冗余控制系统在尼古拉选矿厂的应用.pdf

4 6 有色金属 选矿部分2 0 0 8 年第2 期 冗余控制系统在尼古拉选矿厂的应用 王庆凯，夏平，尚海洋，徐晓东 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 0 4 4 摘要介绍冗余控制的定义和简单分类，阐明冗余控制在选矿自动控制行业的作用，并且以哈萨克斯坦尼古 拉选矿厂扩产改造项目为例。介绍西门子P c s 7 冗余控制系统在选矿过程的应用情况，并详细介绍P C S 7 系统中用到 的服务器冗余、处理器冗余、通信冗余、I ／O 冗余和电源冗余。由上述分析可知，随着技术的发展，冗余控制系统因 其高可靠性，将在选矿自动化中得到广泛的应用。 关键词冗余；自动控制；选矿；P C S 7 ；D C S 中图分类号T D 9 2 8 ．9 文献标识码A 文章编号1 6 7 1 9 4 9 2 2 0 0 8 0 2 - 0 0 4 6 - 0 3 选矿是一个连续生产的过程，主要包含破碎、 矿石输送、磨矿、浮选、过滤、药剂制备、尾矿输 送等作业。为使选矿各作业处于最佳状态，最大限 度地提高产量、精矿品位和回收率等技术经济指 标，同时达到高产优质、减人增效、节能降耗的目 的，近年来各大小矿山采用了先进的D C S 或F C S 系统来控制选矿生产过程，基本满足了选矿过程的 控制要求。 而随着地球矿产资源的大量开采，地表矿物不 断枯竭，开采深度加大，品位降低，矿石性质越来 越复杂，难选矿物使选矿工艺变得越来越复杂、流 程越来越长，设备趋向大型化、机电一体化，控制 系统趋向网络化、智能化，这些对选矿生产过程自． 动化，特别是对选矿自动化系统的稳定性提出了更 高的要求；同时，随着矿山生产规模日益增大，有 些大型选矿厂日产值已达千万元，为完成选矿厂的 经济目标，已经不允许因为自动控制系统故障而发 生停车事故；另外，随着竞争的日益激烈，为达到 高效减人的目的，越来越多的选矿厂提出了工厂无 人化的设想和要求，但同时选矿过程存在连锁控制、 顺序控制、闭环过程控制，乃至优化过程控制，需 要保证控制系统1 0 0 ％稳定可靠，传统非冗余的 D C S 或者F C S 系统由于采用单C P U 、单网络，无法 保证控制系统故障率为零，冗余控制系统由于其独 特的结构配置，是解决上述问题的一个良好的方法。 1 冗余控制介绍 冗余控制是指采用一定或成倍量的设备或元器 件的方式组成控制系统来参加控制。当某一设备或 元器件发生故障或者损坏时，可以通过硬件、软件 或人为方式，相互切换作为后备设备或元器件，替 代因故障损坏的设备或元器件，保持系统正常工作， 使控制设备因意外而导致的停机损失降到最低2 | 。 自从2 0 世纪9 0 年代，德国S i e m e n s 、美国G E 和A B R o c k w e l l 等公司依托本公司P L C 分别推出 了冗余控制系统，如S i e m e n s 公司基于s 7 4 0 0 H 控 制器的P C S 7 系统，G E 公司依据G E 9 0 7 0 的双机 热备冗余控制系统，A B R o c k w e l l 公司基于1 7 5 6 系列控制器的C o n t r o l L o g i x 系统等，并且在石油、 化工、电力、制造等行业得到了广泛的应用。 尽管不同厂家的冗余控制系统名称大相径庭，冗 余控制分类方法也不尽相同，但根据冗余的切换方式 和应用场合的不同，可对冗余控制进行简单分类 根据冗余控制的实现方式可以分为两大类[ 2 】 1 硬冗余 热冗余 ；2 软冗余 暖冗余 。 近年来。“3 2 ”网络结构成为了各D C S 厂家 主推的网络配置结构，“3 2 ”网络结构表示3 层设 备和2 层网络，其中3 层设备分别是执行层、控制 层和管理层；2 层网络表示现场设备控制网络层和 车间监控网。根据冗余在上述网络结构应用的不同 场合，冗余控制可以分为5 大类1 服务器冗余； 2 处理器冗余 C P U 冗余 ；3 网络冗余；4 I ／O 冗余；5 电源冗余。 2冗余控制在选矿自动化的应用实例 自2 0 0 5 年底，哈萨克斯坦尼古拉选矿厂实行了 收稿日期2 0 0 7 一l l 1 9修回日期2 0 0 8 - 0 1 一i 0 作者简介王庆凯 1 9 7 9 一 ，男，河南林州人，助程工程师，硕士，主要从事仪表、自动化方面的研究。 万方数据 2 0 0 8 年第2 期王庆凯等冗余隆制系统在尼古拉选矿厂的应用 4 7 1 5 0 万妇处理量扩产到2 5 0 万妇处理量的改造。 该选矿厂矿石来自4 个采矿场，可分为铜锌矿和铜 铅锌矿 多金属矿 ，而且4 个采矿场产出不同性 质的铜锌矿和铜铅锌矿，由于其矿石未采取配矿措 施，导致了矿石性质非常复杂，复杂的矿石性质决 定了磨矿、浮选、加药、过滤等流程非常复杂，而 需要在相应流程内成联锁、顺序、闭环控制，这对 自动化控制系统、特别是对控制系统的稳定性要求 很高。 尼古拉选矿厂位于哈萨克斯坦中西部，自然条 件比较恶劣，特别是在冬季时，温度低达一5 0 ℃， 这对自动控制系统的可靠性提出了很高的要求；同 时，哈萨克斯坦人烟稀少，导致尼古拉选矿厂自动 控制系统维护人员较少，这也要求控制系统不能出 现故障。综合考虑，本改造项目自动控制系统采用 了西门子P C S 7 冗余控制系统【3 】，其网络配置图如 图l 所示。 如图1 所示，该选厂自动控制系统采用了“3 2 ”网络结构，其中，管理层包含了l 台工程师站、 1 台操作员单站、l 台O S 服务器、3 台O S 客户端 和l 台归档服务器；控制层包含2 台 7 - 4 0 0 H ；根 据工艺流程和现场实际情况，设备层共包含了破碎 I ／O 站、磨矿I ／O 站、浮选I ／O 站、药剂制备I ／O 站、 过滤Y O 站和尾矿I ／O 站；而2 层网络就是监控 E T H E R N E T 网和控制P R O F I B U S 网，为保证控制系 统的可靠性，3 层设备和2 层网络冗余设置如下 管理层采用客户机／服务器结构，O S 服务器通 过I S O 协议从冗余控制器 7 - 4 0 0 H 内采集整个生 产过程的数据，并且完成为操作员站发布数据的功 能；O S 操作员站作为操作员接口，通过以太网 T C P ／I P 协议从通过O S 服务器获得数据，完成对工 艺过程的操作和监视；工程师站通过以太网I S O 协 议，完成软件开发功能；归档服务器则完成了数据 长期归档的功能；在该层中，为了保证管理层能实 时监控、操作，防止由于计算机系统崩溃导致无法 操作现场设备，采用了单台O S 服务器、O S 操作员 单站的配置方法，保证了管理层的冗余配置，当 O S 服务器发生故障时候，可以使用O S 单操作员站 操作，维持了系统正常运行。 控制层2 台控制器由西门子s 7 4 1 7 的P L C 组 成冗余控制器组成，该类型控制器采用热冗余方 式，2 个C P U 通过特定的硬件判别、固化程序无间 隙地相互判断，当1 台C P U 发生故障时，主C P U 将自动切换到从C P U ，该切换过程通过两个C P U 之间连接的高速光纤同步专线来实现，同时由于采 用光纤，实现了这两部分相互之间电气隔离，显著 增加系统的稳定性，耐受电磁干扰，并且，虽然采 用了热冗余方式，但其容错结构对用户来说是透明 的，它可以同标准P C S 7 系统进行处理、编程和设 计，未给程序员带来更大的工作量。 根据工艺流程和现场设计的要求，现场设备层 中共包含了6 个分布式I ／O 从站，分别是破碎站、 操作员站t 鬟器器韪鬟器黉器 图1 网络配置图 F i g ．1T h ec h a r to fn e t w o r kc o n f i g u r a t i o n 万方数据 4 8 -有色金属 选矿部分2 0 0 8 年第2 期 磨矿站、浮选站、药剂制备站、尾矿站、过滤干燥 站，从站中采用S i e m e n s 的E T2 0 0 M 产品，每个 E T2 0 0 M 分布式I O 站的有源背板总线上插有两个 I M l 5 3 通信接口模块，分别通过两条独立的 P r o f i b u s D P 现场总线与s 7 - 4 1 7 H 中央控制站进行 实时通信。在系统运行过程中，当其中某一个 I M l 5 3 通信接口模块发生故障时，系统能自动地切 换到另一个I M l 5 3 通信接口模块，提高了系统的可 靠性。 设备层中，磨矿车间有1 4 台含D P 通讯模块 的西门子M u l t i r a n g e r l 0 0 X R S 一5 超声波液位计；浮 选车间则包括了2 台锌高效浓密机、过滤车间6 台 陶瓷过滤机采用s 7 2 0 0 E M 2 7 7 模块，通过 P r o f i b u s D P 协议和控制层2 台C P U 完成通讯；为 保证上述智能仪表和第3 方设备和冗余控制器通讯 的可靠性，采用了S i e m e n s 的Y l i n k 和上述设备通 讯，每个Y l i n k 有源背板总线上插有两个I M l 5 7 通信接口模块，当其中某一个I M l 5 7 通信接口模块 发生故障时，系统能自动地切换到另一个I M l 5 7 通 信接口模块，保证了设备层通讯的可靠性。 2 层网络指的是监控网E t h e r n e t 和控制网 P r o f i b u s D P ，为了保证监控网的可靠性，该网络上 采用了2 个S i m a t i cX 2 0 8 交换机组成了冗余以太 网，在其中1 台交换机出故障的情况下，监控网还 可以继续使用，提高了系统的可靠性；而控制网则 通过冗余光纤D P 环网进行连接，环网的好处在于 当某一个站有故障后，环网上其它子站不受影响。 由于P R O F I B U S D P 为电气连接，但在该工程中经 常遇到了各个子站间有数几百米的情况。采用了光 纤收发器 O L MG 1 2 进行光一电转换，使通讯距 离增长，并且实现了光电隔离，防止了干扰。 本项目有2 台U P S 给所有I O 柜供电，2 台 U P S 采用冗余配置，保证了供电的可靠性；同时各 柜内采用2 个冗余S I T O P 电源模块给各模块供电， 当1 个S I T O P 电源发生故障时，另外1 个S I T O P 电 源可以保证给各模块供电，保证了供电的可靠性。 3 结语 本文介绍了冗余控制的概念、分类，简单讲述 了选矿过程控制的一些基本控制方法，最后结合哈 萨克斯坦尼古拉选矿厂改造项目的实际应用详细阐 述冗余控制在选矿自动化的使用情况，自2 0 0 7 年 8 月该冗余系统投入运行后，该系统运行良好，未 出现系统不稳定的情况。 从中我们可以看出，选矿过程控制中包含了复 杂的连锁控制、顺序控制、闭环控制甚至优化控 制，这些控制过程对D C S 、F C S 系统稳定性提出了 要求，而随着自动化、信息、电子以及网络等技术 的发展以及无人工厂的发展趋势，建立在冗余基础 上的D C S 、F C S 系统由于其出色的稳定性，将越来 越多地使用在选矿过程控制中。因此，我们有理由 相信，冗余控制系统将成为选矿自动化的一个发展 方向。 参考文献 [ 1 ] 刘炬，郑蔚，刘晓明．冗余技术在厂站端自动化系统中 的典型应用[ J ] ．继电器，2 0 0 7 ，3 5 1 0 4 5 5 1 ． [ 2 ] 陈子平．浅谈控制系统冗余控制的实现[ J ] ．自动化仪表， 2 0 0 5 ．2 6 9 4 6 ． [ 3 ] 苏昆哲，何华．深入浅出西门子W i n c eV 6 [ M ] ．北京北京 ’ 航空航天大学出版社，2 0 0 6 ，1 7 0 - 1 8 2 ． T H EA P P L I C A T I o No FR E D U N D A N C YC o N T R o LS Y S T E MI NN I G U L AM I L L W A N GQ i n g k a i ，X I AA 叼，S H A N GH a i y a n g ，X UX i a o d o n g B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g10 0 0 4 4 ，C h i n a A B S T R A C T T h ep a p e ri n t r o d u c e st h ed e f i n i t i o no ft h er e d u n d a n c yc o n t r o la n ds i m p l ec l a s s i f i c a t i o n ，a l s o ，t h ee f f e c t o fr e d u n d a n c yc o n t r o li nm i n e r a la u t oc o n t r o l p r o c e s s i n g i s p r e s e n t ，w i t h t h eP r o j e c to fN I G U L Am i l ls c a l i n g u pp r o d u c t i o na n dt r a n s f o r m a t i o ni n K a z a k h s t a na se x a m p l e ，T h ea p p l i c a t i o no fP C S 7r e d u n d a n c yc o n t r o l s y s t e m i nm i n e r a l p r o c e s s i n g i si n t r o d u c e d ，a n ds e r v e r r e d u n d a n c y 、p r o c e s s o rr e d u n d a n c y 、c o m m u n i c a t i o n r e d u n d a n c y 、I ／Or e d u n d a n c ya n dp o w e rs u p p l yr e d u n d a n c yi n P C S 7area l s op r e s e n ti nd e t a i l ．A sw ec a n g e t f r o mt h e a n a l y s i sa b o v e ，w i t h t h e d e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y ，r e d u n d a n c y c o n t r o l s y s t e m w i t h h i g h r e l i a b i l i t yw i l lh a v eaw i d ea p p l i c a t i o ni nm i n e r a lp r o c e s sa u t o m a t i o nf i e l d ． K e yw o r d s r e d u n d a n c y ；a u t oc o n t r o l ；m i n e r a lp r o c e s s i n g ；P C S 7 ；D C S 万方数据