基于DCS的磨礦控制系統(tǒng)在西部某銅選礦廠的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

張培青 戚飛

摘 要：針對(duì)SABC磨礦流程工藝特點(diǎn)，以西部某銅選礦廠自動(dòng)化技術(shù)改造為背景，闡述了基于DCS的磨礦控制系統(tǒng)的搭建過(guò)程。對(duì)DCS需求進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與硬件系統(tǒng)，重點(diǎn)分析了磨礦過(guò)程控制策略和實(shí)現(xiàn)方法，介紹了WINCC畫(huà)面的功能。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，該DCS系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，操作簡(jiǎn)便，不僅改善了工藝參數(shù)指標(biāo)，而且提高了勞動(dòng)效率和管理效率。

關(guān)鍵詞：DCS；磨礦過(guò)程；均勻給礦；比例給水

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.18.048

西部某銅礦廠的選礦過(guò)程采用以操作工現(xiàn)場(chǎng)操作為主，使得選礦作業(yè)過(guò)程不僅能耗高、效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大，而且技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)低，不穩(wěn)定。磨礦流程作為選礦的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，直接影響選礦指標(biāo)的優(yōu)劣。2016年10月該公司投資對(duì)磨礦工藝過(guò)程進(jìn)行技術(shù)改造，引入先進(jìn)的選礦自動(dòng)化技術(shù)，并采用DCS系統(tǒng)架構(gòu)模式[1]，改造后的半自磨日處理量為7000噸。

結(jié)合該選礦廠磨礦過(guò)程工藝特點(diǎn)，整個(gè)DCS系統(tǒng)以西門(mén)子CPU417為控制核心，以工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的監(jiān)控層、控制層、設(shè)備層三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為解決方案，實(shí)現(xiàn)磨礦過(guò)程的自動(dòng)化。

1 DCS需求分析

西部某銅選礦廠的磨礦過(guò)程采用SABC流程[2]，即半自磨、球磨和破碎工藝，如圖1所示。結(jié)合該工藝特點(diǎn)，DCS功能需求有：（1）設(shè)備儀表（磨機(jī)，板式給料機(jī)、渣漿泵和皮帶秤等）的在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程啟停以及穩(wěn)定控制；（2）工序段的連鎖控制與故障保護(hù)；（3）DCS工業(yè)以太網(wǎng)和PROFIBUS-DP現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)搭建；（4）第三方成套設(shè)備通訊，包括半自磨球磨、渣漿泵和圓錐破碎機(jī)，實(shí)現(xiàn)其遠(yuǎn)程啟停和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)；（5）實(shí)時(shí)報(bào)警以及歷史報(bào)警記錄；（6）WINCC畫(huà)面通過(guò)WEB服務(wù)器發(fā)布到公司內(nèi)部辦公網(wǎng)。

2 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 DCS網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整個(gè)磨礦過(guò)程控制系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備單元、過(guò)程控制管理單元和過(guò)程監(jiān)控管理單元，相互之間經(jīng)過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP以及RS485進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和交換，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的綜合控制和管理，系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)框架如圖2所示[3]。過(guò)程控制單元包括PLC主控制系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備系統(tǒng)；PLC主控制系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心部分，采用容錯(cuò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)；過(guò)程監(jiān)控管理單元的作用是將現(xiàn)場(chǎng)最新數(shù)據(jù)和運(yùn)行狀態(tài)通過(guò)上位機(jī)實(shí)時(shí)反饋給控制平臺(tái)操作人員，操作人員根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的權(quán)限將給出的控制信息發(fā)送到現(xiàn)場(chǎng)控制層；監(jiān)控層裝配有1臺(tái)工程師站和3臺(tái)操作員站，操作員站是操作人員與其他分站進(jìn)行信息交換、以及控制和監(jiān)視系統(tǒng)的人機(jī)交互平臺(tái)。工程師站的作用是工程師用于組織系統(tǒng)的控制層和設(shè)備層網(wǎng)絡(luò)、編寫(xiě)控制程序、管理系統(tǒng)設(shè)備的平臺(tái)。

2.2 DCS硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的核心模塊即中央處理器（CPU）采用417-5H型號(hào)，內(nèi)置PROFIBUS-DP接口，通信能力極強(qiáng)，滿足現(xiàn)場(chǎng)各種設(shè)備或儀表的通信要求，例如與成套AB SCL 500 PLC 的圓錐破碎機(jī)、成套西門(mén)子1500系統(tǒng)的球磨半自磨機(jī)等控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)交換；處理器響應(yīng)速度快，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，能夠快速將現(xiàn)場(chǎng)較多設(shè)備狀態(tài)信號(hào)反饋到中控室，以及將中控室的控制信號(hào)傳送到設(shè)備或儀表上；同時(shí)，當(dāng)系統(tǒng)在停電或者故障掉電時(shí)，可以通過(guò)后備電池為CPU供電，從而避免數(shù)據(jù)丟失和現(xiàn)場(chǎng)連鎖設(shè)備失去保護(hù)[4]。

同時(shí)結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備或儀表的信號(hào)類型和數(shù)量，設(shè)計(jì)有相應(yīng)的AI＼AO模塊、DI＼DO模塊、CP模塊（接口）等硬件模塊來(lái)采集和輸出控制信號(hào)?，F(xiàn)場(chǎng)AI信號(hào)需經(jīng)過(guò)隔離柵的處理轉(zhuǎn)化才能進(jìn)入DCS控制系統(tǒng)，DO信號(hào)通過(guò)電磁繼電器和DCS相連，實(shí)現(xiàn)電氣信號(hào)完全隔離的安全保護(hù)。所有的控制功能都采用LAD語(yǔ)言和SCL語(yǔ)言編程完成的，而數(shù)據(jù)采集和信號(hào)調(diào)制均在I/O處理模塊完成，I/O模塊選型如表1所示。

3 磨礦過(guò)程控制策略分析

該磨礦過(guò)程控制策略主要包括邏輯控制和回路控制兩方面，邏輯控制用于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的啟停邏輯控制，回路控制的作用是回路的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)。

3.1 邏輯控制策略

邏輯控制包括對(duì)設(shè)備一鍵啟停、相關(guān)聯(lián)鎖和邏輯關(guān)系。在這里主要包括對(duì)給礦設(shè)備控制。為了解決物料供給中出現(xiàn)的問(wèn)題，邏輯控制應(yīng)包括以下功能：

（1）用戶界面中設(shè)定有啟動(dòng)按鈕，按下后程序開(kāi)始執(zhí)行，首先判斷設(shè)備是否是否有故障，若有，上位機(jī)給出故障代碼并顯示啟動(dòng)失?。蝗鐭o(wú)故障，系統(tǒng)根據(jù)程序編寫(xiě)的控制邏輯依次啟動(dòng)相關(guān)設(shè)備。

（2）用戶界面上有正常停車(chē)和緊急停車(chē)的控制按鈕，正常停車(chē)是按照生產(chǎn)工藝順序依次停止設(shè)備運(yùn)行。如果有突發(fā)狀況或緊急情況，可通過(guò)緊急停車(chē)按鈕，立刻停止所有設(shè)備的運(yùn)行。

（3）在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，存在數(shù)據(jù)波動(dòng)頻繁和出現(xiàn)尖峰數(shù)據(jù)的情況，為避免該情況對(duì)工藝生產(chǎn)造成影響，對(duì)數(shù)據(jù)采用加權(quán)平均濾波法處理。程序中設(shè)定每200ms對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集一次，在OB35組織塊下，每5次（約1秒）再取平均值，并作為變量最終的值[5]，如圖3所示。

（4）定時(shí)自動(dòng)切換功能，通過(guò)人為設(shè)定一個(gè)給礦周期（該時(shí)間可以通過(guò)上位機(jī)自由設(shè)定）來(lái)切換備用給礦機(jī)，從而防止結(jié)礦。

（5）通過(guò)在料倉(cāng)頂部安裝的雷達(dá)料位計(jì)，系統(tǒng)自動(dòng)采集各個(gè)料倉(cāng)的剩余料量，并分析各個(gè)料倉(cāng)的狀態(tài)，原則是有料循環(huán)工作，無(wú)料優(yōu)化工作。

（6）當(dāng)給料機(jī)故障時(shí)自動(dòng)切換至正常設(shè)備，并給出報(bào)警信息。

（7）當(dāng)料倉(cāng)無(wú)料造成“斷礦”時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換至有料給料機(jī)。

3.2 回路控制策略

選礦生產(chǎn)過(guò)程中，在適當(dāng)?shù)奈恢冒惭b相應(yīng)測(cè)量?jī)x表，并選擇合適的執(zhí)行機(jī)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)基本的回路控制。在本項(xiàng)目磨礦過(guò)程中，為了使得進(jìn)入浮選礦料滿足標(biāo)準(zhǔn)，需要通過(guò)均勻給礦和比例給水，控制半自磨的礦料濃度維持在75%～80%，旋流器流出的礦料粒度為70μm，溢流濃度為30%～35%[6]。

3.2.1 均勻給礦實(shí)現(xiàn)

現(xiàn)場(chǎng)中間礦倉(cāng)中的礦料雖大小不一，但呈現(xiàn)自然分級(jí)，中間料細(xì)，兩邊料較粗，同時(shí)防止板結(jié)，因此可采用以2號(hào)重板給料為主，1號(hào)、3號(hào)為輔，即以1號(hào)與2號(hào)給礦機(jī)和2號(hào)與3號(hào)給礦機(jī)的組合輪流給礦。1號(hào)和3號(hào)給礦機(jī)頻率固定，自動(dòng)控制回路的輸出值作為2號(hào)給礦機(jī)設(shè)定值（2號(hào)礦石粒度更細(xì)，調(diào)整的靈敏度更高）。均勻給礦實(shí)現(xiàn)的結(jié)構(gòu)框圖為圖4。

具體控制過(guò)程如下：

（1）正常情況下，3個(gè)給礦機(jī)均處在自動(dòng)狀態(tài)。開(kāi)1號(hào)及2號(hào)給礦機(jī)或者2號(hào)及3號(hào)給礦機(jī)。

（2）若1號(hào)料位計(jì)高于3號(hào)，則先開(kāi)1號(hào)，否則先開(kāi)3號(hào)。

（3）若1號(hào)或3號(hào)料位低于下限值（如4米，可設(shè)定變量），則倒口至3號(hào)或1號(hào)給礦機(jī)。否則運(yùn)行2小時(shí)后自動(dòng)切換1號(hào)或者3號(hào)。

（4）給句設(shè)定值/給礦能力估算出給礦機(jī)大致的總頻率，將1號(hào)或3號(hào)設(shè)定為總頻率的1/3（或1/2，可根據(jù)調(diào)試情況調(diào)整）左右，但需要大于最低啟動(dòng)頻率（如5Hz），且維持不變。以2號(hào)作為自動(dòng)控制的輸出對(duì)象。

（5）若2號(hào)料位低，則增大1號(hào)或者3號(hào)手動(dòng)設(shè)定值；若2號(hào)頻率大于45且礦量依然無(wú)法達(dá)到設(shè)定值，則說(shuō)明2號(hào)料口已空。則開(kāi)啟1號(hào)或3號(hào)給料口，且將其中料位更高的那個(gè)作為自動(dòng)控制的輸出對(duì)象。

3.2.2 比例給水

根據(jù)設(shè)定的磨礦濃度和給礦量調(diào)整前水，根據(jù)設(shè)定的溢流濃度調(diào)整半自磨補(bǔ)加水和球磨補(bǔ)加水，優(yōu)先使用回水，若回水閥門(mén)開(kāi)度大于80%，則增大新水流量設(shè)定值。半自磨濃度調(diào)整流程圖如圖5所示，溢流濃度調(diào)整流程圖如圖6所示。

基礎(chǔ)回路包括以下幾個(gè)：

（1）新水半自磨前水與總流量閉環(huán)

（2）新水球磨補(bǔ)加水與總流量閉環(huán)；

（3）回水半自磨前水流量閉環(huán)；

（4）回水半自磨補(bǔ)加水流量閉環(huán)；

（5）回水球磨補(bǔ)加水流量閉環(huán)。

在基礎(chǔ)回路的基礎(chǔ)上，通過(guò)比例給水實(shí)現(xiàn)磨礦和溢流濃度的控制[7]。半自磨系統(tǒng)輸入輸出量示意圖如圖7所示，球磨系統(tǒng)輸入輸出量示意圖如圖8所示。

基本計(jì)算規(guī)則包括：

（1）磨礦濃度通過(guò)設(shè)定半自磨給料端給水設(shè)定值實(shí)現(xiàn)，采用回水管路。

（2）設(shè)磨礦濃度為C1，3號(hào)皮帶皮帶秤讀數(shù)平均值W3，則半自磨給料端水設(shè)定值Q1=W3/C1-W3。其中磨礦濃度根據(jù)工藝需求，如0.75。若計(jì)算設(shè)定值低于10m3/h，則取10m3/h（防止斷水，該值大小可設(shè)定）。若半自磨停止給礦，則延時(shí)5分鐘后停止給水。

（3）設(shè)溢流濃度為C2，2號(hào)皮帶皮帶秤讀數(shù)平均值W2，則需要總水量。其中溢流濃度根據(jù)工藝需求，如0.35。總水量減去前水后，則為補(bǔ)加水總水量，按照比例系數(shù)分別分配給半自磨和球磨補(bǔ)加水回水管路。

（4）若回水管路的調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度大于80%，則將調(diào)節(jié)閥門(mén)開(kāi)度設(shè)定為80%，然后將新水球磨補(bǔ)加水流量設(shè)定值為Q2，Q2=半自磨給料端給水流量-回水半自磨補(bǔ)加水流量-回水補(bǔ)加水流量。

（5）半自磨后水要優(yōu)先保證，即使停礦也得大于一定值，以保證振動(dòng)篩的沖洗水。

4 WINCC畫(huà)面實(shí)現(xiàn)

人機(jī)畫(huà)面采用西門(mén)子WINCC V7.0版本軟件設(shè)計(jì)并組態(tài)，通過(guò)集成的TCP/IP驅(qū)動(dòng)與下位機(jī)PLC進(jìn)行連接和通訊，并將下位機(jī)采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在人機(jī)界面中。

WINCC畫(huà)面能夠?qū)崿F(xiàn)以下功能：（1）磨礦工藝流程總貌，實(shí)時(shí)顯示各磨礦工藝段、成套設(shè)備和儀表的運(yùn)行狀態(tài)；（2）遠(yuǎn)程啟?？刂圃O(shè)備儀表；（3）各個(gè)工藝段設(shè)備或儀表連鎖啟停與保護(hù)；（4）均勻給礦與比例給水調(diào)節(jié)；（5）工藝參數(shù)實(shí)時(shí)曲線顯示與歷史曲線查詢；（6）關(guān)鍵參數(shù)實(shí)時(shí)報(bào)警與歷史報(bào)警查詢；（7）WEB發(fā)布WINCC畫(huà)面，使得在辦公局域網(wǎng)絡(luò)內(nèi)能夠通過(guò)IP查看人機(jī)畫(huà)面。

5 總結(jié)

該DCS在某銅業(yè)一選廠現(xiàn)場(chǎng)投入使用后，效果明顯得到改善。

（1）工藝指標(biāo)得到保證：分級(jí)溢流粒度穩(wěn)定在70%以上，精礦品位穩(wěn)定在21%以上，金屬回收率穩(wěn)定在94%左右。生產(chǎn)穩(wěn)定，且無(wú)大型生產(chǎn)事故，選廠連續(xù)生產(chǎn)時(shí)間達(dá)到30天以上。

（2）選廠處理量在設(shè)計(jì)能力的基礎(chǔ)上提高5%以上：半自磨機(jī)設(shè)計(jì)日處理量為7000噸，現(xiàn)可穩(wěn)定在7350噸以上。

（3）由于全流程自動(dòng)控制，磨礦能耗與物耗（如球耗）大幅降低，同時(shí)杜絕了設(shè)備空轉(zhuǎn)、半自磨漲肚等現(xiàn)象的發(fā)生。

參考文獻(xiàn)：

[1]郭振宇，趙浩，劉繼明，蘇超.城門(mén)山銅礦選礦過(guò)程DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].有色金屬工程，2012，2（05）：49-51+60.

[2]周玉才，龐威，焦科誠(chéng)，羅小林，陳園園.大型選礦廠SABC流程的選擇與優(yōu)化[J].有色礦冶，2017，33（02）：41-45.

[3]陳保新.集散控制技術(shù)在選礦過(guò)程控制中的應(yīng)用[D].中南大學(xué)，2007.

[4]胡志平.DCS系統(tǒng)在選礦廠的應(yīng)用[J].湖南有色金屬，2003（02）：

52-54.

[5]于鳳銀，宋炳泉，楊巍，于鳳燕.銅冶煉渣選礦Φ5.5×9.5m溢流型球磨機(jī)及DCS控制[J].甘肅冶金，2013，35（01）：113-115+119.

[6]趙大勇，岳恒，周平，柴天佑.基于智能優(yōu)化控制的磨礦過(guò)程綜合自動(dòng)化系統(tǒng)[J].山東大學(xué)學(xué)報(bào)（工學(xué)版），2005（03）：119-124.

[7]倉(cāng)冰南，王俊鵬，李云慶，王一兵.采用DCS和FCS相結(jié)合的自動(dòng)化系統(tǒng)在黃金選礦廠中的應(yīng)用[J].山東工業(yè)技術(shù)，2014（23）：58-60.