云南普朗銅礦給排水自動(dòng)化改造工程探索

韓詠梅 楊超 王實(shí)金

1.昆明維恒升自控技術(shù)有限公司 云南 昆明 650105；

2.云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司 云南 香格里拉 674400

引言

云南迪慶有色金屬有限責(zé)任公司普朗銅礦，位于云南省西北部迪慶藏族自治州香格里拉縣北東部，臨近三江并流世界遺產(chǎn)保護(hù)區(qū)，平均海拔3600m，環(huán)境溫度-20℃至30℃，多雷雨地域，屬高寒礦區(qū)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境惡劣。

普朗銅礦生活水來(lái)自孫諾永河，建有生活水取水壩、取水廊道和沉砂池。受季節(jié)變化的影響，雨季水質(zhì)較差，水源上游有牧場(chǎng)，森林枯枝敗葉、動(dòng)物糞便等受雨水沖刷流進(jìn)孫諾永河，全礦飲用水安全存在安全隱患。給排水系統(tǒng)較為分散，給水凈化站遠(yuǎn)離礦區(qū)，每班需2人值班，回水處理及加壓泵房、鍋爐房均需現(xiàn)場(chǎng)值班，生活污水處理站能夠就地自動(dòng)運(yùn)行，因不能遠(yuǎn)程監(jiān)控需要值班人員。

為了減少人員配置，改善水質(zhì)和作業(yè)環(huán)境，降低飲用水安全風(fēng)險(xiǎn)，需進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)及給排水自動(dòng)化改造，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程在線監(jiān)控，提高普朗銅礦給排水自動(dòng)化水平。

1 自動(dòng)化改造內(nèi)容和目標(biāo)

通過(guò)對(duì)原水取樣送檢，分析超標(biāo)項(xiàng)，針對(duì)超標(biāo)項(xiàng)采取措施。實(shí)現(xiàn)濁度、pH值、余氯在線監(jiān)測(cè)，自動(dòng)及時(shí)調(diào)整給藥量、進(jìn)水量，使生活水水質(zhì)達(dá)到國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)。給水凈化站、回水處理及加壓泵房、鍋爐房、污水處理站實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，自動(dòng)運(yùn)行。

PLC柜內(nèi)集成完成相應(yīng)范圍內(nèi)設(shè)備運(yùn)行反饋、遠(yuǎn)程/自動(dòng)啟停、液位控制、閥門(mén)開(kāi)度調(diào)節(jié)、水質(zhì)處理及檢測(cè)、給藥裝置調(diào)控、流量計(jì)量、壓力、溫度監(jiān)視，調(diào)度中心DCS遠(yuǎn)程監(jiān)控，設(shè)備滿足海拔3600m，環(huán)境溫度-20℃至30℃、多雷雨地域穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。

取消現(xiàn)場(chǎng)值班人員，轉(zhuǎn)變工作方式，只配置點(diǎn)巡、巡檢人員，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度中心遠(yuǎn)程集中監(jiān)控。

減少用水總量，污水不外排，再生水全部回用。

2 項(xiàng)目難點(diǎn)及解決方案

2.1 給排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

全礦現(xiàn)有霍尼韋爾DCS系統(tǒng)、礦山在線監(jiān)測(cè)六大系統(tǒng)、井下電機(jī)車(chē)無(wú)人駕駛運(yùn)輸系統(tǒng)、消防系統(tǒng)，都已集成至調(diào)度中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)視與控制；生活給排水水處理工藝流程未實(shí)現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)，四個(gè)作業(yè)點(diǎn)未將數(shù)據(jù)集成到調(diào)度中心，不能自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.1.1 給水凈化站生活用水無(wú)在線監(jiān)測(cè)，處理工藝自動(dòng)化水平較低，給藥量控制依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，給藥設(shè)備簡(jiǎn)陋，故障較多，次氯酸鈉發(fā)生器不能正常運(yùn)行。

2.1.2 給水凈化站、回水處理及加壓泵房建有DCS站，只能通過(guò)觸摸屏對(duì)水池液位、流量、水泵出口壓力進(jìn)行監(jiān)視，不能對(duì)水泵、電動(dòng)閥門(mén)、攪拌器等設(shè)備進(jìn)行控制。

2.1.3 供暖鍋爐房鍋爐系統(tǒng)配有PLC控制柜,就近有銅鉬車(chē)間DCS站，只能就地運(yùn)行。

2.1.4 生活污水處理站配有設(shè)備自帶PLC控制柜，只能就地運(yùn)行。

2.2 難點(diǎn)分析

2.2.1 項(xiàng)目地點(diǎn)在高海拔地區(qū)，冬季寒冷，施工難度大。

2.2.2 邊生產(chǎn)邊改造，需與生產(chǎn)管理部門(mén)溝通分工段停機(jī)改造，對(duì)施工時(shí)間需掌控[1]。

2.2.3 牽涉設(shè)備品牌多樣，對(duì)原有設(shè)備的工作原理需充分熟悉；電控柜內(nèi)線路修改各不相同，線路的修改、標(biāo)記要準(zhǔn)確清晰，是改造難點(diǎn)。

2.2.4 自控程序需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工藝、設(shè)備、操控需求編制，對(duì)工藝原理、控制方式，需理解到位。

2.2.5 鍋爐房自控系統(tǒng)，雖已收到鍋爐設(shè)備廠家提供的資料，鍋爐自帶臺(tái)達(dá)PLC控制器程序地址表等相關(guān)信息，但與新增PLC5、調(diào)度中心DCS系統(tǒng)連接通訊仍然是難點(diǎn)；3臺(tái)鍋爐是電加熱型（2.1MW/臺(tái)），且為壓力容器，自控調(diào)試有一定風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.6 加氯設(shè)備換一套新設(shè)備，需修改原有加氯系統(tǒng)程序；原程序加密、破解是個(gè)難點(diǎn)。

2.2.7 改造新增6套PLC與調(diào)度中心DCS通訊連接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，是本次改造的重點(diǎn)難點(diǎn)。

2.3 解決方案

針對(duì)以上難點(diǎn)和重點(diǎn)，在施工組織管理和自控技術(shù)二個(gè)方面做好準(zhǔn)備，積極應(yīng)對(duì)。

2.3.1 做好設(shè)備保暖、防雨雪，注意臨時(shí)儲(chǔ)存地點(diǎn)，選擇好設(shè)備安裝位置，盡量在室內(nèi)利于保暖。

2.3.2 室外施工，盡量在冬季前完成。

2.3.3 收集全所需的圖紙資料，提前消化其內(nèi)容，現(xiàn)場(chǎng)涉及改造的設(shè)備情況全面掌握，重點(diǎn)難點(diǎn)部分，細(xì)化分解問(wèn)題，向業(yè)內(nèi)專(zhuān)家咨詢，提前準(zhǔn)備多種處置方案[2]。

2.3.4 修改電控柜線路前，進(jìn)行小組討論；重要配電柜內(nèi)改線，需請(qǐng)電氣技術(shù)員參與討論，確定方案，避免錯(cuò)誤。

2.3.5 自控技術(shù)人員編制程序前，與生產(chǎn)管理和操控人員溝通到位，實(shí)現(xiàn)所需要的控制功能。

2.3.6 自控系統(tǒng)接線，注意不要影響到原作業(yè)點(diǎn)DCS系統(tǒng)，儀表檢測(cè)信號(hào)，采用信號(hào)分配器分別傳輸。

2.3.7 重要設(shè)備試車(chē)前（特別是鍋爐，大型水泵，大型攪拌機(jī)），需與生產(chǎn)管理人員、設(shè)備電氣維修技術(shù)員一起討論試車(chē)方案，審核通過(guò)后，才能進(jìn)行試車(chē)。

2.3.8 針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況，明確劃分PLC控制站的控制范圍。

新建生活水壩控制站PLC1，監(jiān)控生活水壩區(qū)域內(nèi)設(shè)備。

新建生產(chǎn)水壩控制站PLC2，監(jiān)控生產(chǎn)水壩區(qū)域內(nèi)設(shè)備。

新建凈水站控制站PLC3，監(jiān)控凈水站區(qū)域內(nèi)設(shè)備，含生活生產(chǎn)高位水池、尾礦回水及沖洗系統(tǒng)、井下回水系統(tǒng)、三組PAC加藥系統(tǒng)、高壓送水系統(tǒng)、選礦采礦高位水池、生產(chǎn)生活供水系統(tǒng)、生活回水沉淀系統(tǒng)、消防供水系統(tǒng)。

改造次氯酸鈉控制站PLC3-1，監(jiān)控二套次氯酸鈉制備投加系統(tǒng)設(shè)備，新次氯酸鈉設(shè)備自帶STC控制器接入PLC3-1。

新建回水處理及回水加壓泵房PLC4，監(jiān)控回水處理區(qū)域內(nèi)設(shè)備，含選礦廠銅鉬廠回用水、雨水回水、采礦回水、廢水回水、生產(chǎn)回水沉淀系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)。

新建鍋爐房控制站PLC5，監(jiān)控鍋爐及鍋爐房?jī)?nèi)軟水處理系統(tǒng)設(shè)備，原3臺(tái)鍋爐自帶PLC5-1，2，3接入PLC5。

新建污水處理控制站PLC6，監(jiān)控雨水污水提升泵站、污水處理系統(tǒng)、再生回用水系統(tǒng)設(shè)備，原污水處理設(shè)備自帶PLC7接入PLC6。

2.3.9 構(gòu)建清晰的自控網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，先各分區(qū)內(nèi)自控施工，后連接完成系統(tǒng)搭建。

3 自動(dòng)化改造主要問(wèn)題的解決

3.1 光纖傳導(dǎo)的光衰問(wèn)題處置

自控系統(tǒng)調(diào)試時(shí)，污水處理PLC6控制站的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，通訊經(jīng)常中斷。

從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析，逐段檢查相關(guān)的光纖網(wǎng)絡(luò)回路，發(fā)現(xiàn)從磨浮車(chē)間DCS站到污水處理PLC6控制站，傳導(dǎo)光纖的光衰比較嚴(yán)重。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)，確定解決方案：

3.1.1 光纖終端盒之間添加光電收發(fā)器，增加光能的傳輸強(qiáng)度；

3.1.2 重做本區(qū)域內(nèi)的尾纖接頭，采用裝置固定尾纖接頭，安裝時(shí)對(duì)正對(duì)中。

光衰問(wèn)題得到解決，污水處理PLC6控制站與磨浮車(chē)間DCS站通訊正常。

3.2 PAC投加計(jì)量控制

PAC（聚合氯化鋁），是水處理絮凝劑，絮凝劑對(duì)水中雜質(zhì)進(jìn)行凝結(jié)通過(guò)沉淀或者過(guò)濾進(jìn)行去除。水處理PAC藥劑準(zhǔn)確投加量，是水處理的一個(gè)難點(diǎn)。根據(jù)礦區(qū)原水、凈水站出水的水質(zhì)分析，結(jié)合藥劑配置濃度、產(chǎn)水量，經(jīng)過(guò)反復(fù)摸索試驗(yàn)，在PLC控制器中設(shè)置投加計(jì)量泵的控制程序，實(shí)現(xiàn)藥劑準(zhǔn)確投加。

3.2.1 PAC藥液投加參數(shù)設(shè)置。

表1 生活水PAC藥液投加參數(shù)表

3.2.2 投加計(jì)量泵的控制運(yùn)行。現(xiàn)場(chǎng)柜面上計(jì)量泵設(shè)置手/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，在現(xiàn)場(chǎng)可手動(dòng)控制調(diào)節(jié)計(jì)量泵運(yùn)行；在PLC柜觸摸屏/中心調(diào)度計(jì)算機(jī)上，可遠(yuǎn)程手動(dòng)/自動(dòng)運(yùn)行計(jì)量泵。

遠(yuǎn)程控制：操作人員在調(diào)度中心計(jì)算機(jī)上點(diǎn)擊需要操作的PAC計(jì)量泵。查看PAC的計(jì)量泵狀態(tài)正常后點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕則PAC啟動(dòng)，根據(jù)進(jìn)水濁度及流量更改變頻器的投加量的大小。

全自動(dòng)運(yùn)行：操作人員在調(diào)度中心計(jì)算機(jī)上，把PAC計(jì)量泵控制模式設(shè)置在自動(dòng)位置，PAC計(jì)量泵則根據(jù)出水濁度和進(jìn)水流量的大小來(lái)自動(dòng)啟停和自動(dòng)調(diào)整投加量的大小，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制[3]。

3.3 次氯酸鈉發(fā)生器與PLC通訊

凈水站加氯消毒間，采用了德國(guó)杰西科次氯酸鈉發(fā)生器，生產(chǎn)的次氯酸鈉溶液，作為消毒劑，滅殺出廠水中對(duì)人體有害微生物。

設(shè)備自帶STC控制器，需與原次氯酸鈉設(shè)備自帶PLC3-1西門(mén)子S7-200通訊，數(shù)據(jù)再上傳DCS系統(tǒng)。STC控制器與PLC的通訊，一直處于連通故障狀態(tài)。

研究STC資料手冊(cè)和圖紙，發(fā)現(xiàn)MB01電路板的接線端子59號(hào)是通信接口，本接口沒(méi)有連線到STC的外接線端子，導(dǎo)致通信故障。補(bǔ)充連接端口接線后，STC與西門(mén)子PLC實(shí)現(xiàn)正常通訊。

3.4 西門(mén)子PLC與DCS系統(tǒng)通訊

改造新增的PLC控制站，需要與DCS系統(tǒng)通訊，實(shí)現(xiàn)給排水自控系統(tǒng)融入礦區(qū)的總調(diào)度控制系統(tǒng)。在做全系統(tǒng)綜合調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩個(gè)系統(tǒng)的通訊不穩(wěn)定，霍尼韋爾DCS系統(tǒng)，使用Modbus-TCP讀取西門(mén)子PLC開(kāi)關(guān)量和模擬量，讀取時(shí)間有約50s延遲。

經(jīng)過(guò)分析發(fā)現(xiàn)故障原因，PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通訊，采用PLC軟件通信對(duì)DCS服務(wù)器一對(duì)一通訊，對(duì)通信點(diǎn)位數(shù)量，通訊周期，都有一定要求，超過(guò)限量，導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸緩慢，通訊故障。

改變通訊連接方案，增加ModbusTCP轉(zhuǎn)Profinet智能網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)主動(dòng)采集PLC數(shù)據(jù)并緩存到網(wǎng)關(guān)內(nèi)部，減少讀寫(xiě)指令，減少數(shù)據(jù)采集過(guò)程中來(lái)回交互的次數(shù)，DCS服務(wù)器通過(guò) Modbus TCP 直接從網(wǎng)關(guān)取數(shù)據(jù)，減少DCS服務(wù)器與PLC的交互次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)的采集速度、實(shí)時(shí)性、可靠性以及穩(wěn)定性，PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)通訊正常。

4 結(jié)束語(yǔ)

經(jīng)過(guò)1年的時(shí)間，改造工程順利完成。礦區(qū)飲用水水質(zhì)檢測(cè)合格達(dá)標(biāo)，生活污水零排放，全部回收利用，改善了水質(zhì)和作業(yè)環(huán)境，消除了安全隱患。給排水系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化運(yùn)行，自控系統(tǒng)全面融入礦區(qū)調(diào)度中心的DCS系統(tǒng)，在調(diào)度中心可實(shí)現(xiàn)給排水系統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。礦區(qū)四個(gè)固定作業(yè)點(diǎn)給水凈化站、回水處理及加壓泵房、供暖鍋爐房、生活污水處理站實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守，實(shí)現(xiàn)了減員增效、水資源綜合利用、礦區(qū)安全環(huán)保的總體目標(biāo)。