全流程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)在某選廠(chǎng)的應(yīng)用

許 楊 鄭燦輝,2 徐春清 譚曉飛

(1.洛陽(yáng)欒川鉬業(yè)集團(tuán)股份有限公司； 2.西安建筑科技大學(xué)材料與礦資學(xué)院)

礦產(chǎn)資源開(kāi)發(fā)利用中，選礦生產(chǎn)流程主要由碎磨工藝、選別工藝、脫水工藝等組成，選礦自動(dòng)化是選礦生產(chǎn)過(guò)程中各作業(yè)流程進(jìn)行自動(dòng)控制與檢測(cè)的過(guò)程[1-2]。在降低生產(chǎn)成本、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、穩(wěn)定技術(shù)指標(biāo)等方面自動(dòng)化技術(shù)可帶來(lái)積極作用，經(jīng)濟(jì)效益明顯，因此開(kāi)發(fā)利用自動(dòng)化控制技術(shù)是選礦企業(yè)提高企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力與生存能力的優(yōu)先選擇[3]。

據(jù)相關(guān)統(tǒng)計(jì)，自動(dòng)控制技術(shù)的使用可以使選礦設(shè)備的生產(chǎn)能力提高10%左右，生產(chǎn)成本可以降低5%左右，工人勞動(dòng)生產(chǎn)率可提高50%左右，能源消耗降低20%左右，同時(shí)還能顯著提高選礦技術(shù)指標(biāo)[4]。目前大型選礦企業(yè)在自動(dòng)化控制方面已經(jīng)從單獨(dú)的某個(gè)系統(tǒng)管理逐漸向網(wǎng)絡(luò)化、集成化方向發(fā)展，并通過(guò)對(duì)全流程的監(jiān)控與管理實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)廠(chǎng)區(qū)的自動(dòng)化控制[5]。

1 原系統(tǒng)分析和改進(jìn)目標(biāo)

1.1 原自動(dòng)控制分析

洛鉬集團(tuán)選礦三公司選礦工藝流程包括碎礦、磨礦、浮選、加藥、脫水烘干和尾礦排放等工序，目前已進(jìn)行過(guò)多次局部改造，部分工藝也曾使用過(guò)自動(dòng)化控制系統(tǒng)，但目前仍存在碎片化以及部分功能缺失等問(wèn)題。

(1)選礦工藝流程自動(dòng)化系統(tǒng)碎片化嚴(yán)重，相互之間無(wú)聯(lián)系、不統(tǒng)一，難于管理。

(2)自動(dòng)化系統(tǒng)功能不全，現(xiàn)場(chǎng)粒度分析儀、品位分析儀等儀表參數(shù)沒(méi)有得到有效應(yīng)用，眾多電氣設(shè)備仍然就地手動(dòng)操作，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，自動(dòng)化水平較低。

(3)選礦三公司生產(chǎn)流程較長(zhǎng)，系列和設(shè)備多，故障率高，能源消耗大，增加了管理難度。

1.2 改進(jìn)目標(biāo)

通過(guò)梳理、整合選礦廠(chǎng)原自動(dòng)化裝備，建立一套全流程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用先進(jìn)、合理、適用、成熟的技術(shù)解決目前存在的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)選礦全流程自動(dòng)化控制，減少現(xiàn)場(chǎng)人員的機(jī)械性、重復(fù)性工作，實(shí)現(xiàn)集中控制、優(yōu)化運(yùn)行、精細(xì)管理、精簡(jiǎn)組織的改進(jìn)目標(biāo)，達(dá)到提高選礦指標(biāo)、降低能源消耗、改善工人作業(yè)環(huán)境和降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的。

2 全流程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

選礦三公司全流程自動(dòng)化采用DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，通過(guò)3層執(zhí)行層和2層網(wǎng)絡(luò)層進(jìn)行控制。

2.1.1 執(zhí)行層

數(shù)據(jù)采集、接收控制信號(hào)主要由該層負(fù)責(zé)，通過(guò)IO模塊將所有設(shè)備狀態(tài)和過(guò)程數(shù)據(jù)讀入到控制系統(tǒng)中，同時(shí)將控制信號(hào)發(fā)送至現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。壓力、流量、物位、pH等儀表通過(guò)4～20 mA信號(hào)與DCS通訊，第三方設(shè)備通過(guò)PROFIBUS-DP網(wǎng)絡(luò)接入DCS。

2.1.2 控制層

控制層主要負(fù)責(zé)運(yùn)算和控制，由控制器完成。所有來(lái)自IO模塊的數(shù)據(jù)送入控制器，對(duì)生產(chǎn)的邏輯和回路控制實(shí)時(shí)運(yùn)行，保證現(xiàn)場(chǎng)操作人員可及時(shí)處理生產(chǎn)異常問(wèn)題、設(shè)定工藝參數(shù)目標(biāo)值等，中央控制室的服務(wù)器、工程師站通過(guò)光纖或網(wǎng)絡(luò)直接與控制器相連，并進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞和交換。

2.1.3 監(jiān)控層

該層主要包括操作員站、工程師站、服務(wù)器等，其中操作員站主要承擔(dān)操作任務(wù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和操作進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理以及報(bào)表開(kāi)發(fā)也可以在操作員站上顯示并打??；工程師站主要承擔(dān)該系統(tǒng)的編程、調(diào)試和維護(hù)工作。

2.2 DCS自動(dòng)控制軟件

DCS自動(dòng)控制軟件主要有控制組態(tài)、事故報(bào)警、圖形制作、程序監(jiān)控、數(shù)據(jù)記錄、報(bào)表打印功能等，可滿(mǎn)足對(duì)選礦生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視、控制、計(jì)量以及存儲(chǔ)等需求。

2.3 BPCSP系統(tǒng)平臺(tái)

為提高PLC程序的可重用性、靈活性和易于擴(kuò)展維護(hù)性，國(guó)內(nèi)某科研院所基于西門(mén)子S7 系列PLC，采用SCL語(yǔ)言專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)了一種可以在多種工業(yè)過(guò)程中應(yīng)用的PLC系統(tǒng)程序控制平臺(tái)BPCSP。在該平臺(tái)下，可以不用修改和重新下載PLC程序就能修改控制系統(tǒng)的控制邏輯或者增減被控設(shè)備的數(shù)量。

2.3.1 原理和結(jié)構(gòu)

程序的基本單元是程序設(shè)計(jì)的對(duì)象，將數(shù)據(jù)和程序封裝在其中，以便提高程序軟件的靈活性、重用性、擴(kuò)展性。運(yùn)行過(guò)程中的基本實(shí)體是對(duì)象，其中邏輯實(shí)體是被封裝了數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)代碼的。含有16通道模擬量數(shù)據(jù)(AI/AO)和16通道數(shù)字量數(shù)據(jù)(DI/DO)及若干對(duì)象特性的UDA數(shù)據(jù)是被封裝在BPCSP系統(tǒng)平臺(tái)的對(duì)象。但一些計(jì)數(shù)器、定時(shí)器、累加器也被封裝的對(duì)象所包含，客戶(hù)可使用特定的軟件對(duì)數(shù)據(jù)的配置進(jìn)行操作，定義DI/DO、AI/AO數(shù)據(jù)的錄入與讀出輸入，AI/DI的來(lái)源地址和AO/DO的目的地址也可以被控制。PLC系統(tǒng)平臺(tái)面向?qū)ο蟮腂PCSP數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 BPCSP系統(tǒng)平臺(tái)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.3.2 平臺(tái)特點(diǎn)

BPCSP系統(tǒng)平臺(tái)在面向?qū)ο驪LC系統(tǒng)時(shí)不僅具有擴(kuò)展性、靈活性、重用性，還具有驅(qū)動(dòng)化的控制方式、表格設(shè)計(jì)式的控制邏輯等優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)調(diào)整過(guò)程的在線(xiàn)化控制、維護(hù)人員的工藝化控制。它是一個(gè)面向車(chē)間生產(chǎn)一線(xiàn)操作工人配置的全流程自動(dòng)化控制系統(tǒng)，可以隨生產(chǎn)工藝的變化而變化的控制系統(tǒng)，在有色金屬選冶方面具有很好的應(yīng)用前景。

3 生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)

完整的生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)功能主要包括企業(yè)基礎(chǔ)信息管理平臺(tái)、自動(dòng)化計(jì)量統(tǒng)計(jì)、質(zhì)量管理、生產(chǎn)設(shè)備管理、報(bào)表系統(tǒng)等。車(chē)間一線(xiàn)生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2。

3.1 企業(yè)基礎(chǔ)信息管理平臺(tái)

該平臺(tái)主要包含通用、基本與用戶(hù)模塊3個(gè)層次，可以整合企業(yè)數(shù)據(jù)與業(yè)務(wù)流程，定制和擴(kuò)展用戶(hù)功能，統(tǒng)一管理權(quán)限，并在平臺(tái)上進(jìn)行業(yè)務(wù)功能集成。管理人員與操作人員可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪(fǎng)問(wèn)該平臺(tái)，在權(quán)限范圍內(nèi)使用相應(yīng)功能和共享信息，利用平臺(tái)加快信息傳遞和處理速度，提高管理人員工作效率。

3.2 自動(dòng)化計(jì)量統(tǒng)計(jì)

該系統(tǒng)是對(duì)生產(chǎn)管理與控制系統(tǒng)的無(wú)縫集成，可自動(dòng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中的大量過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行定時(shí)處理，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)礦量、水、電和設(shè)備運(yùn)行時(shí)間、生產(chǎn)材料消耗等關(guān)鍵工藝參數(shù)，并通過(guò)Web在線(xiàn)形成報(bào)表。主要優(yōu)點(diǎn)是提高統(tǒng)計(jì)指標(biāo)完備性、及時(shí)性和準(zhǔn)確性，降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度。

3.3 質(zhì)量管理

該系統(tǒng)包括取樣管理、化驗(yàn)流程與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的管理，形成質(zhì)量統(tǒng)計(jì)與質(zhì)量分析報(bào)告，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量信息與生產(chǎn)過(guò)程信息的共享，使選廠(chǎng)各級(jí)管理人員及時(shí)跟蹤原礦、中礦、尾礦、精礦質(zhì)量。

3.4 生產(chǎn)設(shè)備管理平臺(tái)

該平臺(tái)可為選廠(chǎng)生產(chǎn)一線(xiàn)作業(yè)提供比較合理的設(shè)備運(yùn)行計(jì)劃、設(shè)備檢修計(jì)劃，由管理者選擇最佳維修方式。平臺(tái)包括儲(chǔ)存生產(chǎn)設(shè)備檔案、記錄備件材料及庫(kù)存和制定檢修計(jì)劃、監(jiān)測(cè)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等功能，實(shí)現(xiàn)巡檢有計(jì)劃、過(guò)程有監(jiān)督、事后有分析，提高設(shè)備完好率、運(yùn)轉(zhuǎn)率，降低故障率、維修費(fèi)用率等，保障選礦生產(chǎn)平穩(wěn)有序。

圖2 車(chē)間一線(xiàn)生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3.5 生產(chǎn)報(bào)表系統(tǒng)

該系統(tǒng)是基于B/S架構(gòu)的綜合生產(chǎn)報(bào)表管理系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制系統(tǒng)與生產(chǎn)管理監(jiān)控集成的數(shù)據(jù)管理，具備生產(chǎn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、人工補(bǔ)錄、數(shù)據(jù)匯總、按條件查詢(xún)、報(bào)表瀏覽以及打印功能。

生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)可以從上往下將企業(yè)生產(chǎn)目標(biāo)逐步分解為生產(chǎn)作業(yè)計(jì)劃，并監(jiān)督執(zhí)行；從下往上實(shí)時(shí)監(jiān)視生產(chǎn)車(chē)間運(yùn)行、生產(chǎn)指標(biāo)完成情況，及時(shí)將生產(chǎn)進(jìn)度及完成情況返回至公司管理層，為決策和調(diào)整提供及時(shí)、準(zhǔn)確的信息，提高選礦企業(yè)綜合經(jīng)濟(jì)效益。

4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

4.1 圖像采集

在確保系統(tǒng)功能和性能滿(mǎn)足要求的情況下，按照實(shí)用、經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單原則，對(duì)重要生產(chǎn)過(guò)程、關(guān)鍵設(shè)備和重點(diǎn)區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握全車(chē)間/廠(chǎng)區(qū)的生產(chǎn)過(guò)程；保證在室外夜間昏暗條件下也能清晰地監(jiān)控生產(chǎn)情況。

4.2 監(jiān)控平臺(tái)

該平臺(tái)的基礎(chǔ)是SOA系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，是集成了多種安全防護(hù)子系統(tǒng)的監(jiān)控應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通、集中管理、信息共享的良好局面；與第三方系統(tǒng)平臺(tái)相互集成更加方便，提供智能技術(shù)的支持，融入到全流程控制過(guò)程中，方便實(shí)時(shí)分析與智能檢索；Windows操作平臺(tái)可以根據(jù)服務(wù)器的需要靈活部署，方便設(shè)置客戶(hù)端桌面。

4.3 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

前端采集的圖像通過(guò)該結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)上傳輸。對(duì)于較遠(yuǎn)控制點(diǎn)，可采用光纜傳輸；對(duì)于車(chē)間內(nèi)部較近的圖像可以通過(guò)普通網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。中央控制室接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)監(jiān)控平臺(tái)軟件進(jìn)行管理并顯示，同時(shí)可通過(guò)控制鍵盤(pán)在觸控屏上預(yù)覽/播放前端采集的視頻，擴(kuò)大被監(jiān)控的圖像范圍，增強(qiáng)圖像的遠(yuǎn)程管理能力。網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)設(shè)備根據(jù)生產(chǎn)需要對(duì)采集的視頻圖像進(jìn)行保存，并配置相應(yīng)容量的磁盤(pán)，以便對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和重要事件進(jìn)行分析。視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成示意見(jiàn)圖3。

5 應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)

全流程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)的建立，可將選礦三公司選礦生產(chǎn)工藝與自動(dòng)化技術(shù)、信息化技術(shù)等有機(jī)融合在一起，在集中控制、優(yōu)化運(yùn)行、精細(xì)管理、精簡(jiǎn)組織等方面發(fā)揮顯著作用。

(1)集中控制。建立集中控制中心和調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)選礦三公司生產(chǎn)過(guò)程的全流程自動(dòng)化控制，提高工藝過(guò)程控制的協(xié)調(diào)性，保證選礦生產(chǎn)過(guò)程連續(xù)性、穩(wěn)定性。

(2)優(yōu)化運(yùn)行。采用先進(jìn)的自動(dòng)

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成示意

化技術(shù)建立全流程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)選礦核心工段生產(chǎn)過(guò)程的優(yōu)化控制與運(yùn)行，穩(wěn)定并提升磨浮作業(yè)的技術(shù)指標(biāo)，挖掘生產(chǎn)設(shè)備潛能，提升設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)率。

(3)精細(xì)管理。通過(guò)應(yīng)用全流程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)，建立生產(chǎn)操作管理、設(shè)備運(yùn)行監(jiān)控、故障診斷、能源消耗監(jiān)控、生產(chǎn)指標(biāo)監(jiān)視等系統(tǒng)，提升了工人操作水平，減少了設(shè)備停機(jī)故障，穩(wěn)定了產(chǎn)品質(zhì)量。

(4)精簡(jiǎn)組織。在全流程自動(dòng)化系統(tǒng)的支撐下，選礦三公司崗位設(shè)置更加合理，勞動(dòng)定員有所精簡(jiǎn)，實(shí)現(xiàn)了扁平化的企業(yè)人員結(jié)構(gòu)組織，提高了企業(yè)生產(chǎn)管理的協(xié)同性和勞動(dòng)生產(chǎn)率。

6 結(jié) 論

洛鉬集團(tuán)選礦三公司通過(guò)梳理選廠(chǎng)原自動(dòng)控制系統(tǒng)存在的碎片化、功能失效或缺失等問(wèn)題，建立一套全流程DCS自動(dòng)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用高度集成技術(shù)進(jìn)行高層次的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，整合原自動(dòng)控制系統(tǒng)，把選礦生產(chǎn)工藝與自動(dòng)化技術(shù)、信息化技術(shù)等有機(jī)融合為一體，具有先進(jìn)、適用、穩(wěn)定、可靠的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)的投入運(yùn)行可遠(yuǎn)程控制選廠(chǎng)整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程和工藝技術(shù)參數(shù)，達(dá)到減少生產(chǎn)成本、提高選礦技術(shù)指標(biāo)與產(chǎn)品質(zhì)量、改善工人作業(yè)環(huán)境、降低勞動(dòng)強(qiáng)度的目的，有利于企業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

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