采用DCS和FCS相结合的自动化系统在黄金选矿厂中的应用

仓冰南,王俊鹏,李云庆,王一兵

（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,北京102600；

2.山东黄金矿业（莱西）有限公司,山东 莱西 266613）

采用DCS和FCS相结合的自动化系统在黄金选矿厂中的应用

仓冰南1,王俊鹏1,李云庆2,王一兵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,北京102600；

2.山东黄金矿业（莱西）有限公司,山东 莱西 266613）

摘要：北京矿冶研究总院采用DCS和FCS相结合的方式搭建了黄金选矿厂自动化系统。DCS相较FCS调试方便，故障排查更直观，对维护人员技术要求不高，不会由于某台设备故障导致一系列设备失去控制；但FCS由于采用了现场总线技术，相比DCS更节约电缆，施工更简单且设备可集成信息量更大。北京矿冶研究总院对关键设备的控制采用DCS方式，而对设备信号集成采用FCS方式，保证了自动化系统在控制可靠性的前提下充分利用了FCS的技术优越性，可达到技术先进性和控制可靠性之间的平衡。

关键词：现场总线控制系统（FCS）；分布式控制系统（DCS）；黄金选矿厂；自动化

1　前言

山东黄金矿业（莱西）有限公司采选1000t/d选矿厂全流程自动化系统工程由北京矿冶研究总院负责工程总承包。工程内容包括破碎筛分、磨矿浮选、精矿浓密脱水、尾矿输送等内容，在选矿磨浮厂房设有中央控制室（以下简称中控室），将上述几部分内容的主要设备运行情况、工艺过程参数等数据送到中央控制室，中控室根据生产状况和要求对工艺参数和工艺过程进行自动调节和控制。

2　黄金选矿厂工艺流程概述

山东黄金矿业（莱西）有限公司1000吨/日采选工程，其选矿流程由破碎、磨矿、浮选和浓缩过滤等工艺流程组成，产品为金精矿。选矿厂全厂工艺流程如图1所示。

3　黄金选矿厂自动化系统设计

3.1 DCS技术概述

图1　工艺流程图

自 1975 年 Honeywell 公司推出的 TDC2000 集散控制系统以来,集散控制系统在近 30 年的发展过程中逐步完善、成熟,20 世纪八、九十年代在控制领域中占主导地位。其基本思想是分散控制集中管理。集散控制系统具有控制功能多样、操作简便、维护方便、可靠性高、便于与其他计算机联用等优点。但是DCS 系统基本上是采用一对一连线,4～20mA （或0～10V）模拟信号进行检测与控制, 致使设备与设备之间、系统与系统之间、系统与外界之间无法进行信息交流,在一定程度上成为“信息孤岛”[1]。

3.2FCS技术概述

现场总线控制系统（FCS）技术是将专用微处理器植入传统的仪表或IO模块,使它们各自都具有数字计算和数字通信能力,采用专用的通讯总线电缆把它们联结在一起,使它们彼此或它们和计算机间具备交换相应信息和传输相关数据的能力[2]。不同于DCS传统的IO单元和控制站，FCS将DCS各控制站的功能块分散到了各现场设备中，用户可以对各个功能块统一选择并进行硬件组态，这就实现更加彻底的分散控制。[3-5]但由于FCS中各设备均通过若干总线进行连接，一旦某个设备出现故障就极有可能影响整条总线通讯导致整条总线上的设备均失去控制。此外，FCS系统出现故障后排查起来不直观，对于维护人员的技术要求也更高。

3.3黄金选矿厂自动化系统网络结构设计

山东黄金莱西选矿厂全流程自动化系统工程采用了DCS和FCS相结合的自动化系统搭建方式，车间低压电气设备的控制采用DCS方式集成，而更多信号信息集成则采用FCS方式集成。根据车间地理位置设置2台PLC主站，破碎段设置1台GE RX-3i的PLC作为破碎段主站，置于破碎车间动力中心内；磨矿浮选段设置1台GE RX- 7i的PLC作为磨浮段控制主站，置于中央控制室电子间内。全厂同样根据车间地理位置为依据设置2个段级操作控制室，即破碎段自动化控制室、磨浮段自动化控制室（中控室），磨浮段自动化控制室暨全厂中控室，集成全厂自动化信息。为了保证自动化的可靠性，将较重要的磨浮主站配置为冗余结构。各PLC之间以及控制室之间通过工业以太网进行连接。

2个CPU主站中的数据均进入布置于中控室冗余配置的DAServer（数据采集服务器）里。操作员站通过DAServer接收PLC集成的车间数据并对PLC给出控制命令。破碎段、磨浮段的自动化控制由放置于破碎段自动化控制室、磨浮段中控室内的操作员站分别进行处理。破碎段自动化控制室和磨浮段中央控制室之间利用以太网进行连接构成全厂的管理网络。

由于磨矿和浮选车间段包含较多设备，因此除CPU主站外还设置有2台IO从站，组成主—从站PLC控制系统。由于高位水IO站距离主站距离较远，因此采用光纤连接，通过光纤终端盒、跳线、带光口交换机等实现光电转换，最终将该从站和主站连接起来。图2为该黄金选矿厂自动化系统架构网络示意图。

3.4 黄金选矿厂自动化系统与现场仪表选型

由于各车间检测和控制点不是很多，因此我方均选用了提供4-20mA信号接口的仪表。为保证电气控制的稳定性和便于排查故障，车间内各常规低压电气设备集成均采用硬接线方式进行控制；为尽可能多读取设备信息，且各常规低压电气设备控制柜均集中布置于各车间低压配电室中，因此各常规低压电气设备信息读取均采用总线方式集成，本项目采用Modbus-RTU总线方式进行集成。除了各种检测和控制仪表和车间常规低压电气设备外，各车间还有一些第三方设备需要集成到自动化系统中来，这些设备很多提供DP通讯接口。我方可从设备通讯模块的DP接口上通过接入DP通讯插头将其挂在Pro fi bus DP现场总线上连接到PLC中进行信号集成与控制。

综上所述，各车间现场仪表、低压电器设备和第三方设备与PLC系统的通讯方式主要分为3类，即Pro fi bus DP、Modbus rtu以及硬接线等3类。我方的控制系统选用了国际上先进的GE RX系列PLC。其中DP通讯选用GE 的Pro fi bus DP主通讯模块，Modbus通讯则选用GE专用的Mobus rtu主站通讯模块，除此之外，选型时还需选用GE的DI、DO模块及AI、AO模块。对于现场仪表距离IO站较远，超出通讯电缆长度限制的情况，还需在现场仪表侧设计控制箱用来放置OLM模块，同时在从站上亦应加装OLM模块，DP通讯电缆首先连入OLM模块，两个OLM模块之间再通过光纤实现长距离信号传输。某CPU站控制系统选型设计见下表。

4　结语

本项目采用DCS和FCS技术相结合的方式搭建了山东黄金莱西选矿厂自动化系统。DCS系统相较FCS系统调试方便，出现故障排查起来也更加直观，同时对于选矿厂技术人员来说维护也比较容易；此外，DCS系统不会出现FCS系统中由于某一台或几台设备故障从而导致全厂总线网络瘫痪而影响生产的情况。但是FCS系统由于采用了现场总线技术，相比较DCS系统更加节约电缆，施工更简单且可以集成信息量更大[3]。因此，我们对于关键的影响生产的低压电气设备的控制采用DCS控制方式，而对于相对来说次重要的低压电气设备的更多信号信息读取则采用FCS方式进行集成，在充分节约电缆、减少施工量的前提下集成尽可能多的设备信号信息。这就在保证了自动化系统在控制可靠性的前提下充分利用了FCS系统中现场总线技术的优越性，达到了技术先进性和可靠性之间的平衡。

图2　自动化架构网络示意图

某控制系统CPU站设计选型表

综上，在规模适中且可靠性要求较高的工业场合，DCS系统仍然具有较强的生命力，采用DCS和FCS技术相结合的方式搭建自动化系统可更好地达到技术可靠性和先进性之间的平衡。

参考文献：

[1]来江,王宝渝,佟边江,祁玉梅.FCS-DCS两种控制系统比较[J].中国水泥,2007（08）：49-50.

[2]梁东浩，赵建国，刘小勇.现场总线控制系统（FCS）的应用与展望[J].工业计量,2001（05）：34-36.

[3]仓冰南,郭振宇,徐宁,王庆凯.现场总线技术在黄金精炼厂中的应用[J].有色金属（冶炼部分）,2012（08）：30-33.

[4]郝伟.DCS系统设计及在电厂热工控制系统的应用[J].科技创新与应用,2014（31）：140.

[5]高海峰.DCS系统在煤气站自动中的应用[J].科技与企业,2014（14）：133.

作者简介：仓冰南（1985—），男，辽宁沈阳人，硕士，工程师，国家一级建造师，主要从事：矿冶自动化工程技术工作。