基于DCS的磨礦控制系統在西部某銅選礦廠的設計與應用

張培青 戚飛

摘 要：針對SABC磨礦流程工藝特點，以西部某銅選礦廠自動化技術改造為背景，闡述了基于DCS的磨礦控制系統的搭建過程。對DCS需求進行分析，設計了DCS網絡結構與硬件系統，重點分析了磨礦過程控制策略和實現方法，介紹了WINCC畫面的功能。實際運行結果表明，該DCS系統穩定可靠，操作簡便，不僅改善了工藝參數指標，而且提高了勞動效率和管理效率。

關鍵詞：DCS；磨礦過程；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程采用以操作工現場操作為主，使得選礦作業過程不僅能耗高、效率低、勞動強度大，而且技術經濟指標低，不穩定。磨礦流程作為選礦的關鍵環節，直接影響選礦指標的優劣。2016年10月該公司投資對磨礦工藝過程進行技術改造，引入先進的選礦自動化技術，并采用DCS系統架構模式[1]，改造后的半自磨日處理量為7000噸。

結合該選礦廠磨礦過程工藝特點，整個DCS系統以西門子CPU417為控制核心，以工業以太網和PROFIBUS-DP現場總線的監控層、控制層、設備層三層網絡結構為解決方案，實現磨礦過程的自動化。

1 DCS需求分析

西部某銅選礦廠的磨礦過程采用SABC流程[2]，即半自磨、球磨和破碎工藝，如圖1所示。結合該工藝特點，DCS功能需求有：（1）設備儀表（磨機，板式給料機、渣漿泵和皮帶秤等）的在線監測、遠程啟停以及穩定控制；（2）工序段的連鎖控制與故障保護；（3）DCS工業以太網和PROFIBUS-DP現場總線的網絡搭建；（4）第三方成套設備通訊，包括半自磨球磨、渣漿泵和圓錐破碎機，實現其遠程啟停和數據監測；（5）實時報警以及歷史報警記錄；（6）WINCC畫面通過WEB服務器發布到公司內部辦公網。

2 DCS網絡結構和硬件系統設計

2.1 DCS網絡結構設計

整個磨礦過程控制系統網絡結構包括現場設備單元、過程控制管理單元和過程監控管理單元，相互之間經過工業以太網、PROFIBUS-DP以及RS485進行數據傳輸和交換，實現控制系統的綜合控制和管理，系統網絡框架如圖2所示[3]。過程控制單元包括PLC主控制系統和現場設備系統；PLC主控制系統是整個控制系統的核心部分，采用容錯系統設計；過程監控管理單元的作用是將現場最新數據和運行狀態通過上位機實時反饋給控制平臺操作人員，操作人員根據系統設定的權限將給出的控制信息發送到現場控制層；監控層裝配有1臺工程師站和3臺操作員站，操作員站是操作人員與其他分站進行信息交換、以及控制和監視系統的人機交互平臺。工程師站的作用是工程師用于組織系統的控制層和設備層網絡、編寫控制程序、管理系統設備的平臺。

2.2 DCS硬件系統設計

本系統的核心模塊即中央處理器（CPU）采用417-5H型號，內置PROFIBUS-DP接口，通信能力極強，滿足現場各種設備或儀表的通信要求，例如與成套AB SCL 500 PLC 的圓錐破碎機、成套西門子1500系統的球磨半自磨機等控制系統數據交換；處理器響應速度快，實時性強，能夠快速將現場較多設備狀態信號反饋到中控室，以及將中控室的控制信號傳送到設備或儀表上；同時，當系統在停電或者故障掉電時，可以通過后備電池為CPU供電，從而避免數據丟失和現場連鎖設備失去保護[4]。

同時結合現場設備或儀表的信號類型和數量，設計有相應的AI＼AO模塊、DI＼DO模塊、CP模塊（接口）等硬件模塊來采集和輸出控制信號。現場AI信號需經過隔離柵的處理轉化才能進入DCS控制系統，DO信號通過電磁繼電器和DCS相連，實現電氣信號完全隔離的安全保護。所有的控制功能都采用LAD語言和SCL語言編程完成的，而數據采集和信號調制均在I/O處理模塊完成，I/O模塊選型如表1所示。

3 磨礦過程控制策略分析

該磨礦過程控制策略主要包括邏輯控制和回路控制兩方面，邏輯控制用于實現設備的啟停邏輯控制，回路控制的作用是回路的動態調節。

3.1 邏輯控制策略

邏輯控制包括對設備一鍵啟停、相關聯鎖和邏輯關系。在這里主要包括對給礦設備控制。為了解決物料供給中出現的問題，邏輯控制應包括以下功能：

（1）用戶界面中設定有啟動按鈕，按下后程序開始執行，首先判斷設備是否是否有故障，若有，上位機給出故障代碼并顯示啟動失敗；如無故障，系統根據程序編寫的控制邏輯依次啟動相關設備。

（2）用戶界面上有正常停車和緊急停車的控制按鈕，正常停車是按照生產工藝順序依次停止設備運行。如果有突發狀況或緊急情況，可通過緊急停車按鈕，立刻停止所有設備的運行。

（3）在現場實際應用過程中，存在數據波動頻繁和出現尖峰數據的情況，為避免該情況對工藝生產造成影響，對數據采用加權平均濾波法處理。程序中設定每200ms對現場數據采集一次，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）定時自動切換功能，通過人為設定一個給礦周期（該時間可以通過上位機自由設定）來切換備用給礦機，從而防止結礦。

（5）通過在料倉頂部安裝的雷達料位計，系統自動采集各個料倉的剩余料量，并分析各個料倉的狀態，原則是有料循環工作，無料優化工作。

（6）當給料機故障時自動切換至正常設備，并給出報警信息。

（7）當料倉無料造成“斷礦”時，系統自動切換至有料給料機。

3.2 回路控制策略

選礦生產過程中，在適當的位置安裝相應測量儀表，并選擇合適的執行機構即可實現基本的回路控制。在本項目磨礦過程中，為了使得進入浮選礦料滿足標準，需要通過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 均勻給礦實現

現場中間礦倉中的礦料雖大小不一，但呈現自然分級，中間料細，兩邊料較粗，同時防止板結，因此可采用以2號重板給料為主，1號、3號為輔，即以1號與2號給礦機和2號與3號給礦機的組合輪流給礦。1號和3號給礦機頻率固定，自動控制回路的輸出值作為2號給礦機設定值（2號礦石粒度更細，調整的靈敏度更高）。均勻給礦實現的結構框圖為圖4。

具體控制過程如下：

（1）正常情況下，3個給礦機均處在自動狀態。開1號及2號給礦機或者2號及3號給礦機。

（2）若1號料位計高于3號，則先開1號，否則先開3號。

（3）若1號或3號料位低于下限值（如4米，可設定變量），則倒口至3號或1號給礦機。否則運行2小時后自動切換1號或者3號。

（4）給句設定值/給礦能力估算出給礦機大致的總頻率，將1號或3號設定為總頻率的1/3（或1/2，可根據調試情況調整）左右，但需要大于最低啟動頻率（如5Hz），且維持不變。以2號作為自動控制的輸出對象。

（5）若2號料位低，則增大1號或者3號手動設定值；若2號頻率大于45且礦量依然無法達到設定值，則說明2號料口已空。則開啟1號或3號給料口，且將其中料位更高的那個作為自動控制的輸出對象。

3.2.2 比例給水

根據設定的磨礦濃度和給礦量調整前水，根據設定的溢流濃度調整半自磨補加水和球磨補加水，優先使用回水，若回水閥門開度大于80%，則增大新水流量設定值。半自磨濃度調整流程圖如圖5所示，溢流濃度調整流程圖如圖6所示。

基礎回路包括以下幾個：

（1）新水半自磨前水與總流量閉環

（2）新水球磨補加水與總流量閉環；

（3）回水半自磨前水流量閉環；

（4）回水半自磨補加水流量閉環；

（5）回水球磨補加水流量閉環。

在基礎回路的基礎上，通過比例給水實現磨礦和溢流濃度的控制[7]。半自磨系統輸入輸出量示意圖如圖7所示，球磨系統輸入輸出量示意圖如圖8所示。

基本計算規則包括：

（1）磨礦濃度通過設定半自磨給料端給水設定值實現，采用回水管路。

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

（3）設溢流濃度為C2，2號皮帶皮帶秤讀數平均值W2，則需要總水量。其中溢流濃度根據工藝需求，如0.35?？偹繙p去前水后，則為補加水總水量，按照比例系數分別分配給半自磨和球磨補加水回水管路。

（4）若回水管路的調節閥門開度大于80%，則將調節閥門開度設定為80%，然后將新水球磨補加水流量設定值為Q2，Q2=半自磨給料端給水流量-回水半自磨補加水流量-回水補加水流量。

（5）半自磨后水要優先保證，即使停礦也得大于一定值，以保證振動篩的沖洗水。

4 WINCC畫面實現

人機畫面采用西門子WINCC V7.0版本軟件設計并組態，通過集成的TCP/IP驅動與下位機PLC進行連接和通訊，并將下位機采集到的數據實時顯示在人機界面中。

WINCC畫面能夠實現以下功能：（1）磨礦工藝流程總貌，實時顯示各磨礦工藝段、成套設備和儀表的運行狀態；（2）遠程啟?？刂圃O備儀表；（3）各個工藝段設備或儀表連鎖啟停與保護；（4）均勻給礦與比例給水調節；（5）工藝參數實時曲線顯示與歷史曲線查詢；（6）關鍵參數實時報警與歷史報警查詢；（7）WEB發布WINCC畫面，使得在辦公局域網絡內能夠通過IP查看人機畫面。

5 總結

該DCS在某銅業一選廠現場投入使用后，效果明顯得到改善。

（1）工藝指標得到保證：分級溢流粒度穩定在70%以上，精礦品位穩定在21%以上，金屬回收率穩定在94%左右。生產穩定，且無大型生產事故，選廠連續生產時間達到30天以上。

（2）選廠處理量在設計能力的基礎上提高5%以上：半自磨機設計日處理量為7000噸，現可穩定在7350噸以上。

（3）由于全流程自動控制，磨礦能耗與物耗（如球耗）大幅降低，同時杜絕了設備空轉、半自磨漲肚等現象的發生。

參考文獻：

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