢測子系統（6臺/套），原礦攪拌槽出口管線及附屬控制閥（8臺/套）。通過主控制器之間的通信交互，實現對上述設備及儀表在山上、山下中控室的監控，完成生產上下游的聯鎖操作。

3.2" 尾礦上山管道控制部分

初始設計為了監控尾礦上山壓力管道的工作狀況，在2 800 m防火檢查站處設有壓力檢測儀表，其檢測信號送往3 245 m尾礦壓濾車間，儀表工作電源均取自防火檢查站。然而，由于此防火檢查站為非常駐檢查站，沒有專人對其供電系統進行檢查維護，因此經常停電，導致壓力檢測儀表一直無法正常投用。而且，700～800 m的信號電纜信號衰減較大[4]，戶外電纜長度過長，且無安全防護。

針對此實際工況，為了確保壓力檢測儀表的正常工作，采用了1套小型的風光互補太陽能系統[5]，增加采用Modbus TCP協議的數采模塊，并配置了與之相適應的通信網關，將模擬信號轉換為易傳送的TCP網絡信號，借用48芯主光纖進行可靠的無損傳輸，以較小的成本解決了此難題。最終分布聯絡見圖3。涉及的主要設備型號包括：1）風光互補系統為P-600 W/ 24 V；2）數采模塊為MT2-AM8；3）Modbus TCP轉Profibus DP網關采用PB-G-ETH。

3.3" 通信部分

按照橫河V-NET/IP控制總線的常規布置，控制總線與標準以太網三網合一。正常通信時，專屬令牌網絡BUS1通道線路上傳輸的是DCS控制系統數據，標準以太網傳輸的是計算機之間的文件數據。當BUS1通道出現故障時，DCS系統自動切換至BUS2通道（BUS2通道線路相當于BUS1通道線路+標準以太網線路），從而保障通信的連續穩定性。但如果出現BUS1和BUS2兩條通道都發生故障時，則控制系統無法正常進行控制作業。

考慮到現場條件，經與設計單位和業主方溝通，增加了備用光纖通道及支持鏈路聚合技術的路由器，以使通信網絡有充足的備用，可以實現自動切換。具體實施如下：

1）合理利用礦區自建的24芯11 kV架空同步光纖分配和增加光纖通道。BUS1線路+標準以太網線路走48芯主光纖與原礦自流下山管道基本同走向，并在主光纖中配置備用的BUS2線路光纖通道；BUS2線路走11 kV架空同步光纖，并在同步光纖中配置備用的BUS1+標準以太網光纖通道。

2）采用鏈路聚合（Link Aggregation）技術。將上述主光纖和同步光纖中相同定義的BUS1、BUS2、標準以太網光纖通道通過思科交換機組成各自的冗余鏈路。每臺交換機都要進行相應配置。以山上中控室的BUS1交換機為例，其具體的配置如下：

配置和定義名為Swtich_NoA的邏輯端口組（port-channel）

Swtich_NoA#config terminal

Swtich_NoA（config）#interface prot-channel 10

Swtich_NoA（config-if）#no switchport

給已定義的邏輯端口組分配IP地址

Swtich_NoA（config-if）#ip address 192.168.102.1 255.255.255.0

Swtich_NoA（config-if）#no shutdown

Swtich_NoA（config-if）#exit

將端口1及端口2分配至上述邏輯端口組，并啟用端口匯聚

Swtich_NoA（config）#interface range fastEthernet 0/1-2

Swtich_NoA（config-if-range）#no switchport

Swtich_NoA（config-if-range）#no ip address

Swtich_NoA（config-if-range）#channel-group 10 mode on

Swtich_NoA（config-if-range）#no shutdown

Swtich_NoA（config-if-range）#exit

鏈路聚合可以將兩個或更多數據信道結合成1個單個的信道，使其具有更高帶寬的邏輯鏈路，充分利用所有設備的端口及端口處理能力，增加設備間的帶寬，并且在其中一條鏈路出現故障時，快速地將流量轉移到其他鏈路，且這種切換為毫秒級，遠遠快于STP切換速度。由此可見，鏈路聚合技術增加了帶寬和可靠性[6]。鏈路聚合網絡布置如圖4所示。

3.4" 程序控制部分

在磨礦和消能站兩個主控制器中編制了對應的檢測程序。磨礦主控制器檢測不到消能站主控制器信號時，在山上磨礦中控室發出蜂鳴報警，以提醒操作人員山上山下通信可能有誤。

具體實現機制為：消能站主控制器每次掃描時發送一個0/1的心跳信號，磨礦主控器每次掃描時檢測此心跳信號，并將檢測到的心跳信號與歷史信號進行比對。心跳信號與歷史信號相同則通信不成功并計數，心跳信號與歷史信號不相等則通信成功，并將心跳信號轉存為歷史信號用于下一輪的比對。連續三次通信不成功則報警。

3.4.1" 程序的實現

在FCS0103（尾礦主控器）通信表GSwitchDef %GS001欄中新建變量名FCS0103_SWA，在運算塊CALCU中寫入以下程序：

Program

{FCS0103_SWA.PV}=1-{FCS0103_SWA.PV}

END

在FCS0101（磨礦主控器）運算塊寫入以下程序：

Program

If （{%GS00103.PV}={FCS0103_SWB.PV}） then

尾礦主控器FCS0103中變量FCS0103_SWA在域內通信時調用格式變成了通信表欄名amp;主控器域中編號，所以此處變量%GS00103即為FCS0103_SWA。

CPV=CPV+1’CPV是計算塊內含的變量名

If （CPVgt;=3） then

{FCS0103_FT.PV}=1’變量FCS0103_FT為

報警輸出點

End if

Else

{FCS0103_SWB.PV}={%GS00103.PV}

CPV=0

End if

If （{FCS0103_SWR.PV=1}） then’通信報警手動

確認復位

{FCS0103_SWB.PV}={%GS00103.PV}

{FCS0103_FT.PV}=0

CPV=0

{FCS0103_SWR.PV}=0

End if

END

同理，在山下浮選中控室也有對應程序對通信進行實時檢測及報警。

3.4.2" 域內主控器間通信的實現

要實現域內主控器間通信，必須要在發布數據的主控器設置其掃描傳輸（Scan Transmission）屬性。具體通信配置操作示意以山下尾礦控制器 FCS0103為例（見圖5）。點擊發布數據的主控器，點擊“CONFIGURATION”目錄，雙擊“StnDef”，選擇“Scan Transmission”屬性頁，設置本站緩沖區大小（Buffer Size）、掃描方式（Station）和接收站長度。

3.4.3" 其他有關控制策略

1）將心跳發生和檢測程序掃描頻率設置為500 ms/次，比基準掃描頻率1 s/次提高了1倍。2）取消了原設計中的停機自動沖洗管道流程，以防止在通信中斷的極端情況下，因山上山下管道中的執行元件不同步而造成不必要的礦漿沉降堵管現象。管道沖洗改為以操作人員在山上/山下中控室的操作HMI畫面中的“管道停機自潔”按鈕為準。3）增加了急停按鈕，且急停時與管道停機自潔相結合，急停時自動開啟管道停機自潔流程。

4" "項目效果

按照上述優化改進方案進行了幾個月的試運行，設備狀態及操作無誤，儀表測量結果及時準確，邏輯自鎖關系可靠穩定。項目實際組態后的操作畫面見圖6。

試生產期間主要表現如下：1）網絡穩定性得到了保障。在試運行期間，項目鋪設光纖遭遇了4次切斷事故，系統均及時完成了切換，未造成任何數據丟失或操作失控。2）提高了全礦的自動化程度，減輕了勞動強度，使一線操作人員由一般性選廠手工操作為主變為巡視為主，企業由此可以減少一定量的一線人員配置。3）工藝生產過程穩定，生產過程能夠保證連續、穩定、優質和高效地運行。4）設備效率高，產品質量優良，兼顧好了選礦局部工藝設備之間的聯鎖控制，保證了工藝過程的技術經濟指標，有效降低生產消耗，提高勞動生產率；同時還兼顧好了選礦局部工藝設備之間的連鎖控制。5）管道各狀態檢測數據滿足管道專家系統的采集要求，2 800 m檢測站改造完成后，管道專家系統兩個多月未有壓力信號丟失報警。

5" "結論

綜上所述，本次優化改造方案針對該項目高落差、短距離的選礦工藝管道中，各儀表數據、閥門及設備狀態的準確性及操作可靠性進行優化，采取了配置兩個主控器間通信、三網分別端口聚合、通信心跳檢測、操作可視化等多種方法，保證了李家溝鋰礦中原礦自流下山管道及尾礦上山管道的正常工作。該系統方案先進合理、穩定可靠、切實可行，遵循了綠色開發、循環利用、集約經營、可持續發展的要求，為穩定該廠工藝流程提供了堅實保障。

通過本次優化改造實踐，可以得到如下結論：1）大型工廠使用分布式的控制系統時，網絡線路的合理規劃布局尤為重要。應依據不同工況合理分配各主控器的控制區域及I/O模塊的信號采集控制范圍，從而保障大型、特大型關鍵設備的可靠工作。2）要充分考慮數據服務器的數據穩定性，必要時進行物理上的分散布置，并注意數據服務器之間的數據冗余。3）針對主要的關鍵光纖線路，一定要考慮可靠的備份并做好光纖切換作業。利用鏈路聚合控制使故障鏈路自動切換到正常鏈路上，從而保障網絡的連續性，提高整體系統的可靠性，減少故障帶來的停機和事故，同時也增加了帶寬，實現了負載均衡性，也避免了單鏈路過載使得網絡性能降低。

參考文獻

[1] 佚名.四川省金川縣李家溝鋰礦補充勘探[EB/OL].（2023-02-19）[2023-04-12] https：//baike.baidu.com/ item/%E5%9B%9B%E5%B7%9D%E7%9C%81%E9%87%91%E5%B7%9D%E5%8E%BF%E6%9D%8E%E5%AE%B6%E6%B2%9F%E9%94%82%E7%9F%BF%E8%A1%A5%E5%85%85%E5%8B%98%E6%8E%A2/56324034？fr=ge_ala.

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