云南普朗銅礦給排水自動化改造工程探索

韓詠梅 楊超 王實金

1.昆明維恒升自控技術有限公司 云南 昆明 650105；

2.云南迪慶有色金屬有限責任公司 云南 香格里拉 674400

引言

云南迪慶有色金屬有限責任公司普朗銅礦，位于云南省西北部迪慶藏族自治州香格里拉縣北東部，臨近三江并流世界遺產(chǎn)保護區(qū)，平均海拔3600m，環(huán)境溫度-20℃至30℃，多雷雨地域，屬高寒礦區(qū)，礦區(qū)生態(tài)環(huán)境脆弱，環(huán)境惡劣。

普朗銅礦生活水來自孫諾永河，建有生活水取水壩、取水廊道和沉砂池。受季節(jié)變化的影響，雨季水質(zhì)較差，水源上游有牧場，森林枯枝敗葉、動物糞便等受雨水沖刷流進孫諾永河，全礦飲用水安全存在安全隱患。給排水系統(tǒng)較為分散，給水凈化站遠離礦區(qū)，每班需2人值班，回水處理及加壓泵房、鍋爐房均需現(xiàn)場值班，生活污水處理站能夠就地自動運行，因不能遠程監(jiān)控需要值班人員。

為了減少人員配置，改善水質(zhì)和作業(yè)環(huán)境，降低飲用水安全風險，需進行在線監(jiān)測及給排水自動化改造，實現(xiàn)遠程在線監(jiān)控，提高普朗銅礦給排水自動化水平。

1 自動化改造內(nèi)容和目標

通過對原水取樣送檢，分析超標項，針對超標項采取措施。實現(xiàn)濁度、pH值、余氯在線監(jiān)測，自動及時調(diào)整給藥量、進水量，使生活水水質(zhì)達到國家生活飲用水標準。給水凈化站、回水處理及加壓泵房、鍋爐房、污水處理站實現(xiàn)遠程監(jiān)控，自動運行。

PLC柜內(nèi)集成完成相應范圍內(nèi)設備運行反饋、遠程/自動啟停、液位控制、閥門開度調(diào)節(jié)、水質(zhì)處理及檢測、給藥裝置調(diào)控、流量計量、壓力、溫度監(jiān)視，調(diào)度中心DCS遠程監(jiān)控，設備滿足海拔3600m，環(huán)境溫度-20℃至30℃、多雷雨地域穩(wěn)定、可靠運行。

取消現(xiàn)場值班人員，轉(zhuǎn)變工作方式，只配置點巡、巡檢人員，實現(xiàn)生產(chǎn)調(diào)度中心遠程集中監(jiān)控。

減少用水總量，污水不外排，再生水全部回用。

2 項目難點及解決方案

2.1 給排水系統(tǒng)現(xiàn)狀

全礦現(xiàn)有霍尼韋爾DCS系統(tǒng)、礦山在線監(jiān)測六大系統(tǒng)、井下電機車無人駕駛運輸系統(tǒng)、消防系統(tǒng)，都已集成至調(diào)度中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)視與控制；生活給排水水處理工藝流程未實現(xiàn)水質(zhì)在線監(jiān)測，四個作業(yè)點未將數(shù)據(jù)集成到調(diào)度中心，不能自動化遠程監(jiān)控。

2.1.1 給水凈化站生活用水無在線監(jiān)測，處理工藝自動化水平較低，給藥量控制依靠經(jīng)驗進行，給藥設備簡陋，故障較多，次氯酸鈉發(fā)生器不能正常運行。

2.1.2 給水凈化站、回水處理及加壓泵房建有DCS站，只能通過觸摸屏對水池液位、流量、水泵出口壓力進行監(jiān)視，不能對水泵、電動閥門、攪拌器等設備進行控制。

2.1.3 供暖鍋爐房鍋爐系統(tǒng)配有PLC控制柜,就近有銅鉬車間DCS站，只能就地運行。

2.1.4 生活污水處理站配有設備自帶PLC控制柜，只能就地運行。

2.2 難點分析

2.2.1 項目地點在高海拔地區(qū)，冬季寒冷，施工難度大。

2.2.2 邊生產(chǎn)邊改造，需與生產(chǎn)管理部門溝通分工段停機改造，對施工時間需掌控[1]。

2.2.3 牽涉設備品牌多樣，對原有設備的工作原理需充分熟悉；電控柜內(nèi)線路修改各不相同，線路的修改、標記要準確清晰，是改造難點。

2.2.4 自控程序需根據(jù)現(xiàn)場工藝、設備、操控需求編制，對工藝原理、控制方式，需理解到位。

2.2.5 鍋爐房自控系統(tǒng)，雖已收到鍋爐設備廠家提供的資料，鍋爐自帶臺達PLC控制器程序地址表等相關信息，但與新增PLC5、調(diào)度中心DCS系統(tǒng)連接通訊仍然是難點；3臺鍋爐是電加熱型（2.1MW/臺），且為壓力容器，自控調(diào)試有一定風險。

2.2.6 加氯設備換一套新設備，需修改原有加氯系統(tǒng)程序；原程序加密、破解是個難點。

2.2.7 改造新增6套PLC與調(diào)度中心DCS通訊連接，實現(xiàn)遠程監(jiān)控，是本次改造的重點難點。

2.3 解決方案

針對以上難點和重點，在施工組織管理和自控技術二個方面做好準備，積極應對。

2.3.1 做好設備保暖、防雨雪，注意臨時儲存地點，選擇好設備安裝位置，盡量在室內(nèi)利于保暖。

2.3.2 室外施工，盡量在冬季前完成。

2.3.3 收集全所需的圖紙資料，提前消化其內(nèi)容，現(xiàn)場涉及改造的設備情況全面掌握，重點難點部分，細化分解問題，向業(yè)內(nèi)專家咨詢，提前準備多種處置方案[2]。

2.3.4 修改電控柜線路前，進行小組討論；重要配電柜內(nèi)改線，需請電氣技術員參與討論，確定方案，避免錯誤。

2.3.5 自控技術人員編制程序前，與生產(chǎn)管理和操控人員溝通到位，實現(xiàn)所需要的控制功能。

2.3.6 自控系統(tǒng)接線，注意不要影響到原作業(yè)點DCS系統(tǒng)，儀表檢測信號，采用信號分配器分別傳輸。

2.3.7 重要設備試車前（特別是鍋爐，大型水泵，大型攪拌機），需與生產(chǎn)管理人員、設備電氣維修技術員一起討論試車方案，審核通過后，才能進行試車。

2.3.8 針對現(xiàn)場情況，明確劃分PLC控制站的控制范圍。

新建生活水壩控制站PLC1，監(jiān)控生活水壩區(qū)域內(nèi)設備。

新建生產(chǎn)水壩控制站PLC2，監(jiān)控生產(chǎn)水壩區(qū)域內(nèi)設備。

新建凈水站控制站PLC3，監(jiān)控凈水站區(qū)域內(nèi)設備，含生活生產(chǎn)高位水池、尾礦回水及沖洗系統(tǒng)、井下回水系統(tǒng)、三組PAC加藥系統(tǒng)、高壓送水系統(tǒng)、選礦采礦高位水池、生產(chǎn)生活供水系統(tǒng)、生活回水沉淀系統(tǒng)、消防供水系統(tǒng)。

改造次氯酸鈉控制站PLC3-1，監(jiān)控二套次氯酸鈉制備投加系統(tǒng)設備，新次氯酸鈉設備自帶STC控制器接入PLC3-1。

新建回水處理及回水加壓泵房PLC4，監(jiān)控回水處理區(qū)域內(nèi)設備，含選礦廠銅鉬廠回用水、雨水回水、采礦回水、廢水回水、生產(chǎn)回水沉淀系統(tǒng)、污泥處理系統(tǒng)。

新建鍋爐房控制站PLC5，監(jiān)控鍋爐及鍋爐房內(nèi)軟水處理系統(tǒng)設備，原3臺鍋爐自帶PLC5-1，2，3接入PLC5。

新建污水處理控制站PLC6，監(jiān)控雨水污水提升泵站、污水處理系統(tǒng)、再生回用水系統(tǒng)設備，原污水處理設備自帶PLC7接入PLC6。

2.3.9 構(gòu)建清晰的自控網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，先各分區(qū)內(nèi)自控施工，后連接完成系統(tǒng)搭建。

3 自動化改造主要問題的解決

3.1 光纖傳導的光衰問題處置

自控系統(tǒng)調(diào)試時，污水處理PLC6控制站的數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定，通訊經(jīng)常中斷。

從網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)分析，逐段檢查相關的光纖網(wǎng)絡回路，發(fā)現(xiàn)從磨浮車間DCS站到污水處理PLC6控制站，傳導光纖的光衰比較嚴重。經(jīng)過反復試驗，確定解決方案：

3.1.1 光纖終端盒之間添加光電收發(fā)器，增加光能的傳輸強度；

3.1.2 重做本區(qū)域內(nèi)的尾纖接頭，采用裝置固定尾纖接頭，安裝時對正對中。

光衰問題得到解決，污水處理PLC6控制站與磨浮車間DCS站通訊正常。

3.2 PAC投加計量控制

PAC（聚合氯化鋁），是水處理絮凝劑，絮凝劑對水中雜質(zhì)進行凝結(jié)通過沉淀或者過濾進行去除。水處理PAC藥劑準確投加量，是水處理的一個難點。根據(jù)礦區(qū)原水、凈水站出水的水質(zhì)分析，結(jié)合藥劑配置濃度、產(chǎn)水量，經(jīng)過反復摸索試驗，在PLC控制器中設置投加計量泵的控制程序，實現(xiàn)藥劑準確投加。

3.2.1 PAC藥液投加參數(shù)設置。

表1 生活水PAC藥液投加參數(shù)表

3.2.2 投加計量泵的控制運行。現(xiàn)場柜面上計量泵設置手/自動轉(zhuǎn)換開關，在現(xiàn)場可手動控制調(diào)節(jié)計量泵運行；在PLC柜觸摸屏/中心調(diào)度計算機上，可遠程手動/自動運行計量泵。

遠程控制：操作人員在調(diào)度中心計算機上點擊需要操作的PAC計量泵。查看PAC的計量泵狀態(tài)正常后點擊啟動按鈕則PAC啟動，根據(jù)進水濁度及流量更改變頻器的投加量的大小。

全自動運行：操作人員在調(diào)度中心計算機上，把PAC計量泵控制模式設置在自動位置，PAC計量泵則根據(jù)出水濁度和進水流量的大小來自動啟停和自動調(diào)整投加量的大小，實現(xiàn)閉環(huán)控制[3]。

3.3 次氯酸鈉發(fā)生器與PLC通訊

凈水站加氯消毒間，采用了德國杰西科次氯酸鈉發(fā)生器，生產(chǎn)的次氯酸鈉溶液，作為消毒劑，滅殺出廠水中對人體有害微生物。

設備自帶STC控制器，需與原次氯酸鈉設備自帶PLC3-1西門子S7-200通訊，數(shù)據(jù)再上傳DCS系統(tǒng)。STC控制器與PLC的通訊，一直處于連通故障狀態(tài)。

研究STC資料手冊和圖紙，發(fā)現(xiàn)MB01電路板的接線端子59號是通信接口，本接口沒有連線到STC的外接線端子，導致通信故障。補充連接端口接線后，STC與西門子PLC實現(xiàn)正常通訊。

3.4 西門子PLC與DCS系統(tǒng)通訊

改造新增的PLC控制站，需要與DCS系統(tǒng)通訊，實現(xiàn)給排水自控系統(tǒng)融入礦區(qū)的總調(diào)度控制系統(tǒng)。在做全系統(tǒng)綜合調(diào)試時，發(fā)現(xiàn)兩個系統(tǒng)的通訊不穩(wěn)定，霍尼韋爾DCS系統(tǒng)，使用Modbus-TCP讀取西門子PLC開關量和模擬量，讀取時間有約50s延遲。

經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)故障原因，PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)通訊，采用PLC軟件通信對DCS服務器一對一通訊，對通信點位數(shù)量，通訊周期，都有一定要求，超過限量，導致數(shù)據(jù)傳輸緩慢，通訊故障。

改變通訊連接方案，增加ModbusTCP轉(zhuǎn)Profinet智能網(wǎng)關，網(wǎng)關主動采集PLC數(shù)據(jù)并緩存到網(wǎng)關內(nèi)部，減少讀寫指令，減少數(shù)據(jù)采集過程中來回交互的次數(shù)，DCS服務器通過 Modbus TCP 直接從網(wǎng)關取數(shù)據(jù)，減少DCS服務器與PLC的交互次數(shù)，提高了數(shù)據(jù)的采集速度、實時性、可靠性以及穩(wěn)定性，PLC系統(tǒng)與DCS系統(tǒng)實現(xiàn)通訊正常。

4 結(jié)束語

經(jīng)過1年的時間，改造工程順利完成。礦區(qū)飲用水水質(zhì)檢測合格達標，生活污水零排放，全部回收利用，改善了水質(zhì)和作業(yè)環(huán)境，消除了安全隱患。給排水系統(tǒng)實現(xiàn)自動化運行，自控系統(tǒng)全面融入礦區(qū)調(diào)度中心的DCS系統(tǒng)，在調(diào)度中心可實現(xiàn)給排水系統(tǒng)的遠程監(jiān)控。礦區(qū)四個固定作業(yè)點給水凈化站、回水處理及加壓泵房、供暖鍋爐房、生活污水處理站實現(xiàn)無人值守，實現(xiàn)了減員增效、水資源綜合利用、礦區(qū)安全環(huán)保的總體目標。