城门山铜矿选矿过程DCS系统设计与应用.pdf

d o i 1 0 ．3 9 6 9 q ．i s s n ．2 0 9 5 1 7 4 4 ．2 0 1 2 ．0 5 ．0 1 0 城门山铜矿选矿过程D C S 系统设计与应用 舀郭振宇1 赵浩1 刘继明1 苏超2 1 ．北京矿冶研究总院矿冶过程自动控制技术北京市重点实验室，北京1 0 0 1 6 0 ； 2 ．江西铜业股份有限公司城门山铜矿，江西九江3 3 2 1 0 0 摘要介绍城门山铜矿二期扩建选矿自动化控制D C S 系统的功能设计、网络结构、硬件和软件 配置、人机界面应用与维护。阐述系统集成技术要点和过程控制回路应用的控制策略。实践证明， 采用的自动化控制系统，在生产过程集中监控方面取得了较好的效果，系统运行稳定、操作方便， 实现了优化选矿流程，降低劳动强度，提高生产管理效率的目的。 关键词选矿自动化；D C S ；设计；应用 中图分类号T D 9 2 8 ．9文献标识码A 文章编号2 0 9 5 1 7 4 4 2 0 1 2 0 5 ．0 0 4 9 0 4 江西铜业股份有限公司于2 0 0 9 年投资进行城门山 铜矿二期扩建工程，这一扩建项目已于2 0 1 0 年完成， 目前城门山铜矿二期扩建选矿系统的处理量为50 0 0t ／d 。 随着选矿厂规模的扩大，处理量的增加，必须减少劳动 强度、提高工作及生产管理效率。为此，需要利用自动 化手段实现对工艺参数和设备运行状态的在线监控和操 作，这就对选矿自动化系统提出了新的要求[ 1 - 2 ] 。 结合城门山铜矿二期扩建选矿系统对自动化的需 求，设计并实现一整套完整的D C S 系统。 1D C S 功能设计 城门山铜矿二期扩建选矿工艺主要涉及磨矿、浮选、 浓缩、脱水等流程。针对选矿工艺特点及生产管理需要， 设计D C S 的功能1 各工序的关键工艺过程参数的在 线检测与稳定控制；2 生产设备 给料皮带、半自磨机、 渣浆泵等设备 的状态监测、连锁启停及故障连锁保护 控制；3 D C S 网络搭建；4 半自磨机、球磨机及卧式压 滤机等第三方设备的系统集成，并实现磨机及渣浆泵等 大功率设备的远程启停及连锁保护；5 实时、历史数据 库的建立；6 工控网络系统与办公自动化系统连接，实 时数据可上传至厂区局域网。 2 网络结构 r 要实现D C S 的功能，搭建的D C S 网络结构分为三 层，如图1 所示。 第一层为执行层。该层面向现场设备，主要功能是 采集现场数据和执行控制器命令。通过设置分布式1 0 站、网关将所有仪表、设备的过程数据和状态数据读入 到控制系统中，并将控制器的控制命令传至执行器。I o 站、网关通过总线通讯方式将数据采集到中央控制站， I O 站、网关的节点分配遵循总线原则。 第二层为通讯层。该层用来连接第一层与第三层， 主要功能是实现对执行层仪表、设备的控制及上、下位 机的通讯。现场数据由1 0 站、网关集成至中央控制站， 中央控制站实时进行逻辑、回路运算，再将运算结果送 回I o 站、网关，驱动执行器，从而实现功能。通讯功 能通过设置数据采集服务器完成，并通过上位机软件平 台增设通讯驱动程序实现上、下位机数据的实时交互。 收稿日期2 0 1 2 0 3 3 l 作者简介郭振宇 1 9 8 4 一 ，男，辽宁铁岭市人，硕士，工程师 主要从事自动化工程等方面的研究。 有色金属工程2 0 1 2 年第5 期4 9万方数据 | 疆石丽 N O N F E R R O U SM E T A L SE N G I N E E R I N G t * _ - 女_ ；”‰i ；；嚣z 一苎㈣M 4 H “ 国涎 媳 二一j ． k M 一锱嚣呱1 ] ] 滕嚣 ⋯，腔■摹魄。P o r 一 ⋯。w ．| 】m ∞■■ 4 蛩警誊’电鼍； 。t ≯““。““ “““妯础1 ““ 图1D C S 网络结构 第三层为管理层。该层是D C S 网络的最高层，主 要功能是监控和管理。将通讯层采集到的仪表、设备数 据进行可视化、执行化处理并具备开放接口。配置操作 员站，显示工艺流程画面，实现工艺过程参数在线检测 及对仪表、设备的集中控制，并具备故障报警、曲线观 察等功能。此外，通过配置W E B 服务器，可将流程数 据发布到厂级局域网上，供管理人员查看，及时了解现 场生产情况，实时沟通，提高管理效率。 3 系统配置 采用C o n t r o l L o g i x1 7 5 6 系列P L C 系统构建全厂 D C S 。在中央控制室内设立中央控制站，站内配置2 套 P L C 的C P U 1 7 5 6 - L 6 1 、C o n t r o l N e t 模块 1 7 5 6 一C N B R 、 E t h e m e t 模块 1 7 5 6 - E N E T 及冗余模块 1 7 5 6 - R M ，实 现C P U 的冗余方式。根据流程特点并考虑到管理方便， 在磨矿段、浮选段、浓缩脱水段分别设置I 套1 0 站， 站内配置C o n t r o l N e t 模块 1 7 5 6 ．C N B R 及I O 模块，分 别集成各工段的现场仪表、电气设备及第三方设备数据， 由于主站与I O 站内均配置1 7 5 6 ．C N B R 模块，站与站之 间可采用双C o n t r o l N e t 网络相连。C o n t r o l N e t 网络是为 工业控制设计的网络，很容易满足工控系统的需求，对 于I ／O 数据的传送能够确保，网络的规划提供了确保的 可能性[ 3 1 。C P U 的冗余及C o n t r o l N e t 网络的冗余即实现 整个D C S 硬件系统的双冗余配置。采用冗余配置，使 控制设备因意外而导致的停机损失降到最低p 1 。 在中央控制室内，配置2 套工控机作为D C S 的操 作员站，由于城门山二期扩建选矿场地分为磨浮车间及 精尾车间，这2 套操作员站分别显示磨浮车间及精尾车 间的相关监控画面。亦配置2 套I B M 服务器，1 套作为 D C S 的数据采集服务器，另l 套作为D C S 的工程师站、 历史数据服务器及W E B 发布服务器。 4 人机界面应用与维护 采用W o n d e r w a r e 系统平台对D C S 人机界面系统进 行设计开发。W o n d e r w a r e 系统平台软件为工业自动化 领域的S C A D A 系统、人机界面、生产数据和绩效管理 提供统一的集成平台及解决方案，已广泛应用于各个领 域并有很多成功的应用案例。 根据选矿工艺流程和设备联系，利用W o n d e r w a r e 系统平台开发出相应的操作界面，如图2 所示。 上位机控制系统软件平台可实现的功能1 通过系 统平台内嵌D A S A B C I P 驱动与C o n t r o l L o g i x 系列P L C 二、江镧黛团彩．I 一；山铜矿选矿厂二谬J 工艺流程 茹r , t ●- ■‘_ 二Ⅲj 、J ．4 1 lf ．J hJ 一【、，、r。l ”’t 舢 丝呲帆tb 尊， 矬量1 c 毋， 设备擞瞢 儿也报譬． 摄表 图2 操作界面 ◇。≯赫瀚。 5 0 工程设计E n g i n e e r i n gD e s i g n 万方数据 建立起通讯，实时采集P L C 中的变量数据；2 对选矿 各工序的关键工艺参数的在线监控，可生成和查看实时 曲线和历史曲线；3 关键设备的连锁保护与集中控制；4 实现各个设备的状态监视与手动／远程自动控制；5 电 机、磨机等耗能设备的三相电流、功率等电量计量参数 显示；6 故障报警，如电机过载故障报警、皮带断矿报 警等；7 第三方设备的运行状态监控；8 记录、备份实 时数据，生成相应的生产报表；9 运行界面W E B 发布 至厂局域网络。 5 系统集成与控制策略 5 ．1 系统集成 液位计、流量计等检测仪表可输出4 - 2 0m A 的电 流信号，自动控制阀门可接收4 ～2 0m A 的电流信号进行 开／关，这些仪表通过硬接线的方式集成进1 0 柜中的 A I 和A O 模块。部分泵、搅拌电机等设备的电气系统具 备硬接线接口，集成进D I 和D O 模块。 高低压电能计量仪表、马达保护器、粒度仪等设备 支持M o d b u s - R T U 通讯协议，为将该类设备集成入P L C 系统，采用A n y b u s S 系列产品中的A B 7 0 0 6 网关，实 现M o d u s R T U 协议与C o n t r o l N e t 协议的转换。半自磨 机、球磨机、加药机、旋流器等设备的控制系统支持 P r o f i b u s - D P 通讯协议，为将该类设备集成入P L C 系统， 采用A n y b u s X 系列产品中的A B 7 8 0 3 网关，其可以实 现P r o f i b u s - D P 协议与C o n t r o l N e t 协议的转换。以上两 种网关与I O 站均为冗余C o n t r o l N e t 网络上的节点。 浮选机的液位及充气量的控制需具备独立性，采用 C o m p a c t L o g i x1 7 6 9 系列P L C 为其单独设立一套控制系 统，采用E t h e m e t 集成至全厂D C S 。 综上所述，各种通用接1 3 如硬接线、E t h e m e t 、 P r o f i b u s D P 、M o d b u s 的应用使得系统的扩展、升级变得 简单，为后续可能的扩建工程的实施创造了有利条件9 ] 。 5 ．2 控制策略 根据城门山铜矿二期选矿工艺特点，控制难点主要 是半自磨机恒定给矿和浮选机液位自动控制。控制程序 通过P L C 编程实现，P L C 程序开发软件R S L o g i x5 0 0 0 支持结构化文本语言，适合所介绍的算法程序开发。通 过改进控制策略，达到比较理想的控制效果。 半自磨机给矿量通过在给矿皮带上安装核子皮带秤 进行检测，给矿量的调整通过调节给料机的给料频率实 现。此回路的测量装置是核子皮带秤，执行器为给料机 变频器 。针对半自磨给矿粒度波动较大的特点，采用 模糊P I D 控制策略。 根据％，K ，局参数与误差e 及误差变化率e 。之 间的关系建立起模糊规则库。在每个控制周期，系统会 根据模糊规则库及采集到的误差和误差变化率推理并解 析出新的P I D 参数，再输入P I D 控制器，计算出控制值， 驱动执行器。控制框图见图3 。 图3 模糊P I D 控制框图 采用模糊P I D 控制策略，提高了系统性能，例如 当实际给矿量与设定值的偏差较大时，K 和K 分别自 动向大、小调整，既提高了系统的快速性又避免了积分 饱和。当给矿量较为接近设定值时，K 和K 会适当增 加以保证系统的稳定性。岗位工只需根据工况在人机界 面上输入给矿的设定值，给料机即可自动调整频率使测 量值在设定值的1 0 ％内波动，满足工艺要求。 浮选机液位自动控制回路的输入信号为浮选机的液 位值，执行器为浮选机的气动排矿锥阀。在浮选机液位 控制中，常规的控制算法即P I D 算法。P I D 算法是基于 偏差来输出控制信号，即当设定值与测量值的偏差大于 设置死区时，控制器将输出控制信号驱动执行器来矫正 系统，虽然控制效果也较为理想，但有一定的滞后性， 对于前一作业有较大干扰的情况，调节时间略长。前一 作业的干扰原理见图4 。由于每一个作业的液位控制都 是一个控制回路，本槽液位在调节时，会影响下一槽的 液位波动。 为补偿前一作业的干扰，在控制器中增加前馈环节， 即变为前馈 反馈环节，前馈环节即为前一作业的干扰 补偿量，这个补偿量与P I D 的控制量的和作为最终的控 制信号来驱动执行器，能较好地抵消来自前一作业的干 扰，可提高系统响应速度，在干扰较大时，控制效果优 于常规的控制算法。城门山用于粗选、扫选流程的浮选 机为5 0m 3 ，用于精选流程的为2 4m 3 ，采用前馈 P I D 的控制方法，可将液位保持在土8 ．0 m m 内，稳定性良好， 既满足了工艺要求又降低了操作人员的劳动强度。控制 框图见图5 。 图5 前馈控制控制框图 下转第6 0 页 有色金属工程2 0 1 2 年第5 期 5 1 万方数据 阿危企量工程型里型 垦璺垦旦望璺 曼坠 曼至堕鱼 至曼璺 型鱼 铁路技术创新，2 0 11 1 2 5 2 7 ． [ 8 ] 王涛．论环保铜合金研究方向[ J ] ．有色金属加工，2 0 0 9 ， 3 8 5 1 1 - 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