DCS系統(tǒng)在復(fù)雜金精礦冶煉系統(tǒng)中的應(yīng)用

范凌霄

(北京礦冶研究總院)

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DCS系統(tǒng)在復(fù)雜金精礦冶煉系統(tǒng)中的應(yīng)用

范凌霄

(北京礦冶研究總院)

摘要以某冶煉企業(yè)復(fù)雜金精礦開(kāi)發(fā)利用項(xiàng)目為例，從設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)架構(gòu)、軟硬件組成、控制方案等方面介紹了DCS系統(tǒng)在實(shí)際工作中的應(yīng)用情況。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)極大地提高了企業(yè)的生產(chǎn)和管理效率。

關(guān)鍵詞金精礦集散控制系統(tǒng)冶煉

集散控制系統(tǒng)(Distributed Control System)簡(jiǎn)稱DCS發(fā)展至今，其功能和性能都有大幅提高，系統(tǒng)的開(kāi)放性更好，穩(wěn)定性和標(biāo)準(zhǔn)化程度更高[1]。為了滿足企業(yè)對(duì)信息化和自動(dòng)化的要求，本著提高企業(yè)效益和生產(chǎn)管理水平的目的，越來(lái)越多的冶煉企業(yè)開(kāi)始采用DCS控制技術(shù)。本文以DCS控制技術(shù)在某復(fù)雜金精礦冶煉廠應(yīng)用為例，介紹基于西門(mén)子平臺(tái)的DCS系統(tǒng)的應(yīng)用情況。

1　工藝簡(jiǎn)介

某冶煉廠處理的來(lái)料為含砷3.25%、含硫26.5%的復(fù)雜金精礦，對(duì)金精礦采用的是兩段焙燒預(yù)處理工藝，即在第一段爐內(nèi)還原焙燒脫砷，第二段爐內(nèi)氧化焙燒脫硫，產(chǎn)生的二氧化硫煙氣制硫酸，燒渣用于酸浸提銅以及再氰化浸金，具體工藝流程見(jiàn)圖1。精礦在原礦車間進(jìn)行調(diào)漿，合格的礦漿通過(guò)軟管泵打到焙燒爐的料漿分配器，之后進(jìn)入焙燒爐進(jìn)行焙燒。焙燒過(guò)程產(chǎn)生的煙氣通過(guò)爐氣冷卻塔、旋風(fēng)收塵器、斜管沉淀器、高效洗滌器、填料塔、電除霧器進(jìn)行處理和凈化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化器、一吸塔、二吸塔進(jìn)行轉(zhuǎn)換和吸收得到高濃度硫酸[2]。焙燒產(chǎn)生的焙砂經(jīng)過(guò)水淬和酸浸后，送到φ15 m防腐濃密機(jī)1濃密，濃密機(jī)1溢流流入料液池，由于該溢流含有細(xì)粒礦物，需進(jìn)一步壓濾除雜，溢流由壓濾機(jī)壓濾后，濾液由泵送至銅萃取車間；濃密機(jī)底流送入φ15 m 防腐濃密機(jī)2洗滌，濃密機(jī)2底流用泵送入膠帶過(guò)濾機(jī)過(guò)濾，濾液返回濃密機(jī)1，濾餅送入調(diào)漿槽，用碳酸鈉粉末、氫氧化鈉溶液及回水調(diào)漿至礦漿pH值10.5～11.0后進(jìn)行再磨，再磨之后進(jìn)入兩浸兩洗的氰化流程。通過(guò)浸出與洗滌作業(yè)產(chǎn)出的含金貴液進(jìn)入鋅粉置換車間進(jìn)行處理，產(chǎn)生含金金泥，最后送入金泥精煉車間加工制成金錠。

采用該工藝可以實(shí)現(xiàn)金、砷、硫等有價(jià)元素的綜合利用，同時(shí)可以獲得更高的砷脫除率及金回收率[3]。另外，在整個(gè)工藝流程工段產(chǎn)生的氰化尾渣、含砷廢液、含氰貧液及硫酸廢水等有毒有害物，都通過(guò)泵池輸送到污水車間進(jìn)行處理，經(jīng)中和、消毒等工序?qū)U物進(jìn)行處理。

2　DCS系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

DCS控制系統(tǒng)是通過(guò)使用自動(dòng)化技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、圖形顯示技術(shù)構(gòu)建成的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)。在確保達(dá)到規(guī)定的工藝指標(biāo)要求及系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的目標(biāo)前提下，將全廠的運(yùn)營(yíng)決策、管理、調(diào)度、過(guò)程優(yōu)化、故障診斷、現(xiàn)場(chǎng)控制等功能集成在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，通過(guò)信息多層無(wú)縫連接，為實(shí)現(xiàn)全流程作業(yè)管控一體化及綜合信息處理構(gòu)建信息平臺(tái)[4]。

圖1　復(fù)雜金精礦處理工藝流程

整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)分為3個(gè)功能層，分別是管理層、控制層、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層。各層網(wǎng)能夠獨(dú)立運(yùn)行，各層網(wǎng)之間通過(guò)網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)隔離，保證自動(dòng)化系統(tǒng)的獨(dú)立性和安全性[5]。管理層主要功能是監(jiān)控和管理、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的可視化管理、人機(jī)交互和遠(yuǎn)程管理，另外，還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、歷史數(shù)據(jù)歸檔及WEB發(fā)布等功能?？刂茖又饕δ苁翘幚憩F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的狀態(tài)和過(guò)程數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)完成數(shù)據(jù)處理及回路控制。現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層主要負(fù)責(zé)采集實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)和執(zhí)行控制指令，包括檢測(cè)儀表和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等。

整個(gè)自控系統(tǒng)本著可靠性原則、易維護(hù)原則、可擴(kuò)展原則和負(fù)荷原則設(shè)計(jì)。

可靠性原則。要求系統(tǒng)在滿足工藝要求的基礎(chǔ)上能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，并具備抗各種干擾的能力，具有電源及信號(hào)防雷能力，滿足電磁兼容性和安全性的要求，采用的軟硬件系統(tǒng)是當(dāng)今自動(dòng)控制領(lǐng)域公認(rèn)的穩(wěn)定可靠的系統(tǒng)，且在整個(gè)系統(tǒng)的各網(wǎng)層之間實(shí)現(xiàn)隔離，保證各部分之間互不干擾。

易維護(hù)原則。要求系統(tǒng)易于維護(hù)，操作簡(jiǎn)便?？刂葡到y(tǒng)所采用的I/O模塊、CPU模塊支持熱插拔功能，帶電插拔而不損壞，且不影響其他模塊正常工作；單個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及線路的損壞只影響其對(duì)應(yīng)的操作站而不影響其他站點(diǎn)的操作及監(jiān)控。

可擴(kuò)展原則。要求系統(tǒng)具備靈活的擴(kuò)展能力，以確保將來(lái)廠房改擴(kuò)建的時(shí)候，滿足其對(duì)控制系統(tǒng)的擴(kuò)容要求。除了系統(tǒng)的硬件要求外，系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件也具有靈活的擴(kuò)展能力。

負(fù)荷原則。整個(gè)系統(tǒng)包括現(xiàn)場(chǎng)儀表、控制單元、工程師站、操作站、服務(wù)器、管理終端等，其負(fù)荷都不超過(guò)硬件、軟件處理能力的60%。

3　DCS系統(tǒng)功能層介紹

3.1管理層

管理層設(shè)備主要包括配備在中央控制室的工程師站、操作員站、數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、歷史服務(wù)器、WEB發(fā)布服務(wù)器，以及配備在各車間的現(xiàn)場(chǎng)操作員站。工程師站用于程序開(kāi)發(fā)、系統(tǒng)診斷和維護(hù)、控制系統(tǒng)組態(tài)、數(shù)據(jù)庫(kù)和畫(huà)面的編輯修改；操作員站可在組態(tài)畫(huà)面上匯集和顯示有關(guān)設(shè)備的運(yùn)行信息，供操作人員據(jù)此對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)控和控制；數(shù)據(jù)采集服務(wù)器收集和處理全廠所有的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，所有主站CPU和操作員站均與該服務(wù)器進(jìn)行通訊，為了安全性，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器采用冗余設(shè)計(jì)方案，兩臺(tái)服務(wù)器1備1用，任意1臺(tái)服務(wù)器故障后可隨時(shí)切換備用服務(wù)器，不會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)故障停機(jī)；歷史服務(wù)器保存了系統(tǒng)最近30 d內(nèi)的所有歷史數(shù)據(jù)，可供用戶隨時(shí)調(diào)取，便于故障后續(xù)排查；WEB發(fā)布服務(wù)器可以通過(guò)Internet方式對(duì)外發(fā)布系統(tǒng)畫(huà)面，管理人員無(wú)需進(jìn)入中控室，在辦公室即可通過(guò)上網(wǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)控全廠的生產(chǎn)運(yùn)行狀況，極大地提高了生產(chǎn)管理效率。

3.2控制層

根據(jù)工藝要求分別在焙燒收塵、制酸、氰化、焙砂酸浸、污水處理5個(gè)流程設(shè)置CPU主站，每個(gè)主站再分別下設(shè)遠(yuǎn)程分布式IO站。其中，焙燒收塵CPU主站集成焙燒收塵、調(diào)漿和石灰制備車間信號(hào)，IO站設(shè)置在水源泵站，集成該車間信號(hào)；制酸CPU主站集成轉(zhuǎn)化車間信號(hào)，下設(shè)2個(gè)IO站，分別集成凈化、干吸和循環(huán)水站信號(hào)；氰化CPU主站設(shè)置在鋅粉置換車間，集成鋅粉置換和洗滌車間信號(hào)，下設(shè)1個(gè)IO站，置于氰化車間，集成氰化和磨礦流程信號(hào)；焙砂酸浸CPU主站集成焙砂酸浸車間信號(hào)，下設(shè)2個(gè)IO站，集成銅萃取和電積車間信號(hào)；污水處理CPU主站集成污水車間信號(hào)，下設(shè)2臺(tái)IO站，集成金泥精煉和藥劑制備車間信號(hào)。

整個(gè)控制層集成了工業(yè)以太網(wǎng)、Profibus-DP、Modbus等總線通訊技術(shù)。各車間CPU主站與從站(遠(yuǎn)程IO、HMI、機(jī)電一體化大型設(shè)備的PLC智能接口等)之間通過(guò)Profibus-DP總線實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸；主站之間，主站與數(shù)據(jù)服務(wù)器、工程師站、操作員站等設(shè)備之間通過(guò)交換機(jī)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)，采用工業(yè)以太網(wǎng)的方式實(shí)現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)通訊。工業(yè)以太網(wǎng)的低成本、可靠和易于組網(wǎng)的特性，為信息層的設(shè)備連接提供了便利，同時(shí)，因?yàn)楝F(xiàn)場(chǎng)各車間主站之間往往距離較遠(yuǎn)，以太網(wǎng)可以通過(guò)光纖介質(zhì)延長(zhǎng)傳輸距離，提高信號(hào)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

3.3現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層由分布在流程工段的各參數(shù)檢測(cè)儀表、執(zhí)行機(jī)構(gòu)和控制設(shè)備組成。該功能層實(shí)現(xiàn)對(duì)全廠各單元生產(chǎn)過(guò)程參數(shù)、設(shè)備狀態(tài)、電氣參數(shù)的數(shù)據(jù)采集，并將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過(guò)硬接線或DP通訊上傳至控制層。另外，系統(tǒng)在現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層實(shí)現(xiàn)對(duì)關(guān)鍵生產(chǎn)過(guò)程環(huán)節(jié)的電氣控制，通過(guò)各環(huán)節(jié)對(duì)應(yīng)的控制機(jī)構(gòu)、電機(jī)、變頻器等實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的控制。另外，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層還包括了第三方設(shè)備，比如濃密機(jī)、壓濾機(jī)等。

3.4DCS系統(tǒng)配置

DCS系統(tǒng)配置如圖2所示。

圖2　DCS系統(tǒng)配置

4　過(guò)程回路控制方案

對(duì)整個(gè)工藝流程來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵環(huán)節(jié)的控制效果對(duì)產(chǎn)品的指標(biāo)有重要影響。以焙燒爐溫度及氣量控制、高位水池補(bǔ)加水控制、循環(huán)給水控制等幾個(gè)關(guān)鍵回路的控制為例，介紹相關(guān)回路的控制方案。

4.1兩段焙燒爐溫度及氣量控制

焙燒爐是冶煉廠的核心，焙燒系統(tǒng)的穩(wěn)定、控制的好壞直接影響到后續(xù)工段的穩(wěn)定和金屬回收率。其中焙燒爐的溫度控制和空氣量控制是關(guān)鍵因素。

在兩段焙燒爐的各層設(shè)置多組溫度檢測(cè)點(diǎn)，根據(jù)焙燒爐頂部的出口溫度控制礦漿分配器的加水量，保證爐內(nèi)溫度在合理范圍之內(nèi)。焙燒爐底部通過(guò)鼓風(fēng)機(jī)將一定量的空氣經(jīng)風(fēng)口鼓入焙燒爐內(nèi)，鼓風(fēng)機(jī)的出口風(fēng)管上安裝熱式流量計(jì)，用于檢測(cè)入爐風(fēng)量，鼓風(fēng)機(jī)采用變頻器控制，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)入爐風(fēng)量，確保一段焙燒為弱氧化氣氛，二段焙燒為氧化氣氛，從而保證爐內(nèi)焙燒氣氛。工藝流程如圖3所示。

4.2高位水池補(bǔ)加水回路控制

高位水池是整個(gè)廠區(qū)生產(chǎn)、生活用水來(lái)源，通常情況下高位水池供水由市政直接供給，通過(guò)安裝在市政供水管道上的壓力傳感器檢測(cè)市政供水是否正常。

圖3　焙燒工藝流程

當(dāng)市政停水時(shí)，加壓水泵自動(dòng)啟動(dòng)向廠區(qū)供水，當(dāng)高位水池液位到下限時(shí)，自備深水井水泵立即啟動(dòng)并向高位水池補(bǔ)水，補(bǔ)水水位到上限時(shí)水泵停止運(yùn)行。深水井水泵和加壓水泵配合進(jìn)行供水時(shí)，當(dāng)市政來(lái)水且水壓正常后，加壓水泵和水井泵停止運(yùn)行。此時(shí)高位水池進(jìn)水閥門(mén)開(kāi)啟由市政水向高位水池補(bǔ)水，同時(shí)向廠區(qū)直接供水，當(dāng)高位水池補(bǔ)水到上限時(shí)，進(jìn)水閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，市政水直接供至廠區(qū)，恢復(fù)正常供水。工藝流程如圖4所示。

圖4　高位水池工藝流程

4.3循環(huán)給水控制

在制酸工藝中，稀酸制備過(guò)程會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為滿足后續(xù)工藝要求，需對(duì)稀酸進(jìn)行降溫處理。采用板式換熱器通過(guò)循環(huán)水對(duì)稀酸進(jìn)行降溫，之后循環(huán)水返回循環(huán)水池，該控制回路的目標(biāo)是保證制酸工藝循環(huán)冷卻的效果。通過(guò)測(cè)量循環(huán)水池液位，測(cè)量進(jìn)入循環(huán)水池的新水流量，根據(jù)循環(huán)水池進(jìn)水管和出水管的溫度差，自動(dòng)開(kāi)關(guān)冷卻塔的數(shù)量和循環(huán)水泵的數(shù)量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)循環(huán)冷卻的最優(yōu)控制。工藝流程如圖5所示。

圖5　循環(huán)水工藝流程

4.4礦漿pH值調(diào)節(jié)控制

氰化流程采用的是國(guó)內(nèi)黃金冶煉廠普遍采用的兩浸兩洗的氰化工藝，從酸浸車間排出的礦漿通過(guò)泵送入泵池，經(jīng)pH調(diào)漿后輸送到氰化浸出車間。根據(jù)工藝要求，進(jìn)入氰化流程的礦漿pH值需要保持在11左右，在pH調(diào)漿槽上安裝1套pH計(jì)，并根據(jù)pH值自動(dòng)添加Na2CO3和NaOH，保證進(jìn)入氰化流程的礦漿pH值相對(duì)穩(wěn)定。為保證系統(tǒng)能自動(dòng)調(diào)節(jié)Na2CO3和NaOH添加量，Na2CO3螺旋給料機(jī)需采用變頻控制，NaOH儲(chǔ)備罐出口處安裝一套電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，通過(guò)閥門(mén)及變頻器實(shí)現(xiàn)pH值的自動(dòng)控制。工藝流程如圖6所示。

圖6　礦漿pH調(diào)節(jié)工藝流程

4.5旋流器分級(jí)穩(wěn)定控制

為保證旋流器分級(jí)穩(wěn)定，在旋流器頂部安裝1臺(tái)壓力檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)旋流器頂部壓力—泵池液位區(qū)間控制，即在液位上下限內(nèi)，采用壓力和旋流器給料泵組成閉環(huán)控制，在液位上下限外，采用泵池液位和旋流器給料泵組成閉環(huán)控制，最終達(dá)到在流程穩(wěn)定的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)分級(jí)穩(wěn)定。工藝流程如圖7所示。

圖7　旋流分級(jí)工藝流程

4.6氰化浸出槽pH值控制

1次浸出攪拌槽和2次浸出攪拌槽第1槽各安裝1臺(tái)pH計(jì)，共計(jì)2臺(tái)pH計(jì)，實(shí)現(xiàn)pH值下限報(bào)警，保證人身安全；同時(shí)通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)pH值，自動(dòng)控制Na2CO3的添加量，Na2CO3添加方式如下：儲(chǔ)槽上安裝1臺(tái)超聲波液位計(jì)，實(shí)現(xiàn)與上一級(jí)泵(藥劑制備車間)的液位聯(lián)鎖，儲(chǔ)槽出口安裝電動(dòng)調(diào)節(jié)閥來(lái)調(diào)節(jié)各點(diǎn)Na2CO3添加量。

4.7液位與泵池的連鎖控制

現(xiàn)場(chǎng)的多數(shù)儲(chǔ)槽、泵池等都安裝有超聲波液位計(jì)，通過(guò)液位的實(shí)時(shí)檢測(cè)和與泵的邏輯連鎖控制保證流程的安全性，且減少了工人的工作量。

5　結(jié)　語(yǔ)

DCS系統(tǒng)在該冶煉廠投入使用以來(lái)，一直穩(wěn)定可靠運(yùn)行，未出現(xiàn)因DCS系統(tǒng)原因?qū)е碌纳a(chǎn)事故，用戶反映非常好。同時(shí)，自控系統(tǒng)在保證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定的前提下，極大地提高了現(xiàn)場(chǎng)的生產(chǎn)管理效率，減少了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。

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(收稿日期2016-05-05)

Application of Distributed Control System in the Smelting System of Refractory Gold Concentrate

Fan Lingxiao

(Beijing General Research Institute of Mining & Metallurgy)

AbstractIntroduces an application of DCS system in an actual project from the following aspects, such as design ideas, system architechure, hardware, software and control methods. Through field practical operation, the system has greatly improved the efficiency of production and management.

KeywordsGold Concentrate,Distributed control system,Smelting

范凌霄(1983—),男，工程師，100160 北京市南四環(huán)西路188號(hào)總部基地十八區(qū)23號(hào)樓。