黃金選礦廠冗余FCS自動控制系統(tǒng)設計*

彭秀云，王 旭，鄒國斌，劉繼明，高 揚，王俊鵬

（1. 北京礦冶研究總院，北京 102628；2. 礦冶過程自動控制技術北京市重點實驗室，北京 102628）

1 引言

現(xiàn)在DCS已經(jīng)暴露出來了它自身的弱點。最初它取代傳統(tǒng)的儀表盤給控制領域帶來了一個又一個驚喜。但是隨著時間的推移，計算機、通信、網(wǎng)絡等技術的迅猛發(fā)展，DCS各廠家為了各自的壟斷利益使DCS的發(fā)展相對滯后，目前DCS越來越顯現(xiàn)出它自身的弱點：費用昂貴；DCS各廠家通訊標準不統(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)向開放的控制系統(tǒng)延伸與發(fā)展成為自動化領域的焦點問題?，F(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（FCS）的出現(xiàn)使這一問題得到了解決［1］。

現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)(FCS)的基礎是現(xiàn)場總線，現(xiàn)場總線是用于過程自動化和制造自動化最底層的現(xiàn)場儀表或現(xiàn)場設備互連的通信網(wǎng)絡，是現(xiàn)場通信網(wǎng)絡與控制系統(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的基礎上利用現(xiàn)場總線技術逐步發(fā)展形成的［2］。

FCS技術就是將專用微處理器植入測量控制儀表或I/O模塊，使其具有數(shù)字計算和數(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算機之間能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與信息交換，從而形成各種適應實際需要的自動控制系統(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)場儀表中，各功能塊可由用戶統(tǒng)一選擇并組態(tài)，從而實現(xiàn)了虛擬控制站技術并可實現(xiàn)更為徹底的分散控制［3］。

目前，國內(nèi)大中型礦山選廠在工程建設中積極推廣自動化、信息化、數(shù)字智能化技術，通過計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)實現(xiàn)在線優(yōu)化生產(chǎn)調(diào)度和管理，使整個選礦生產(chǎn)過程處于最佳運行狀態(tài)，最大限度提高產(chǎn)量、金屬回收率等技術經(jīng)濟指標，以達到高產(chǎn)優(yōu)質(zhì)、節(jié)能降耗［4］。三山島金礦是國家黃金工業(yè)“七五”期間重點建設項目，是中國100家最大有色金屬礦采選業(yè)企業(yè)之一，也是目前全國機械化程度最高的地下開采黃金礦石。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探建結合工程選礦廠電力與綜合自動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技術在三山島金礦8000t/d探建結合工程選礦廠電力與綜合自動化工程的應用。

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、中細碎、磨礦、浮選、精礦濃縮及過濾脫水、尾礦分級及輸送、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。

粗碎設在井下（前期使用地表粗碎站），礦石經(jīng)箕斗提至地表礦倉，與外來礦石由皮帶運至預先篩和閉路篩，合格產(chǎn)品經(jīng)中細碎后進入粉礦倉，經(jīng)過磨礦作業(yè)、分級作業(yè)、浮選作業(yè)、過濾作業(yè)最終產(chǎn)品為精礦濾餅，然后由卡車外運至精煉廠。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)過旋流分級，底流通過加壓泵輸送至充填攪拌站；其溢流通過加壓泵輸送至5km外的尾礦處理車間進行處理，最終輸送到尾礦庫。其關鍵工藝流程圖見圖1。

圖1 生產(chǎn)流程圖

3 冗余FCS系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)設計

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、增效降耗的原則，進行自動控制系統(tǒng)設計。

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

破碎控制站設6個分布式IO站集成粗碎站、篩分車間、中細碎車間和皮帶廊及轉運站的信號。磨浮控制站設7個分布式IO站集成主廠房、粉礦倉、石灰乳制備車間、尾礦加壓車間的信號。精礦脫水控制站設1個分布式IO站集成濃密機、精礦過濾車間的信號。尾礦處理控制站設3個分布式IO站集成尾礦濃密與輸送、尾礦分級和溢流回水泵站的信號。針對不同的設備系統(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。

在此基礎上優(yōu)化控制系統(tǒng)，集成了優(yōu)化控制服務器、全流程綜合指標優(yōu)化服務器和設備與流程建模仿真服務器，完成了建模仿真、控制與優(yōu)化集成平臺。

在選礦磨浮廠房設有集中控制室，將各廠房內(nèi)的主要設備運行情況、工藝過程參數(shù)等數(shù)據(jù)送到集中控制室，集中控制室根據(jù)生產(chǎn)狀況和要求對工藝參數(shù)和工藝過程進行自動調(diào)節(jié)和控制?？刂葡到y(tǒng)網(wǎng)絡架構圖見圖2。

3.2 控制系統(tǒng)選用

本項目選用美國GE PAC RX3iCA系列產(chǎn)品作為主選型設備。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)采集服務器通訊所需要的各種模塊。PLC系統(tǒng)采用冗余設計原則，主CPU模塊、Industrial Ethernet主干網(wǎng)通訊模塊、光纖、交換機輸入輸出口均采用冗余設計。在數(shù)據(jù)采集方面，PROFIBUS、MODBUSRTU、Industrial Ethernet、AI、AO、DI、DO等模塊均留有30%的擴展容量，PLC機架均保有30%的空槽。

圖2 控制系統(tǒng)網(wǎng)絡架構圖

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

3.3 系統(tǒng)優(yōu)點

（1）樹形冗余網(wǎng)絡。

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

磨浮控制室、中細碎廠房、過濾廠房、尾礦處理廠房分別設PLC站，每個控制站CPU冗余，網(wǎng)絡冗余，服務器冗余。所有PLC系統(tǒng)的IO站均采用雙網(wǎng)冗余與CPU主站進行通訊。主干網(wǎng)絡采用單模光纖介質(zhì)，并留有冗余。

（2）數(shù)據(jù)采集功能。

使用FROBIBUS現(xiàn)場總線采集現(xiàn)場的模擬量和開關量，并進行處理和輸出；I/O模塊與背板實現(xiàn)隔離。

采用PROFIBUS-DP通信技術，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，完全可以實現(xiàn)即插即用的開放式組態(tài)［5］。表1為系統(tǒng)通過現(xiàn)場總線采集的電氣設備變頻器、智能保護器、馬達保護器和第三方設備表，表2為系統(tǒng)采集的檢測和控制儀表。

表1 電氣和第三方設備統(tǒng)計

表2 檢測控制儀表統(tǒng)計

（3）先進的控制算法。

系統(tǒng)具有反饋控制、比例控制、先進智能控制等功能。先進控制與常規(guī)（PID）控制相結合，進行智能閉環(huán)控制，完成各種控制算法，輸出運算結果；把數(shù)字量信號轉化成模擬量信號，控制各執(zhí)行機構。

給礦控制的目標是要保證擠滿給礦率，生產(chǎn)要求控制破碎機擠滿給礦運行時間占總運行時間的80%以上。為此，采用料位計檢測料腔料位，同時檢測圓錐破碎機的運行功率，對圓錐破碎機的給礦實行分段控制原則，實現(xiàn)擠滿給礦，控制原理見圖3。

圖3 擠滿給礦控制原理圖

4 面向?qū)ο笙到y(tǒng)平臺

選擇一個系統(tǒng)平臺主要是從以下方面進行考察：平臺架構、承載能力、用戶界面、整合能力和可擴展性。此外，針對一線操作員工的專業(yè)技術局限性，必須要求系統(tǒng)用戶界面友好，易于上手，便于操作和維護［6］。

本項目中，F(xiàn)CS系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集服務器、應用服務器、操作員站、工程師站、歷史數(shù)據(jù)服務器、網(wǎng)絡發(fā)布服務器、無線數(shù)據(jù)管理服務器等部分組成。其具體功能描述如下：

（1）數(shù)據(jù)采集服務器（IO Server）。

數(shù)據(jù)采集服務器負責和PLC控制器連接，完成生產(chǎn)數(shù)據(jù)的實時采集。

（2）應用服務器（Application Station）。

應用服務器作為一個統(tǒng)一的接口，負責將所有流程畫面和數(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)。應用服務器是監(jiān)控層的核心設備，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?？刂乒こ處煾鶕?jù)生產(chǎn)過程控制狀況，通過分析多種工藝和設備的約束條件，確定用于過程控制的最有效的操作參數(shù)；他們還可以在工程師站進行操作員模擬培訓，完成系統(tǒng)配置、組態(tài)和系統(tǒng)維護等工作。

對照組飲食控制45例（100.00%）、運動鍛煉42例（93.33%）、規(guī)律用藥 43例（95.56%）、定時血糖檢測42例（93.33%）、足部護理 40 例（88.89%）、定期復診44 例（97.78%）；觀察組飲食控制38例（84.44%）、運動鍛煉32例（71.11%）、規(guī)律用藥 28例（62.22%）、定時血糖檢測30例（66.67%）、足部護理25例（55.56%）、定期復診26例（57.78%）；觀察組患者護理依從性明顯高于對照組，差異有統(tǒng)計學意義（P＜0.05）。

（4）操作員站（Operator Station）。

操作員站將所有人機界面、應用數(shù)據(jù)、控制變量完全集成。操作人員通過畫面完成對現(xiàn)場各檢測點以及所有控制回路運行狀態(tài)的監(jiān)控。受控參數(shù)的顯示，被控變量變化趨勢的描述等都可以在畫面中看到。它是操作人員進入控制系統(tǒng)的接口。操作員站的數(shù)據(jù)輸入輸出和畫面顯示是由應用服務器來配置和管理的。

破碎控制室配置2臺操作員站，用于實現(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臺操作員站，用于實現(xiàn)濃密脫水車間的生產(chǎn)操作與流程控制。尾礦加壓泵站設置1臺操作員站，用于實現(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臺操作員站和1臺工程師站。

（5）歷史數(shù)據(jù)服務器。

歷史數(shù)據(jù)服務器是用來對流程數(shù)據(jù)和報警等信息進行長期歸檔存儲，歷史數(shù)據(jù)可通過歷史趨勢曲線和報表等方式在操作員站上查看。歷史數(shù)據(jù)服務器應提供通用數(shù)據(jù)訪問接口，第三方軟件可通過ODBC、OLEDB等方式訪問歷史數(shù)據(jù)庫，讀取相關數(shù)據(jù)。

（6）網(wǎng)絡發(fā)布服務器。

網(wǎng)絡發(fā)布服務器用于將操作員站上的流程畫面和數(shù)據(jù)以網(wǎng)頁的形式發(fā)布到辦公局域網(wǎng)上，廠領導可通過IE瀏覽器及時了解現(xiàn)場情況，提高工作效率。以網(wǎng)頁形式發(fā)布的流程畫面只能監(jiān)視，不能操作。

磨浮控制室作為選礦廠的中央控制室，同時配置2臺應用服務器（互為冗余）、1臺工程師站、1臺歷史數(shù)據(jù)服務器、1臺網(wǎng)絡發(fā)布服務器。

浮選流程WEB發(fā)布畫面如圖4。

圖4 浮選生產(chǎn)流程WEB發(fā)布畫面

5 總結

冗余FCS控制系統(tǒng)的設計在黃金選礦廠控制系統(tǒng)得到良好的應用，目前系統(tǒng)運行穩(wěn)定?？偩€技術減少了集成信號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)絡設計在提高控制系統(tǒng)穩(wěn)定的同時，穩(wěn)定了選礦廠的生產(chǎn)流程，并為生產(chǎn)流程優(yōu)化和指標優(yōu)化提供了更大的空間和可能。

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［5］廖廷常, 方彥君. 基于PROFIBUS現(xiàn)場總線的控制系統(tǒng)通信互連[J].控制工程, 2002(4):32-34.

［6］梁昌晶, 杜勇, 張文靜, 等. 基于Wonderware系統(tǒng)平臺的油田井站監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J]. 測控技術, 2012, 31(8):99-104.