焙烧磨矿DCS 系统控制架构与数据通信研究-sup-①-_sup-_刘洋.pdf

焙烧磨矿 ＤＣＳ 系统控制架构与数据通信研究 ① 刘 洋１， 顾贵鸿２， 卢 强１， 邬青秀１， 李 然１， 曾尚林１， 符嘉浚３ （１．长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南 长沙 ４１００１２； ２．湖南长远锂科股份有限公司，湖南 长沙 ４１０２０５； ３．天津中德应用技术大学 软件与通信学院， 天津 ３００３５０） 摘 要 为实现某冶炼厂稀贵金属综合回收技术改造项目全流程优化控制，结合工艺流程和生产过程，进行 ＤＣＳ 管控一体化系统 配置，组态三层级系统控制架构，实现全流程精准执行、现场控制与过程监控，并对焙烧磨矿车间关键设备焙烧炉和雷蒙磨机等进 行数据通信监控。 生产实际表明该系统运行稳定，提高了整体生产技术水平，体现了生产工艺技术与过程控制系统的深度融合。 关键词 集散控制系统； 智能控制； 数据通信； 流程监控 中图分类号 ＴＦ３５５文献标识码 Ａｄｏｉ１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．０２５３-６０９９．２０２０．０５．０１９ 文章编号 ０２５３-６０９９（２０２０）０５-００７４-０４ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｒｏａｓｔｉｎｇ-Ｇｒｉｎｄｉｎｇ ＤＣＳ Ｓｙｓｔｅｍ ＬＩＵ Ｙａｎｇ１， ＧＵ Ｇｕｉ⁃ｈｏｎｇ２， ＬＵ Ｑｉａｎｇ１， ＷＵ Ｑｉｎｇ⁃ｘｉｕ１， ＬＩ Ｒａｎ１， ＺＥＮＧ Ｓｈａｎｇ⁃ｌｉｎ１， ＦＵ Ｊｉａ⁃ｊｕｎ３ （１．Ｃｈａｎｇｓｈａ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍｅｔａｌｌｕｒｇｙ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１００１２， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ２． Ｈｕｎａｎ Ｃｈａｎｇｙｕａｎ Ｌｉｃｏ Ｃｏ Ｌｔｄ， Ｃｈａｎｇｓｈａ ４１０２０５， Ｈｕｎａｎ， Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｎｄ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ， Ｔｉａｎｊｉｎ Ｓｉｎｏ⁃ Ｇｅｒｍａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３５０， Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｆ ｃｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅ ｒｅｃｏｖｅｒｙ ｏｆ ｒａｒｅ ａｎｄ ｐｒｅｃｉｏｕｓ ｍｅｔａｌｓ ｉｎ ａ ｓｍｅｌｔｅｒ′ｓ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｊｅｃｔ， ｓｅｖｅｒａｌ ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ｍａｄｅ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ （ＤＣＳ）， ａｎｄ ｔｈｅ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｍｅｎｔ ｏｆ ａ ｔｈｒｅｅ⁃ｌｅｖｅｌ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ， ｓｏ ａｓ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ａｃｃｕｒａｔｅ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｏｎ⁃ｓｉｔｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ａｍｏｎｇ ｔｈｅ ｋｅｙ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ ｏｆ ｒｏａｓｔｅｒ ａｎｄ Ｒａｙｍｏｎｄ ｍｉｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｒｏａｓｔｉｎｇ ａｎｄ ｇｒｉｎｄｉｎｇ ｗｏｒｋｓｈｏｐ． Ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｂｌｙ， ｉｎｄｉｃａｔｉｎｇ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ｈａｓ ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｅ ｓｕｃｃｅｓｓｆｕｌ ｄｅｅｐ ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ ｏｆ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ （ＤＣＳ）； ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ； ｄａｔａ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ； ｐｒｏｃｅｓｓ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ 随着现代工业快速发展，综合管控能力增强和标 准化提高，对生产自动控制水平提出更高要求［１］。 近 年来稀贵金属市场较为低迷，很多冶炼厂通过技术改 造项目提高综合回收效益。 某冶炼厂新上项目 稀 贵金属综合回收技改工程，生产全流程长，设备较为分 散，指标控制要求高。 集散 控 制 系 统 （ Ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｓｙｓｔｅｍ，简称 ＤＣＳ 系统）是以微处理器为基础， 采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综 合协调设计原则的新一代仪表控制系统，具有组态灵 活多样、危险性分散和管控集中等优点［２］，在提高控 制回路质量、安全稳定运行和加强生产管控方面显示 了其优越性能，且能自我改善系统内部的软件工作环 境。 本文将 ＤＣＳ 系统应用于该冶炼厂的过程监控和 生产管控，以期为企业提供稳定可靠的工业数据以指 导生产［３］。 １ 系统工艺流程 该系统自动控制流程分为焙烧磨矿、富氧浸出和 萃取精炼 ３ 大部分，其中焙烧磨矿和富氧浸出共用一 套 ＤＣＳ 控制系统。 相比传统的 ＰＬＣ 控制系统，采用 ＤＣＳ 具有编程工作量小、软硬件组态和维护方便、工程 建设简单等优点，控制功能与信息通信稳定，硬件平台 和软件平台形成一体化设计，控制系统画面具有友好 性，迎合各类冶炼厂对控制系统的需求。 ①收稿日期 ２０２０-０４-０１ 基金项目 国家青年科学基金（５１６００４１２９３） 作者简介 刘 洋（１９８３-），男，湖南岳阳人，高级工程师，博士研究生，主要研究方向为选冶过程控制与优化。 第 ４０ 卷第 ５ 期 ２０２０ 年 １０ 月 矿矿 冶冶 工工 程程 ＭＩＮＩＮＧ ＡＮＤ ＭＥＴＡＬＬＵＲＧＩＣＡＬ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ Ｖｏｌ．４０ №５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２０２０ 焙烧磨矿工艺流程主要为料仓→滑架卸料器给 料→回转焙烧→磨矿（雷蒙磨）→粉末收尘→星型卸 料→气力输送→单螺旋计量→料浆搅拌。 ２ ＤＣＳ 系统架构及配置 ＤＣＳ 控制系统架构主要由工程师 ＥＳ 站（编程调 试）、操作员 ＯＳ 站（操作）、服务器、现场控制 Ｃｌｔ 站 （客户端）及通信网络 ５ 个部分构成，可将焙烧磨矿车 间过程优化、现场控制、故障诊断等功能集成在网络环 境下，构建了综合信息平台，实现工艺过程的管控一体 化处理［４］。 实现控制系统的 ３ 个纵向功能层由监控层、控制 层和执行层构成，该 ３ 层结构以工厂网和终端网为 ２ 层横向网络架构和以实时／ 历史数据库和关系数据库 为中心。 系统网络构架示意图见图 １。 图 １ 系统网络架构示意 对于焙烧磨矿、富氧浸出监控层为数据处理控制 中心，设有工程师站和单站各 １ 台、操作站和服务器 （具有冗余服务器）各 ２ 台，其中监控层对整个富氧浸 出车间进行监测遥控。 １） 人机接口站。 本系统设有操作员站 ２ 套、单站 和工程师站各 １ 套，通过以太网工业交换机进行联接。 ２） ＤＣＳ 处理单元。 整个焙烧磨矿、富氧浸出 ＤＣＳ 控制系统含控制器 ＡＳ４１０ ｓｍａｒｔ 冗余配置共 １ 对、双面 ＩＯ 控制机柜 ４ 个，采用 ＤＰ 通信连接柜内双面及柜体 之间，柜内共计 ＥＴ２００Ｍ 型 Ｉ／ Ｏ 扩展模块 １０ 块、ＡＩ 模 拟量输入卡件 １６ 块（８ 通道）、ＡＯ 模拟量输出卡件 ３ 块（８ 通道）、ＤＩ 数字量输入卡件 １８ 块（３２ 通道） 和 ＤＯ 数字量输出卡件 ３０ 块（８ 通道）。 其中焙烧磨矿控制柜如图 ２ 所示，具有 ＤＩ 卡件 ２ 块、ＤＯ 卡件 ２ 块和 ＡＩ 卡件 ２ 块。 图 ２ 焙烧磨矿控制卡件 ３） 其他外围设备。 包含智能交换机 ４ 套、终端盒 ４ 个和 ＵＰＳ 电源 １ 台。 整个焙烧磨矿车间由 ＤＣＳ 系统进行自动控制，其 主要任务为对该车间生产过程控制状态进行在线监 视；监控设备运行参数；综合液位、流量等多种生产资 料，可绘制多组趋势曲线用于查询和监测数据变化；记 录所有生产设备状态、故障及操作。 ３ 焙烧及磨矿 ＤＣＳ 系统功能与控制层级 焙烧磨矿车间主要由料仓、螺旋给料机、滑架卸料 器、焙烧炉、双螺旋破碎机、刮板机、雷蒙磨、罗茨风机、 螺旋气力输送泵、旋风收尘器、布袋收尘器、星型卸灰 阀、单管螺旋计量秤、料浆搅拌槽等组成，如图 ３ 所示。 ３．１ 现场控制层 焙烧磨矿现场控制层是整个焙烧磨矿、富氧浸出 控制系统中现场控制分站，由 ２ 套具有双机热备、性能 稳定可靠的 ＡＳ４１０ Ｓｍａｒｔ 处理器、各类模拟量检测仪 表以及控制设备组成。 系统在该层实现了对提升机、皮带、料仓、螺旋给 料机、滑架卸料器、焙烧炉、雷蒙磨、罗茨风机、粉末收 尘、单管螺旋计量称及料浆搅拌槽等主要生产设备过 程参数及低压柜等电气设备的控制和保护。 根据工艺 控制的要求，对料仓料位、给料频率、雷蒙磨电流、中间 仓料位、料浆搅拌槽液位及气体报警器等参数同时进 行了监测和控制。 ３．２ 过程监控层 过程监控层是数据交换与显示的控制平台，由组 网在工业以太网上的工程师站、单站、操作站以及服务 器等 ５ 台工控计算机及液晶显示屏幕等设备构成，其 中服务器主要工作为管理网络上的系统数据。 ５７第 ５ 期刘 洋等 焙烧磨矿 ＤＣＳ 系统控制架构与数据通信研究 图 ３ 焙烧磨矿控制系统示意 过程监控层通过 ｗｉｎｃｃ 组态工具和软件实现焙烧 磨矿车间所有仪表数据的集中监视和计算显示、现场 各流程的控制组态、趋势曲线多样化显示、在线和归档 数据处理以及实时控制指令等功能［５］。 ４ ＤＣＳ 系统的信息数据通信 ４．１ 焙烧炉信息通信 焙烧炉是焙烧磨矿系统中较为关键的设备，其主 要功能是对矿粉进行烘干焙烧，炉腔温度在 ６００ ℃左 右，主控室需监控其运行状态，将其运行信号及温度频 率等数据传送至 ＤＣＳ 系统［６］，免去人工现场查看运行 数据。 对焙烧炉的监测主要为采集其运行数据，包括进 料螺旋机频率、炉内和炉腔温度、筒体转速、出风和出 料温度以及其他辅助设备运行和故障信号，如图 ４ 所示。 图 ４ 焙烧炉监测画面示意 由于烘干炉自带 ＰＬＣ３１４Ｃ-２，为实现与 ＤＣＳ 通 信，需加配 ＣＰ３４２-５ＤＰ 通信硬件模块，并设置为 ＤＰ 从站。 ＤＣＳ 系统中则添加 ＣＰ３４２-５ 软件模块，在 ＤＰ 总 线上添加 ＣＰ３４２-５ ＤＡ０３，保持硬件模块标识一致。 从烘干炉共计传送 ６４ 个数字量和 １６ 个模拟量 信号，占用 ７２ 个字节，即 ３６ 个字，为保持传送数据一 致性，ＤＣＳ 系统中 ＣＰ３４２-５ 下插入 ＤＰ ＩＤ 共计 ３２＋４ 个字。 为更加方便管理传送数据，新建 ＦＣ４００ 功能块， 调用 ＳＦＣ２０（ＢＬＫＭＯＶ）对 ＰＤ ＩＤ 地址进行打包传送至 ＤＢ 数据块处理，如图 ５ 所示。 采用 ＳＦＣ２０ 方式大大减少了工程师编程工作量， 保持数据同源性，避免数据映射错误。 ６７矿 冶 工 程第 ４０ 卷 图 ５ ＦＣ４００ 功能块程序 ４．２ 雷蒙磨变频通信 雷蒙磨及其辅助设备也是整个焙烧磨矿系统中较 为关键的设备，由雷蒙主机、主风机、分析机和收尘装 置等组成，需在 ＤＣＳ 系统中对雷蒙磨的变频频率和电 流进行监控。 雷蒙磨自带 ＰＬＣ２００，采用 ＥＭ２７７ 通信获取雷蒙 磨运行数据信息，变频器频率监控来源有两处 变 频器和磨机 ＰＬＣ，对两者可兼用不同方式进行变频调 速处理，本系统采用 ＤＰ 总线通信方式，将变频器和 ＰＬＣ２００ 都并入中继 ＲＥＰＥＡＴ，且分别拨码地址。 在硬件组态中，添加安装丹佛斯 ＥＭ２７７ 的 ＧＳＤ 文件并调用，设置与变频器对应地址，如图 ６ 所示。 图 ６ ＥＭ２７７、丹佛斯 ＧＳＤ 安装调用 在 ＣＦＣ 编程中，为方便调试读取数据结果、核对 结果准确性，可使用 ＳＥＬ_Ｒ 程序块作选择处理，经调 试知，直接从变频器 ＤＰ 通信读取频率数据准确，而通 过 ＰＬＣ 的 ＥＭ２７７ 扩展模块读取频率相差 １０ Ｈｚ，可能 ＤＰ 总线存在干扰，最终选择直接读取变频器频率。 ５ 系统应用效果 ＤＣＳ 系统自 ２０１６ 年 １２ 月在某冶炼厂全面运行以 来，运行稳定，现场人员减少三分之二以上，基本实现了 远程控制和集中控制，保障了作业人员安全，人力成本 直接和间接降低，且标准化与程序化管控生产过程使得 生产指标一致性与整线产能得到提高，经济效益显著。 ６ 结 论 通过对某冶炼厂稀贵金属综合回收技术改造项目 焙烧磨矿生产流程构建 ＤＣＳ 系统，有效地解决了生产 过程控制与成套设备信息通信的全流程集中管控难 点；同时通过分布式集中控制系统替代人工作业，提高 了生产系统高效性、稳定性和安全性。 本项目实现了 生产工艺流程与先进过程控制的典型应用，为其下一 步建设智能冶炼工厂奠定了自动化基础条件。 参考文献 ［１］ 许光泞，陈国初，文欣秀，等． ＤＣＳ 在污水处理厂中的应用［Ｊ］． 上 海电机学院学报， ２０１０（２）１２０-１２１． ［２］ 张 斌． ＤＣＳ 系统在氧化铝焙烧过程控制中的应用［Ｊ］． 中国有 色冶金， ２００２，３１（６）１６２-１６３． ［３］ 和智聪，芮鹤松，李 红，等． 集散控制系统在云南金鼎锌业硫化 矿选矿厂的应用［Ｊ］． 矿冶工程， ２０１７，３７（６）６３-６５． ［４］ 刘文深． ＤＣＳ 系统过程控制功能的设计与实现［Ｊ］． 现代工业经 济和信息化， ２０１７，７（１３）４２-４３． ［５］ 王 体． ＤＣＳ 系统设计及先进控制应用研究［Ｊ］． 化工设计通讯， ２０１６，４２（８）５１． ［６］ 吴胜华，田海波，杨春瑜，等． ＤＣＳ 系统过程控制器冗余实现方法 浅析［Ｊ］． 自动化技术与应用， ２０１５，３４（１０）９９-１００． 引用本文 刘 洋，顾贵鸿，卢 强，等． 焙烧磨矿 ＤＣＳ 系统控制架构与 数据通信研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（５）７４-７７． （上接第 ７３ 页） ［７］ 余 洪，高王杰，蔡 祥，等． 鲕状赤铁矿提铁降钾钠试验研究［Ｊ］． 矿 冶工程， ２０１９，３９（５）５６-５９． ［８］ 贺永飞，王一雍，万兴元． 淀粉水热法分离高铁铝土矿中铝铁矿物 的研究［Ｊ］． 有色金属（冶炼部分）， ２０１８（２）３４-３８． ［９］ 张小云，田学达． 纤维素还原低含量软锰矿制备硫酸锰［Ｊ］． 精细 化工， ２００６，２３（２）１９５-１９７． ［１０］ Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ Ｕ， Ｋａｗａｔｒａ Ｓ Ｋ， Ｅｉｓｅｌｅ Ｔ Ｃ． Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｐｉｇ ｉｒｏｎ ｂｙ ｕｔｉｌｉｚｉｎｇ ｂｉｏｍａｓｓ ａｓ ａ ｒｅｄｕｃｉｎｇ ａｇｅｎｔ［Ｊ］． Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｎ⁃ ｅｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ， ２０１３，１１９５１-５７． 引用本文 王和明，王一雍，贺永飞，等． 稻杆高压水热法还原氧化铁的 过程研究［Ｊ］． 矿冶工程， ２０２０，４０（５）７１-７３． ７７第 ５ 期刘 洋等 焙烧磨矿 ＤＣＳ 系统控制架构与数据通信研究