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〔摘要〕國外某銅鈷礦項目是一個采、選、冶聯(lián)合工程。在介紹全廠主要流程工藝的基礎上，分析了該廠自動化系統(tǒng)的設計思路、系統(tǒng)組成以及所實現(xiàn)的功能。該項目采用了集成#先金的 FF 總線、DP 總線控制、通訊技術的 DCS 控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了管理集中化、控制分散化、網(wǎng)絡協(xié)同化、決策智能化，構建了一座符合當今行業(yè)發(fā)展趨勢的智能化全流程生產(chǎn)企業(yè)。

迪茲瓦礦業(yè)位于剛果（金）南部盧阿拉巴省科盧韋齊市東約 35 km 處，是中國有色集團響應中國“一帶一路”號召，對接非洲發(fā)展，單體投資規(guī)模#大、運營模式#新、發(fā)展動能#強勁的海外銅鈷資源開發(fā)項目。迪茲瓦銅鈷礦項目是一個采、選、冶聯(lián)合工程。該項目為露天開采，采用粗碎、半自磨+球磨、攪拌浸出、CCD 逆流洗滌、萃取、電積工藝生產(chǎn)陰極銅;低銅萃余液經(jīng)除鐵、兩段沉鈷、過濾干燥生產(chǎn)粗制氫氧化鈷，設計采、選原礦處理能力 4 500 kt/a，年產(chǎn)陰極銅80 kt、氫氧化鈷含鈷（金屬量）8 kt。本文主要介紹該項目全廠 DCS 控制系統(tǒng)的設計及實現(xiàn)的功能。

1 全廠主要工藝流程

該廠含銅高品位礦石采用重型卡車直接運至破碎站， #大塊度 1 200 mm，經(jīng)旋回破碎機破碎至200 mm 以下后，經(jīng)皮帶轉(zhuǎn)運至中間礦倉。再經(jīng)重型板式給料機給到皮帶輸送機運入半自磨磨機—球磨系統(tǒng)，經(jīng)旋流器分級，沉砂給入球磨機，旋流器溢流經(jīng)濃密機脫水后進入浸出工序。

將磨礦的脫水底流礦漿、萃取的高銅萃余液進行調(diào)漿，在濃硫酸和二氧化硫的作用下，進行 10 級浸出。浸后的礦漿經(jīng)濃密+CCD 洗滌后，底流泵入尾礦庫，溢流為高銅富液，洗滌后液為低銅富液進入萃取系統(tǒng)。高銅富液、低銅富液采用萃取電積系統(tǒng)回收生產(chǎn)電解銅,高銅萃余液返回浸出系統(tǒng),低銅萃余液進入鈷回收系統(tǒng)。鈷回收系統(tǒng)采用二氧化硫空氣氧化中和除鐵— 二段沉鈷工藝回收制備氫氧化鈷。氫氧化鈷經(jīng)過濾、干燥、包裝成產(chǎn)品，沉鈷后液經(jīng)除鎂返回前段工序。

工藝流程圖見圖 1。

2 全廠自動化控制系統(tǒng)的設計

2.1 系統(tǒng)配置

本系統(tǒng)只設有 1 個中央控制室（設立在生產(chǎn)指揮中心），由 1 臺工程師站、6 臺操作員站、1 臺 PLUS站、1 臺應用服務器、1 臺 OPC 服務器、6 個 DCS 控制分站組成。按照生產(chǎn)流程控制區(qū)域劃分，在高位水池配電室、磨礦車間配電室、攪拌浸出車間配電室、電積 1 系列配電室、電積 2 系列配電室、沉鈷車間配電室分別設置 1 套好立的 DCS 冗余控制器。通過網(wǎng) 絡交換機、服務器/客戶端架構把各工序控制器集成在一起，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)操作控制中心，按照機電一體化集中指揮調(diào)度生產(chǎn)，全廠構成 1 套全流程生產(chǎn)過程控制的 DCS 系統(tǒng)。 DCS 系統(tǒng)品牌為美國艾默生 Delta V，系統(tǒng) I/O 卡件配置清單見表 1。

2.2 網(wǎng)絡結(jié)構

Delta V 系統(tǒng)網(wǎng)絡結(jié)構有以下幾個特點：

1）DeltaV 控制網(wǎng)絡構建在星形結(jié)構下；

2）Delta V 控制網(wǎng)絡是一個相對好立的局域以太網(wǎng)；

3）Delta V 控制網(wǎng)絡節(jié)點包括工作站和 Delta V 控制器節(jié)點，此外根據(jù)需要還可增加遠程 IO 節(jié)點、無線網(wǎng)關節(jié)點；

4）Delta V控制網(wǎng)絡所有的節(jié)點必須通過 Delta V 的認證，包括交換機及工作站；

5）每個 Delta V 系統(tǒng)必須有且只有 1 個主工程師站（PLUS 站）。

該項目 DCS 控制系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡結(jié)構，以生產(chǎn)調(diào)度中心網(wǎng)絡機柜為核心，分別通過光纜分別冗余敷設到 6 個生產(chǎn)車間配電室的 DCS 控制器。網(wǎng)絡拓撲結(jié)構圖如圖 2 所示。

整個系統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構分廠 3 個好立的網(wǎng)層級：現(xiàn)場設備層、過程控制層、操作管理層。

1）現(xiàn)場設備層采用的是 FF 總線儀表閥門和 DP總線控制現(xiàn)場智能馬達控制器、變頻器、第三方設備廠家提供的傳統(tǒng)檢測儀表與閥門、電機、泵等，構成基礎檢測與控制設備基礎層，主要完成過程數(shù)據(jù)采集處理、執(zhí)行上級操作命令，實現(xiàn)分散控制。

2）過程控制層采用的是各區(qū)域分站 DCS 控制器、現(xiàn)場 I/O 卡件以及第三方設備帶的 PLC 系統(tǒng)或專用控制設備（汽車衡計量設備、螺桿、離心風機專用控制器）。 DCS 控制器通過 DP 通訊卡，實現(xiàn) 205 臺變頻器、166 臺電機馬保、31 臺軟器設備的 DP 總線通訊控制；對于 42 套第三方設備，通過DP 通訊卡或Modbus 通訊卡，完成其在 DCS 系統(tǒng)上的集成。

3）操作管理層采用的是集中在中央控制室的操作站、工程師站、應用站、服務器等，主要對 DCS 系統(tǒng)進行組態(tài)、配置、調(diào)試和維護，對生產(chǎn)過程進行檢測和控制，對生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)進行歸檔管理和分析，將生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)共享至信息化系統(tǒng)。

2.3 FF 現(xiàn)場總線的設計及優(yōu)勢

2.3.1 FF 現(xiàn)場總線的構成單元

FF 現(xiàn)場總線的構成單元見圖 3。

2.3.2 FF 現(xiàn)場總線設計原則

FF 現(xiàn)場總線設計原則如下：1）現(xiàn)場安裝的變送器和閥門定位器采用 FF H1 通訊協(xié)議。 2）FF 變送器提供 AI 功能塊、自診斷和 LAS 功能，必須通過 ITK互操作性測試，與 DCS 軟件版本一致。 3）FF 閥門定位器提供 PID、AO、DI 功能塊，自診斷和 LAS 功能，必須通過 ITK 互操作性測試，應與 DCS 軟件版本一致。4）復雜控制 PID 功能或者復制計算功能，必須在DCS 控制器中完成。 5）FF 總線通訊電纜采用 18#AWG 0.8 mm2，7 股銅芯絞合，聚乙烯絕緣鋼絲鎧裝電纜，儀表和接線箱連線連接必須采用防爆電纜密封接頭。所有 FF 總線電纜屏蔽應在 DCS 機柜側(cè)接地，不允許在現(xiàn)場接地。 6）每個 H1 網(wǎng)段的 FF 總線主干線和分支電纜長度之和不大于 1 200 m，分支電纜長度盡可能短, 每個 H1 網(wǎng)段連接的總線儀表閥門總數(shù)量不超過 9 臺，其中 FF 閥門定位器（控制閥）不超過 2 臺。 7）單回路控制的 FF 變送器和 FF閥門定位器應分配在同一個 H1 網(wǎng)段中。 8）FF 現(xiàn)場總線 H1 網(wǎng)段供電電源及電源調(diào)節(jié)器必須冗余配置。 9）每個 H1 網(wǎng)段應配置二個終端器，一個在 FF電源調(diào)節(jié)器中，一個在 FF 接線箱中。

2.3.4 FF 現(xiàn)場總線的優(yōu)勢

FF 現(xiàn)場總線的優(yōu)勢包括以下方面：1）在本項目中，每個 FF 總線網(wǎng)段設計平均掛接 8 臺儀表，大大減少了儀表電纜總用量，控制模塊和控制機柜的數(shù) 量，降低了總投資成本，大大減少施工工作量和施工安裝工期。2）使用 FF 智能儀表閥門，在控制室的 DCS

上位機就可以完成絕大部分的調(diào)試工作，降低調(diào)試工作強度。 3）在項目的試車階段，可以通過上位機AMS 智能設備管理軟件對現(xiàn)場儀表進行調(diào)試和診斷。隨時可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場儀表的安裝過程中存在的問題，例如溫度變送器接線錯誤、一體化溫度變送器安裝錯誤等。 4）FF 現(xiàn)場儀表具

備控制功能，PID 控制邏輯可以下裝到閥門定位器中，現(xiàn)場測量儀表與控制閥直接通訊，構成控制回路，降低系統(tǒng)控制器的負荷，提高控制回路的響應速度。

2.4 實現(xiàn)的功能

1）工藝設備控制與操作方面，能實現(xiàn)：

（1）工序環(huán)節(jié)的一鍵啟停操作（如球磨區(qū)域皮帶與半磨機之間的開停車順序控制）。

（2）DCS 系統(tǒng)對第三方設備的操作控制，包括采用無縫對接方式，把第三方設備就地 PLC 操作面板搬遷到 DCS 系統(tǒng)上，使現(xiàn)場與遠程 DCS 之間操作模式一樣；且 DCS 系統(tǒng)不對第三方設備做任何邏輯判斷，只是通過與 PLC 通訊讀寫操作來實現(xiàn)遠程操控，而設備的控制、聯(lián)鎖保護在 PLC系統(tǒng)中完成。第三方設備的 DCS 遠程與就地控制模式切換不停機，可實現(xiàn)現(xiàn)場無人值守。

（3）實現(xiàn)單體設備的遠程手/自動操作與控制功能，主要指變頻器、馬保以及轉(zhuǎn)速、流量、壓力、液位、給料量等 PID調(diào)節(jié)回路的手自動操作。

2）對工藝設備控制邏輯與聯(lián)鎖保護邏輯，包括：

（1）對工藝工程流程設備的聯(lián)鎖控制邏輯（包括工序上下游設備的啟停聯(lián)鎖保護）；

（2）與第三方設備之間的聯(lián)鎖保護；

（3）設備故障情況下的聯(lián)鎖保護邏輯；

（4）緊急情況下以及全廠大停電情況下的設備開停順序控制。

3）對工藝數(shù)據(jù)的處理分析功能，包括：

（1）對工藝測量參數(shù)進行分類統(tǒng)計與累積等功能；

（2）對生產(chǎn) 操作數(shù)據(jù)、趨勢記錄、事件報警進行存儲，通過手機短信推送重要的報警信息。

4）通過 AMS 智能設備管理軟件，可以將被動維修轉(zhuǎn)化為預測性維修，現(xiàn)場智能設備的預測維護報警信息可傳送到 Delta V 系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的維護工作，并減少意外停車。 AMS 智能設備管理系統(tǒng)可方便地獲得關鍵設備信息，并對設備進行標定、組態(tài)及為預測性維護提供高級診斷。

3 總結(jié)

該項目自動化控制系統(tǒng)設計采用集成 FF 總線和 DP 總線技術的 DCS 控制系統(tǒng)，采用 FF 總線儀表閥門和 DP 總線控制的智能馬達控制器、變頻器及第三方設備 PLC，既減少了現(xiàn)場電纜敷設與施工量，又滿足了整個系統(tǒng)控制風險的分散，不僅可以節(jié)省項目工期及投資費用，而且可以減少儀表閥門備品備件種類，便于生產(chǎn)維護管理。海外的采選冶全流程工廠，如果還按照國內(nèi)選礦廠、冶煉廠的傳統(tǒng)管理模式，勢必造成企業(yè)的組織機構復雜，增加運營維護成本，且海外企業(yè)無法背靠國內(nèi)優(yōu)質(zhì)的人力資源市場，難以按照國內(nèi)模式組建隊伍。所以該項目建立了一個集全廠各區(qū)域操作人機界面、工業(yè)視頻監(jiān)控、調(diào)度廣播、專線電話、實時數(shù) 據(jù)采集、設備信息化管理、中央調(diào)度、參觀接待等多功能為一體的中央控制室，只需要少量的精干人員就可以完成全廠生產(chǎn)操作和調(diào)度，克服了傳統(tǒng)生產(chǎn) 操作中，信息傳遞環(huán)節(jié)多、周期長、響應速度慢、效率

低的弊端，提高了生產(chǎn)管理效率。