自動化控制系統(tǒng)的集成在云錫銅冶煉中的應(yīng)用

唐都作, 丁 旭, 陶 明

(云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司， 云南個舊市 661000)

自動化控制系統(tǒng)的集成在云錫銅冶煉中的應(yīng)用

唐都作, 丁 旭, 陶 明

(云南錫業(yè)股份有限公司銅業(yè)分公司， 云南個舊市 661000)

10萬t/a銅項(xiàng)目是云錫為尋找新的經(jīng)濟(jì)增長點(diǎn)，按照現(xiàn)代化有色冶煉加工企業(yè)的規(guī)模建設(shè)的，生產(chǎn)自動控制系統(tǒng)在本項(xiàng)目中得到了廣泛應(yīng)用。在主生產(chǎn)工序和輔助工序中配置有多套生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)、多臺成套設(shè)備自動控制裝置，滿足了對各生產(chǎn)工藝監(jiān)視、控制和安全聯(lián)鎖的基本要求。然而，控制系統(tǒng)和自動控制裝置的相互獨(dú)立，影響了生產(chǎn)過程控制的流暢性，制約了生產(chǎn)管理水平的進(jìn)一步提升，本文就整合生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)開展的技術(shù)攻關(guān)活動作一些簡單介紹，為共同提高銅冶煉生產(chǎn)“管控一體化”水平發(fā)揮作用。

DCS可編程控制器； 過程控制； 信息網(wǎng)絡(luò)； 集成

0 引言

云錫10萬t/a銅冶煉項(xiàng)目采用世界先進(jìn)的“雙頂吹”煉銅技術(shù)及不銹鋼永久陰極銅電解精煉技術(shù)，工藝流程為頂吹熔煉+頂吹吹煉+陽極爐精煉+不銹鋼陰極工藝電解精煉，銅冶煉煙氣統(tǒng)一送至硫酸車間制酸。項(xiàng)目采納國際先進(jìn)的總包(EPC)方式運(yùn)作，由中國恩菲工程技術(shù)有限公司和中國瑞林工程技術(shù)有限公司總承包，由北京鑫誠建設(shè)監(jiān)理咨詢有限公司進(jìn)行工程監(jiān)理。2010年3月20日，破土動工開始建設(shè)，2012年3月24日投料帶負(fù)荷試車，2012年11月完成試生產(chǎn)。其生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)主要以橫河DCS和西門子可編程控制器為主，主要作用是對銅冶煉生產(chǎn)工藝和設(shè)備進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測、實(shí)時控制、安全聯(lián)鎖和工藝參數(shù)記錄等。由于項(xiàng)目分包給不同的供應(yīng)商與承建單位，造成了成套設(shè)備之間、各過程控制系統(tǒng)之間相互獨(dú)立，上、下級生產(chǎn)工序間的工藝參數(shù)不能實(shí)時傳遞，給生產(chǎn)組織協(xié)調(diào)帶來不便，降低了生產(chǎn)效率。原自動控制系統(tǒng)的設(shè)計主要存在下述四個方面的問題：

(1)DCS控制系統(tǒng)分成4套獨(dú)立的集散控制子系統(tǒng)，其控制網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1。

圖1 DCS控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)示意圖

1#域子系統(tǒng)由OUTOTEC公司提供，采用橫河CENTUM VP-R4.03系統(tǒng)，用于頂吹爐熔煉、頂吹爐吹煉過程控制，控制系統(tǒng)主要作用是控制熔煉、吹煉頂吹爐的噴槍槍位、入爐物料、空氣、氧氣、粉煤的配比、爐子冷卻水等控制，完成銅冶金熔煉和吹煉過程，產(chǎn)出合格銅锍和粗銅。

2#域子系統(tǒng)由分包單位蘇氧公司提供，控制系統(tǒng)采用橫河CENTUM CS3000-R3.09系統(tǒng)，通過控制變壓、純化和深冷制氧等設(shè)備，生產(chǎn)出各冶煉過程所需的高純氧和高純氮。

3#域子系統(tǒng)由恩菲公司提供，控制系統(tǒng)采用橫河CENTUM CS3000-R3.09系統(tǒng)，主要用于原料制備、原料配送、煙氣收塵、余熱鍋爐、熔爐循環(huán)水等相關(guān)配套工藝的控制。

4#域子系統(tǒng)是瑞林公司提供，控制系統(tǒng)采用橫河CENTUM VP-R4.01控制系統(tǒng)，用于冶煉煙氣制酸，實(shí)現(xiàn)冶煉煙氣的凈化、轉(zhuǎn)化、干吸、脫硫等工序的控制操作，生產(chǎn)出合格濃硫酸。

(2)其它過程控制大部分采用西門子公司的S7- 300和S7- 400可編程控制器構(gòu)成，火法冶金部分有：雙圓盤澆鑄機(jī)組成套設(shè)備和銅锍水淬過程控制系統(tǒng)等，濕法電解部分有：陽極整形機(jī)組、陰極剝片機(jī)組、殘極洗滌機(jī)組、電解排板專用吊車成套設(shè)備和電解循環(huán)、凈液過程控制系統(tǒng)等，輔助生產(chǎn)工序還有余熱發(fā)電機(jī)組等大型成套設(shè)備。這些大型成套自動化控制系統(tǒng)均相互獨(dú)立，雖有OUTOTEC公司提供的TIMS系統(tǒng)進(jìn)行集成，但其覆蓋范圍不全面，且沒有提供開放式的數(shù)據(jù)接口，無法實(shí)現(xiàn)與上層信息管理網(wǎng)絡(luò)的接駁，很難發(fā)揮其在生產(chǎn)管理上的整體優(yōu)勢。

(3)部分小型成套設(shè)備的控制由西門子公司的S7- 200可編程控制器構(gòu)成，其系統(tǒng)與相關(guān)工序的過程控制子系統(tǒng)分離，設(shè)備狀態(tài)與工藝過程無法有效監(jiān)視、聯(lián)鎖控制。

(4)原項(xiàng)目設(shè)計不僅滿足不了各生產(chǎn)工藝相互聯(lián)鎖、監(jiān)視、操作的要求，而且也不滿足建立生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的要求，既不能自動采集數(shù)據(jù)，也不能自動生成狀態(tài)監(jiān)測報告和生產(chǎn)報表。

為切實(shí)解決原設(shè)計中的不足，公司及時組織成立了“控制系統(tǒng)技術(shù)攻關(guān)”小組，針對上述四個問題分別進(jìn)行了分析，制定了不同的整合解決方案，并與恩菲、瑞林、重慶川儀和浙大中控公司密切合作，成功實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的集成和控制網(wǎng)絡(luò)與管理信息網(wǎng)絡(luò)的無縫鏈接。

1 自動化控制系統(tǒng)集成方案

控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成方案有多種方式方法，本著低成本、高效率、實(shí)現(xiàn)簡單、運(yùn)行可靠的原則，按照先底層、后上層，最后到管理信息網(wǎng)絡(luò)層的順序，首先完成成套設(shè)備PLC控制裝置與DCS控制系統(tǒng)的通訊，再完成DCS系統(tǒng)4個子域的互聯(lián)，最后用OPC的通訊方式實(shí)現(xiàn)了控制網(wǎng)絡(luò)與信息網(wǎng)絡(luò)的集成，建立了生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)。

1.1 成套設(shè)備PLC子系統(tǒng)與橫河DCS集成解決方案

成套設(shè)備大多采用S7- 200，S7- 300可編程控制器，在本建設(shè)項(xiàng)目中數(shù)量多達(dá)幾十套，它們相互獨(dú)立，與過程控制系統(tǒng)DCS既無電纜硬連接，也無網(wǎng)絡(luò)通訊。若采用電纜硬接線方式連接各系統(tǒng)，則需敷設(shè)大量電纜，配置大量DCS卡件，不僅實(shí)現(xiàn)成本高，而且受到DCS系統(tǒng)點(diǎn)數(shù)容量的限制。通過在S7- 200可編程控制器中配置EM277與DCS通訊卡件ALP111相連接，采用PROFIBUS-DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)其與DCS系統(tǒng)的通訊；在S7- 300可編程控制器中，利用DP接口與DCS通訊卡件ALP111相連接，采用PROFIBUS-DP協(xié)議實(shí)現(xiàn)其與DCS系統(tǒng)的通訊；針對風(fēng)機(jī)房供風(fēng)系統(tǒng)的韓國LS產(chǎn)可編程控制器，則用RS485接口，通過MODBUS協(xié)議與DCS通訊模塊ALR121連接。其系統(tǒng)連接示意圖見圖2。

圖2 橫河DCS與PLC系統(tǒng)連接示意圖

通過PROFIBUS-DP通訊，成功實(shí)現(xiàn)了各成套設(shè)備控制裝置與DCS系統(tǒng)的有效集成，僅中方DCS系統(tǒng)的三個控制域就實(shí)現(xiàn)了對38臺套設(shè)備近千個監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)控，達(dá)到了集中監(jiān)視、分散控制和安全聯(lián)鎖的目標(biāo)，為提高生產(chǎn)效率和設(shè)備運(yùn)行的安全性提供了技術(shù)保證，同時為后續(xù)各過程控制系統(tǒng)的進(jìn)一步集成和建立生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)打下了堅實(shí)的基礎(chǔ)。

1.2 橫河DCS控制系統(tǒng)多項(xiàng)目集成解決方案

對于以橫河為主的DCS控制系統(tǒng)，因各DCS控制系統(tǒng)的域名或監(jiān)控位號部分相同，不能簡單地將4個子域的網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接在一起，否則將會造成軟件和數(shù)據(jù)資源的沖突。本項(xiàng)目橫河DCS系統(tǒng)分為四套相對獨(dú)立的子系統(tǒng)，分別是澳方的PCS頂吹爐控制、中方的輔助生產(chǎn)控制、氧氣站的深冷制氧控制和制酸的兩轉(zhuǎn)兩吸控制系統(tǒng)，這四套系統(tǒng)均為橫河公司的DCS控制系統(tǒng)，但組態(tài)軟件版本各有不同，有CENTUM VP和CENTUM CS3000，工程師站和操作員站所配的操作系統(tǒng)也有WINDOWS XP和WINDOWS7之分。為實(shí)現(xiàn)它們相互間的互連互通，滿足生產(chǎn)工藝監(jiān)控及生產(chǎn)信息管理的需求，本項(xiàng)目采取以太網(wǎng)連接的通訊方式，省去了硬接線連接方式所需的大量電纜、DCS卡件和敷設(shè)電纜的施工費(fèi)用。

首先，考慮到4個DCS控制子系統(tǒng)需跨網(wǎng)段互訪(每個域占用一個網(wǎng)段)，控制網(wǎng)絡(luò)必須增設(shè)三層交換機(jī)，并配置相應(yīng)的路由信息，才能保證4個子域的DCS系統(tǒng)能夠路由可達(dá)。其次，要實(shí)現(xiàn)不同工程項(xiàng)目的通信，還必須購置橫河公司的多項(xiàng)目組態(tài)軟件包LHS5450和監(jiān)視軟件包LHS4450。本項(xiàng)目共購置了4套多項(xiàng)目軟件的授權(quán)包，通過組態(tài)配置實(shí)現(xiàn)了4個DCS系統(tǒng)子域的互連互訪，其網(wǎng)絡(luò)連接示意圖如圖3所示。

圖3 橫河DCS系統(tǒng)多項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)連接示意圖

1.3 生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)集成方案

如前撰述，各生產(chǎn)工藝自動化控制雖已建立完善，并進(jìn)行了部分網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，但就系統(tǒng)的完整性而言，仍存在著信息“孤島”的現(xiàn)象，滿足不了綜合生產(chǎn)信息化管理的要求。為形成一套完整的PIMS系統(tǒng)，對原項(xiàng)目中已存在的二套相互獨(dú)立的小型PIMS系統(tǒng)進(jìn)行了分析，并在消化吸收的基礎(chǔ)上創(chuàng)新地將全廠供配電系統(tǒng)和物料、產(chǎn)品檢驗(yàn)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)集成到了生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)中。原項(xiàng)目已有的小型PIMS系統(tǒng)分別是澳方PCS系統(tǒng)中的橫河ExaOPC系統(tǒng)，以及用于進(jìn)口成套設(shè)備(剝片機(jī)組、陽極整形機(jī)組、電解吊車等)的TIMS系統(tǒng)。

1.3.1 澳方PCS系統(tǒng)中的PIMS

澳方DCS系統(tǒng)的控制系統(tǒng)為CENTUM.VP，并配有DASS服務(wù)器，軟件為橫河公司的Exaquantum R2.5，即橫河的工廠信息管理系統(tǒng)，服務(wù)器的操作系統(tǒng)為Windows 2008 server。其在DCS系統(tǒng)內(nèi)部已構(gòu)建了一個小型的PIMS系統(tǒng)，主要對DCS系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄和存儲，可實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)的查詢、分析、報告和工藝參數(shù)配方的計算等。但由于其沒有開放程序和數(shù)據(jù)接口，無法進(jìn)行二次開發(fā)，也不能與上層管理信息系統(tǒng)有效整合。

1.3.2 成套設(shè)備的TIMS

與剝片機(jī)組、陽極整形機(jī)組和電解吊車等配套的小型TIMS系統(tǒng)，是由OUTOTEC公司基于Microsoft Silverlight平臺獨(dú)立開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)，可在IE等瀏覽器中以WEB方式訪問，可以完成相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的查詢、分析、統(tǒng)計和報表功能，但其也存在與上述澳方的DASS系統(tǒng)一樣的問題。

1.3.3 綜合生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的構(gòu)建

圖4 生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)集成方案示意圖

要實(shí)現(xiàn)全司綜合生產(chǎn)信息化管理，必須對全司生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)進(jìn)行整合。本項(xiàng)目采用具有信息隔離作用的北京力控工業(yè)控制網(wǎng)關(guān)充當(dāng)PIMS交換機(jī)，將各生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)和成套設(shè)備控制裝置連接起來，并通過DCS控制系統(tǒng)、PLC控制裝置中的Wincc和電力繼電保護(hù)系統(tǒng)所提供的OPC數(shù)據(jù)服務(wù)接口，實(shí)現(xiàn)了工藝過程數(shù)據(jù)的自動采集。

在信息處理方面，采用具有二次開發(fā)功能的浙大中控的PIMS平臺軟件，利用PIMS交換機(jī)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能，有效將控制網(wǎng)絡(luò)與管理信息網(wǎng)絡(luò)隔離，在確保各工藝過程數(shù)據(jù)實(shí)時上傳的基礎(chǔ)上，提高了生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。為了將物料和產(chǎn)品檢斤系統(tǒng)中的計量數(shù)據(jù)融入到生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)中，利用稱重計量儀表自帶的RS232接口與計算機(jī)進(jìn)行通訊，首先將物料和產(chǎn)品的稱重計量數(shù)據(jù)保存在秤房內(nèi)計算機(jī)的本地數(shù)據(jù)庫中，再通過已建的信息網(wǎng)定時將計量過程數(shù)據(jù)送到生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，以此確保計量數(shù)據(jù)采集、存儲的安全性和可靠性。

綜合生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)是在原項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，通過購置少量的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和有限的應(yīng)用軟件而建成的，基本實(shí)現(xiàn)了全生產(chǎn)控制系統(tǒng)的互連互通，以低廉的價格，簡單易行的方案彌補(bǔ)了原DASS系統(tǒng)和TIMS系統(tǒng)的不足，并成功地將110 kV電站的供配電數(shù)據(jù)、物料和產(chǎn)品的檢斤數(shù)據(jù)上傳到了系統(tǒng)中，建立和完善了綜合生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)集成方案的示意圖如圖4所示。

充分利用浙大中控PIMS平臺軟件的二次開發(fā)功能，通過再次組態(tài)完成了數(shù)據(jù)的自動采集、工藝流程圖再現(xiàn)、歷史數(shù)據(jù)存儲、生產(chǎn)報表統(tǒng)計和分析等。凡公司有權(quán)限的用戶都可利用企業(yè)局域網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，隨時隨地登錄到綜合生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)中，以WEB方式瀏覽訪問生產(chǎn)信息和報表。

2 結(jié)語

(1)大型工程項(xiàng)目的生產(chǎn)工藝比較復(fù)雜，其所涉及的設(shè)備和自動化控制也比較多，在項(xiàng)目規(guī)劃初期，就應(yīng)該全面考慮生產(chǎn)設(shè)備與生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)管理的完美集成。為了充分發(fā)揮系統(tǒng)的整合優(yōu)勢，在項(xiàng)目實(shí)施過程中，最好采用同一品牌或同一類型的控制系統(tǒng)，統(tǒng)一選型和配置，盡量精簡和優(yōu)化生產(chǎn)過程控制。

(2)本項(xiàng)目中小型成套設(shè)備裝置與大型DCS控制系統(tǒng)的成功連接，經(jīng)過近二年來的生產(chǎn)實(shí)踐，證明其采用的通訊方式是一種有效可靠的運(yùn)行方式，不僅能滿足生產(chǎn)工藝監(jiān)控的需要，而且使我司的生產(chǎn)管理水平得到了大幅提升。

(3)大型成套設(shè)備控制裝置自成體系，其監(jiān)控在工藝方面沒有與其它控制系統(tǒng)連接的要求，但為了滿足生產(chǎn)信息管理系統(tǒng)建設(shè)的需要，有必要在項(xiàng)目規(guī)劃初期就對它們的數(shù)據(jù)采集方式和連接方式提前規(guī)劃，避免后期出現(xiàn)信息“孤島”現(xiàn)象。

(4)PIMS項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)連接。經(jīng)過橫河DCS多項(xiàng)目網(wǎng)絡(luò)集成，橫河DCS與小型成套設(shè)備通訊連接， OPC通訊的方式實(shí)現(xiàn)與大型成套設(shè)備連接，實(shí)現(xiàn)了工藝數(shù)據(jù)的實(shí)時數(shù)據(jù)采集上傳，為生產(chǎn)信息管理打下了基礎(chǔ)。

[1] 廖常初. S7—300/400 PLC應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

Application of integrated automation control system in Yunnan Tin Ltd copper smelting

TANG Du-zuo，DING Xu，TAO Ming

100 thousand tons of copper project is a new economic growth point for Yunnan Tin Ltd, and was constructed according to the scale of the modern non-ferrous smelting processing enterprises, the production automatic control system has been widely applied in the project. Many sets of production process control system, many sets of equipment automatic control devices have been configured in the main production process and auxiliary process, which satisfied for each production process monitoring, control, and the basic requirement of safety interlock. However, control system and automatic control device are independent of each other, it affects the flow of production process control, restricts the level of production management to further improve, this article simple introducted the integration of the production process control system, technical research activities that have been carried out to improve the level of copper smelting production “management and control integration”.

DCS programmable controller; process control; information network; integration

唐都作(1976—)，男，廣西桂林人，高級工程師，主要從事有色金屬冶煉及自動化控制技術(shù)工作。

2015-12-25

TF811; TP273

B

1672-6103(2016)02-0035-06