焙烧磨矿DCS 系统控制架构与数据通信研究①

刘 洋， 顾贵鸿， 卢 强， 邬青秀， 李 然， 曾尚林， 符嘉浚

（1.长沙矿冶研究院有限责任公司，湖南长沙410012；2.湖南长远锂科股份有限公司，湖南长沙410205；3.天津中德应用技术大学软件与通信学院，天津300350）

随着现代工业快速发展，综合管控能力增强和标准化提高，对生产自动控制水平提出更高要求［1］。 近年来稀贵金属市场较为低迷，很多冶炼厂通过技术改造项目提高综合回收效益。 某冶炼厂新上项目——稀贵金属综合回收技改工程，生产全流程长，设备较为分散，指标控制要求高。 集散控制系统（Distributed Control System，简称DCS 系统）是以微处理器为基础，采用控制功能分散、显示操作集中、兼顾分而自治和综合协调设计原则的新一代仪表控制系统，具有组态灵活多样、危险性分散和管控集中等优点［2］，在提高控制回路质量、安全稳定运行和加强生产管控方面显示了其优越性能，且能自我改善系统内部的软件工作环境。 本文将DCS 系统应用于该冶炼厂的过程监控和生产管控，以期为企业提供稳定可靠的工业数据以指导生产［3］。

1 系统工艺流程

该系统自动控制流程分为焙烧磨矿、富氧浸出和萃取精炼3 大部分，其中焙烧磨矿和富氧浸出共用一套DCS 控制系统。 相比传统的PLC 控制系统，采用DCS 具有编程工作量小、软硬件组态和维护方便、工程建设简单等优点，控制功能与信息通信稳定，硬件平台和软件平台形成一体化设计，控制系统画面具有友好性，迎合各类冶炼厂对控制系统的需求。

焙烧磨矿工艺流程主要为：料仓→滑架卸料器给料→回转焙烧→磨矿（雷蒙磨）→粉末收尘→星型卸料→气力输送→单螺旋计量→料浆搅拌。

2 DCS 系统架构及配置

DCS 控制系统架构主要由工程师ES 站（编程调试）、操作员OS 站（操作）、服务器、现场控制Clt 站（客户端）及通信网络5 个部分构成，可将焙烧磨矿车间过程优化、现场控制、故障诊断等功能集成在网络环境下，构建了综合信息平台，实现工艺过程的管控一体化处理［4］。

实现控制系统的3 个纵向功能层由监控层、控制层和执行层构成，该3 层结构以工厂网和终端网为2层横向网络架构和以实时／历史数据库和关系数据库为中心。 系统网络构架示意图见图1。

图1 系统网络架构示意

对于焙烧磨矿、富氧浸出监控层为数据处理控制中心，设有工程师站和单站各1 台、操作站和服务器（具有冗余服务器）各2 台，其中监控层对整个富氧浸出车间进行监测遥控。

1） 人机接口站。 本系统设有操作员站2 套、单站和工程师站各1 套，通过以太网工业交换机进行联接。

2） DCS 处理单元。 整个焙烧磨矿、富氧浸出DCS控制系统含控制器AS410 smart 冗余配置共1 对、双面IO 控制机柜4 个，采用DP 通信连接柜内双面及柜体之间，柜内共计ET200M 型I／O 扩展模块10 块、AI 模拟量输入卡件16 块（8 通道）、AO 模拟量输出卡件3块（8 通道）、DI 数字量输入卡件18 块（32 通道）和DO 数字量输出卡件30 块（8 通道）。

其中焙烧磨矿控制柜如图2 所示，具有DI 卡件2块、DO 卡件2 块和AI 卡件2 块。

图2 焙烧磨矿控制卡件

3） 其他外围设备。 包含智能交换机4 套、终端盒4 个和UPS 电源1 台。

整个焙烧磨矿车间由DCS 系统进行自动控制，其主要任务为：对该车间生产过程控制状态进行在线监视；监控设备运行参数；综合液位、流量等多种生产资料，可绘制多组趋势曲线用于查询和监测数据变化；记录所有生产设备状态、故障及操作。

3 焙烧及磨矿DCS 系统功能与控制层级

焙烧磨矿车间主要由料仓、螺旋给料机、滑架卸料器、焙烧炉、双螺旋破碎机、刮板机、雷蒙磨、罗茨风机、螺旋气力输送泵、旋风收尘器、布袋收尘器、星型卸灰阀、单管螺旋计量秤、料浆搅拌槽等组成，如图3 所示。

3.1 现场控制层

焙烧磨矿现场控制层是整个焙烧磨矿、富氧浸出控制系统中现场控制分站，由2 套具有双机热备、性能稳定可靠的AS410 Smart 处理器、各类模拟量检测仪表以及控制设备组成。

系统在该层实现了对提升机、皮带、料仓、螺旋给料机、滑架卸料器、焙烧炉、雷蒙磨、罗茨风机、粉末收尘、单管螺旋计量称及料浆搅拌槽等主要生产设备过程参数及低压柜等电气设备的控制和保护。 根据工艺控制的要求，对料仓料位、给料频率、雷蒙磨电流、中间仓料位、料浆搅拌槽液位及气体报警器等参数同时进行了监测和控制。

3.2 过程监控层

过程监控层是数据交换与显示的控制平台，由组网在工业以太网上的工程师站、单站、操作站以及服务器等5 台工控计算机及液晶显示屏幕等设备构成，其中服务器主要工作为管理网络上的系统数据。

图3 焙烧磨矿控制系统示意

过程监控层通过wincc 组态工具和软件实现焙烧磨矿车间所有仪表数据的集中监视和计算显示、现场各流程的控制组态、趋势曲线多样化显示、在线和归档数据处理以及实时控制指令等功能［5］。

4 DCS 系统的信息数据通信

4.1 焙烧炉信息通信

焙烧炉是焙烧磨矿系统中较为关键的设备，其主要功能是对矿粉进行烘干焙烧，炉腔温度在600 ℃左右，主控室需监控其运行状态，将其运行信号及温度频率等数据传送至DCS 系统［6］，免去人工现场查看运行数据。

对焙烧炉的监测主要为采集其运行数据，包括进料螺旋机频率、炉内和炉腔温度、筒体转速、出风和出料温度以及其他辅助设备运行和故障信号，如图4所示。

图4 焙烧炉监测画面示意

由于烘干炉自带PLC314C-2，为实现与DCS 通信，需加配CP342-5DP 通信硬件模块，并设置为DP从站。

DCS 系统中则添加CP342-5 软件模块，在DP 总线上添加CP342-5 DA03，保持硬件模块标识一致。

从烘干炉共计传送64 个数字量和16 个模拟量信号，占用72 个字节，即36 个字，为保持传送数据一致性，DCS 系统中CP342-5 下插入DP ID 共计32＋4个字。

为更加方便管理传送数据，新建FC400 功能块，调用SFC20（BLKMOV）对PD ID 地址进行打包传送至DB 数据块处理，如图5 所示。

采用SFC20 方式大大减少了工程师编程工作量，保持数据同源性，避免数据映射错误。

图5 FC400 功能块程序

4.2 雷蒙磨变频通信

雷蒙磨及其辅助设备也是整个焙烧磨矿系统中较为关键的设备，由雷蒙主机、主风机、分析机和收尘装置等组成，需在DCS 系统中对雷蒙磨的变频频率和电流进行监控。

雷蒙磨自带PLC200，采用EM277 通信获取雷蒙磨运行数据信息，变频器频率监控来源有两处——变频器和磨机PLC，对两者可兼用不同方式进行变频调速处理，本系统采用DP 总线通信方式，将变频器和PLC200 都并入中继REPEAT，且分别拨码地址。

在硬件组态中，添加安装丹佛斯EM277 的GSD文件并调用，设置与变频器对应地址，如图6 所示。

在CFC 编程中，为方便调试读取数据结果、核对结果准确性，可使用SEL_R 程序块作选择处理，经调试知，直接从变频器DP 通信读取频率数据准确，而通过PLC 的EM277 扩展模块读取频率相差10 Hz，可能DP 总线存在干扰，最终选择直接读取变频器频率。

5 系统应用效果

DCS 系统自2016 年12 月在某冶炼厂全面运行以来，运行稳定，现场人员减少三分之二以上，基本实现了远程控制和集中控制，保障了作业人员安全，人力成本直接和间接降低，且标准化与程序化管控生产过程使得生产指标一致性与整线产能得到提高，经济效益显著。

6 结 论

通过对某冶炼厂稀贵金属综合回收技术改造项目焙烧磨矿生产流程构建DCS 系统，有效地解决了生产过程控制与成套设备信息通信的全流程集中管控难点；同时通过分布式集中控制系统替代人工作业，提高了生产系统高效性、稳定性和安全性。 本项目实现了生产工艺流程与先进过程控制的典型应用，为其下一步建设智能冶炼工厂奠定了自动化基础条件。