基于DCS的磨矿控制系统在西部某铜选矿厂的设计与应用

张培青 戚飞

摘 要：针对SABC磨矿流程工艺特点，以西部某铜选矿厂自动化技术改造为背景，阐述了基于DCS的磨矿控制系统的搭建过程。对DCS需求进行分析，设计了DCS网络结构与硬件系统，重点分析了磨矿过程控制策略和实现方法，介绍了WINCC画面的功能。实际运行结果表明，该DCS系统稳定可靠，操作简便，不仅改善了工艺参数指标，而且提高了劳动效率和管理效率。

关键词：DCS；磨矿过程；均匀给矿；比例给水

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

西部某铜矿厂的选矿过程采用以操作工现场操作为主，使得选矿作业过程不仅能耗高、效率低、劳动强度大，而且技术经济指标低，不稳定。磨矿流程作为选矿的关键环节，直接影响选矿指标的优劣。2016年10月该公司投资对磨矿工艺过程进行技术改造，引入先进的选矿自动化技术，并采用DCS系统架构模式[1]，改造后的半自磨日处理量为7000吨。

结合该选矿厂磨矿过程工艺特点，整个DCS系统以西门子CPU417为控制核心，以工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线的监控层、控制层、设备层三层网络结构为解决方案，实现磨矿过程的自动化。

1 DCS需求分析

西部某铜选矿厂的磨矿过程采用SABC流程[2]，即半自磨、球磨和破碎工艺，如图1所示。结合该工艺特点，DCS功能需求有：（1）设备仪表（磨机，板式给料机、渣浆泵和皮带秤等）的在线监测、远程启停以及稳定控制；（2）工序段的连锁控制与故障保护；（3）DCS工业以太网和PROFIBUS-DP现场总线的网络搭建；（4）第三方成套设备通讯，包括半自磨球磨、渣浆泵和圆锥破碎机，实现其远程启停和数据监测；（5）实时报警以及历史报警记录；（6）WINCC画面通过WEB服务器发布到公司内部办公网。

2 DCS网络结构和硬件系统设计

2.1 DCS网络结构设计

整个磨矿过程控制系统网络结构包括现场设备单元、过程控制管理单元和过程监控管理单元，相互之间经过工业以太网、PROFIBUS-DP以及RS485进行数据传输和交换，实现控制系统的综合控制和管理，系统网络框架如图2所示[3]。过程控制单元包括PLC主控制系统和现场设备系统；PLC主控制系统是整个控制系统的核心部分，采用容错系统设计；过程监控管理单元的作用是将现场最新数据和运行状态通过上位机实时反馈给控制平台操作人员，操作人员根据系统设定的权限将给出的控制信息发送到现场控制层；监控层装配有1台工程师站和3台操作员站，操作员站是操作人员与其他分站进行信息交换、以及控制和监视系统的人机交互平台。工程师站的作用是工程师用于组织系统的控制层和设备层网络、编写控制程序、管理系统设备的平台。

2.2 DCS硬件系统设计

本系统的核心模块即中央处理器（CPU）采用417-5H型号，内置PROFIBUS-DP接口，通信能力极强，满足现场各种设备或仪表的通信要求，例如与成套AB SCL 500 PLC 的圆锥破碎机、成套西门子1500系统的球磨半自磨机等控制系统数据交换；处理器响应速度快，实时性强，能够快速将现场较多设备状态信号反馈到中控室，以及将中控室的控制信号传送到设备或仪表上；同时，当系统在停电或者故障掉电时，可以通过后备电池为CPU供电，从而避免数据丢失和现场连锁设备失去保护[4]。

同时结合现场设备或仪表的信号类型和数量，设计有相应的AI＼AO模块、DI＼DO模块、CP模块（接口）等硬件模块来采集和输出控制信号。现场AI信号需经过隔离栅的处理转化才能进入DCS控制系统，DO信号通过电磁继电器和DCS相连，实现电气信号完全隔离的安全保护。所有的控制功能都采用LAD语言和SCL语言编程完成的，而数据采集和信号调制均在I/O处理模块完成，I/O模块选型如表1所示。

3 磨矿过程控制策略分析

该磨矿过程控制策略主要包括逻辑控制和回路控制两方面，逻辑控制用于实现设备的启停逻辑控制，回路控制的作用是回路的动态调节。

3.1 逻辑控制策略

逻辑控制包括对设备一键启停、相关联锁和逻辑关系。在这里主要包括对给矿设备控制。为了解决物料供给中出现的问题，逻辑控制应包括以下功能：

（1）用户界面中设定有启动按钮，按下后程序开始执行，首先判断设备是否是否有故障，若有，上位机给出故障代码并显示启动失败；如无故障，系统根据程序编写的控制逻辑依次启动相关设备。

（2）用户界面上有正常停车和紧急停车的控制按钮，正常停车是按照生产工艺顺序依次停止设备运行。如果有突发状况或紧急情况，可通过紧急停车按钮，立刻停止所有设备的运行。

（3）在现场实际应用过程中，存在数据波动频繁和出现尖峰数据的情况，为避免该情况对工艺生产造成影响，对数据采用加权平均滤波法处理。程序中设定每200ms对现场数据采集一次，在OB35组织块下，每5次（约1秒）再取平均值，并作为变量最终的值[5]，如图3所示。

（4）定时自动切换功能，通过人为设定一个给矿周期（该时间可以通过上位机自由设定）来切换备用给矿机，从而防止结矿。

（5）通过在料仓顶部安装的雷达料位计，系统自动采集各個料仓的剩余料量，并分析各个料仓的状态，原则是有料循环工作，无料优化工作。

（6）当给料机故障时自动切换至正常设备，并给出报警信息。

（7）当料仓无料造成“断矿”时，系统自动切换至有料给料机。

3.2 回路控制策略

选矿生产过程中，在适当的位置安装相应测量仪表，并选择合适的执行机构即可实现基本的回路控制。在本项目磨矿过程中，为了使得进入浮选矿料满足标准，需要通过均匀给矿和比例给水，控制半自磨的矿料浓度维持在75%～80%，旋流器流出的矿料粒度为70μm，溢流浓度为30%～35%[6]。

3.2.1 均匀给矿实现

现场中间矿仓中的矿料虽大小不一，但呈现自然分级，中间料细，两边料较粗，同时防止板结，因此可采用以2号重板给料为主，1号、3号为辅，即以1号与2号给矿机和2号与3号给矿机的组合轮流给矿。1号和3号给矿机频率固定，自动控制回路的输出值作为2号给矿机设定值（2号矿石粒度更细，调整的灵敏度更高）。均匀给矿实现的结构框图为图4。

具体控制过程如下：

（1）正常情况下，3个给矿机均处在自动状态。开1号及2号给矿机或者2号及3号给矿机。

（2）若1号料位计高于3号，则先开1号，否则先开3号。

（3）若1号或3号料位低于下限值（如4米，可设定变量），则倒口至3号或1号给矿机。否则运行2小时后自动切换1号或者3号。

（4）给句设定值/给矿能力估算出给矿机大致的总频率，将1号或3号设定为总频率的1/3（或1/2，可根据调试情况调整）左右，但需要大于最低启动频率（如5Hz），且维持不变。以2号作为自动控制的输出对象。

（5）若2号料位低，则增大1号或者3号手动设定值；若2号频率大于45且矿量依然无法达到设定值，则说明2号料口已空。则开启1号或3号给料口，且将其中料位更高的那个作为自动控制的输出对象。

3.2.2 比例给水

根据设定的磨矿浓度和给矿量调整前水，根据设定的溢流浓度调整半自磨补加水和球磨补加水，优先使用回水，若回水阀门开度大于80%，则增大新水流量设定值。半自磨浓度调整流程图如图5所示，溢流浓度调整流程图如图6所示。

基础回路包括以下几个：

（1）新水半自磨前水与总流量闭环

（2）新水球磨补加水与总流量闭环；

（3）回水半自磨前水流量闭环；

（4）回水半自磨补加水流量闭环；

（5）回水球磨补加水流量闭环。

在基础回路的基础上，通过比例给水实现磨矿和溢流浓度的控制[7]。半自磨系统输入输出量示意图如图7所示，球磨系统输入输出量示意图如图8所示。

基本计算规则包括：

（1）磨矿浓度通过设定半自磨给料端给水设定值实现，采用回水管路。

（2）设磨矿浓度为C1，3号皮带皮带秤读数平均值W3，则半自磨给料端水设定值Q1=W3/C1-W3。其中磨矿浓度根据工艺需求，如0.75。若计算设定值低于10m3/h，则取10m3/h（防止断水，该值大小可设定）。若半自磨停止给矿，则延时5分钟后停止给水。

（3）设溢流浓度为C2，2号皮带皮带秤读数平均值W2，则需要总水量。其中溢流浓度根据工艺需求，如0.35。总水量减去前水后，则为补加水总水量，按照比例系数分别分配给半自磨和球磨补加水回水管路。

（4）若回水管路的调节阀门开度大于80%，则将调节阀门开度设定为80%，然后将新水球磨补加水流量设定值为Q2，Q2=半自磨给料端给水流量-回水半自磨补加水流量-回水补加水流量。

（5）半自磨后水要优先保证，即使停矿也得大于一定值，以保证振动筛的冲洗水。

4 WINCC画面实现

人机画面采用西门子WINCC V7.0版本软件设计并组态，通过集成的TCP/IP驱动与下位机PLC进行连接和通讯，并将下位机采集到的数据实时显示在人机界面中。

WINCC画面能够实现以下功能：（1）磨矿工艺流程总貌，实时显示各磨矿工艺段、成套设备和仪表的运行状态；（2）远程启停控制设备仪表；（3）各个工艺段设备或仪表连锁启停与保护；（4）均匀给矿与比例给水调节；（5）工艺参数实时曲线显示与历史曲线查询；（6）关键参数实时报警与历史报警查询；（7）WEB发布WINCC画面，使得在办公局域网络内能够通过IP查看人机画面。

5 总结

该DCS在某铜业一选厂现场投入使用后，效果明显得到改善。

（1）工艺指标得到保证：分级溢流粒度稳定在70%以上，精矿品位稳定在21%以上，金属回收率稳定在94%左右。生产稳定，且无大型生产事故，选厂连续生产时间达到30天以上。

（2）选厂处理量在设计能力的基础上提高5%以上：半自磨机设计日处理量为7000吨，现可稳定在7350吨以上。

（3）由于全流程自动控制，磨矿能耗与物耗（如球耗）大幅降低，同时杜绝了设备空转、半自磨涨肚等现象的发生。

参考文献：

[1]郭振宇，赵浩，刘继明，苏超.城门山铜矿选矿过程DCS系统设计与应用[J].有色金属工程，2012，2（05）：49-51+60.

[2]周玉才，庞威，焦科诚，罗小林，陈园园.大型选矿厂SABC流程的选择与优化[J].有色矿冶，2017，33（02）：41-45.

[3]陈保新.集散控制技术在选矿过程控制中的应用[D].中南大学，2007.

[4]胡志平.DCS系统在选矿厂的应用[J].湖南有色金属，2003（02）：

52-54.

[5]于鳳银，宋炳泉，杨巍，于凤燕.铜冶炼渣选矿Φ5.5×9.5m溢流型球磨机及DCS控制[J].甘肃冶金，2013，35（01）：113-115+119.

[6]赵大勇，岳恒，周平，柴天佑.基于智能优化控制的磨矿过程综合自动化系统[J].山东大学学报（工学版），2005（03）：119-124.

[7]仓冰南，王俊鹏，李云庆，王一兵.采用DCS和FCS相结合的自动化系统在黄金选矿厂中的应用[J].山东工业技术，2014（23）：58-60.