Profibus现场总线在黄金选矿厂自动控制系统的应用

彭秀云，李 涛，段银联，尹丰丰

（1.北京矿冶研究总院,北京市100260；2.山东黄金集团三山岛金矿,山东莱州261442）

Profibus现场总线在黄金选矿厂自动控制系统的应用

彭秀云1，李 涛2，段银联2，尹丰丰1

（1.北京矿冶研究总院,北京市100260；2.山东黄金集团三山岛金矿,山东莱州261442）

以山东黄金选矿厂自动控制系统为例,分析了现场总线技术(FCS)在黄金选矿厂自动控制系统中应用的必要性及可行性,介绍了具体的现场总线设计方案及设备选型注意事项。实践证明,Profibus现场总线的应用,提高了系统的稳定性、可操作性和扩展性,使选矿厂能及时全面地掌握设备和生产状态,优化生产调度,保证产品质量和产量。

选矿生产过程控制；FCS总线技术；自动控制系统

按照IEC和现场总线基金会的定义,现场总线是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多分支结构的通信网络,其实质上是一个定义了硬件接口和通信协议的标准。从某种意义上讲,现场总线不单是通信技术,其重要的作用在于实现了智能仪表、通信网络及控制系统的集成,是将自动化最底层的现场控制器和现场智能仪表设备互连的实时控制通信网络[1]。Profibus总线因其通信速率快、协议开放安全、组网灵活可靠、接入点多、成本低及易于扩展等优点,常用来构成完全分散式的数字通信网络[2]。常用的Profibus协议有Profibus-DP和Profibus-PA两种,DP协议属于高速总线通信网络,用于实时性控制要求较高的设备如电动执行机构及电机类设备,而PA协议属于低速总线通信网络,主要用于信号采集，如压力、流量等变送器的信号采集[3]。

目前,国内大中型矿山选厂在工程建设中积极推广自动化、信息化、数字智能化技术,通过计算机网络系统实现在线优化生产调度和管理,使整个选矿生产过程处于最佳运行状态,最大限度地提高产量、金属回收率等技术经济指标,以达到高产优质、节能降耗的目的[4]。本文拟以三山岛金矿8 000 t/d选矿厂电力与综合自动化工程为例,探讨现场总线技术在黄金选矿厂自动控制系统的应用。

1 工程实例

三山岛金矿8 000 t/d选矿厂工艺流程包括破碎、磨矿浮选、精矿浓缩及过滤脱水、尾矿输送及处理、辅助流程5个部分内容。粗碎设在井下,矿石经箕斗提至地表矿仓,与外来矿石由皮带运至预先筛和闭路筛,合格产品经中细碎后进入粉矿仓，经过磨矿作业、分级作业、浮选作业、过滤作业,最终产品为精矿滤饼,然后由卡车外运至精炼厂。其关键工艺流程见图1。

图1 生产流程

2 应用现场总线的必要性及可行性分析

在选矿厂项目中,控制系统要完成的功能主要包括对工艺设备和生产流程数据的远程监控。现场的工艺设备集成大致分为4种：具有智能保护的设备、变频器控制设备、马达保护器控制设备以及第三方设备。为实现设备连锁启停、故障报警,稳定流程,操作和维护人员需要监控的信息和数据量较大,如电机的远程启动/停止、远程运行/停止、正常/故障等控制信号;皮带的跑偏、打滑等状态信号;以及电机电流检测信号,球磨机各种轴温、轴压的检测信号等;对于变频设备,还需要远程输出给定调频频率。三山岛金矿各车间工艺设备分布在14个车间，数量达195台(表1)。另一方面,为实现准确而实时的过程检测,控制系统需要对全流程的物位、重量、流量、压力、密度、温度等参数进行实时监测,如破碎各缓冲仓、磨矿和浮选各矿浆池的料位检测,浮选机液位充气量检测,辅助流程如石灰和药剂制备的添加量检测；以及对全厂水处理系统的监测,如给水泵站、选矿回水泵站、收尘水泵站流量和各水池的液位;同时,还需要使用高精度的检测仪表检测皮带运输机和精矿的矿量计量,磨矿各回路的矿浆流量、浓度检测等,从而确保球磨机的给矿平稳,磨矿粒度和浓度适合,浮选回收率达标。三山岛金矿新立矿区选用的检测和控制仪表分为17种,共计140台(表2)。

表1 电气和第三方设备统计

表2 检测控制仪表统计

考虑到整个选矿厂区面积大,设备分布广、类型多样,对控制系统的实时性、稳定性、可扩展和易维护性等均提出了严格的要求。上述电气设备和检测仪表如果采用常规的硬接线方式接入控制系统会带来几个问题：1)增加控制系统的设计成本。如果14个车间均采用硬接线方式接入数字量和模拟量输入/输出信号,每个车间需要增加数字量或模拟量输入/输出模块,部分的分布式IO站接入的模块数量超限,还需增加分布式IO站的数量。2)增加施工工程量。信号采用硬接线方式接入控制系统,增加施工布线的工作量。此外对于位置较高或难施工的位置,采用硬接线敷设电缆会明显加大工程的施工难度。3)增加空间设计。对于采用硬接线方式接入的信号,无论是控制柜、电缆桥架、电缆沟内均需预留足够的敷设空间。4)增加调试时间。除了增加接线的工作量外,校对接线的工作量也会增加,从而增加了系统调试时间。5)系统的可扩展性差。如果后续想增加控制设备或检测仪表,会受目前模块预留点数的限制。

而采用总线技术,能很好地解决这些问题：1)减少硬件投入。控制和检测信号的接入只需增加DP模块，对于PA仪表,另外增加DP/PA耦合器即可，极大地降低了在控制系统硬件上投入的费用。2)减少施工工程量,只需要通过总线便能完成信号的接入。3)极大地减少了空间设计。4)减少调试时间。调试人员只需设定设备或仪表的地址即可。5)接入设备多。根据IO站接入的数量,1个DP从站可以接入32个设备,每个线段的最大长度为1 200 m。当设备数多于32或扩大网络范围时,可使用中继器连接各个不同的网段。

鉴于现场总线在对工艺设备和生产流程数据的远程监控上的优势,表1中所有工艺设备的集成均可采用Profibus总线方式。而依据仪表的种类和数量,对于表2中所列的检测控制仪表,可以选择性地使用现场总线方式。除阀门外，Profibus总线仪表的使用可以到达80%以上。

在磨矿、浮选和精矿浓缩流程,根据处理量和生产的变化,可能会遇到矿量减少或设备维修，但仍需保证生产的正常、节能运行的情况。这就需要调整运行的设备,并对工艺管路进行切换。这意味着要在各矿浆、水、药剂输送管路上增加必要的阀门等执行机构进行管路流量截流,但是对于这些管路的切换控制频率并不高,为保证总线数据传输效率,可选用常规硬接线集成方式。

3 现场总线设计方案

3.1 划分全厂总线网络

按照工艺流程和车间划分网段(图2),根据全厂工段和岗位的不同设计了中细碎、磨浮、脱水和尾矿输送4个CPU主站,每个CPU站根据其功能和类型设计了不同的分布式IO和Profibus-DP从站。为减少干扰,对于电气和自动化设备较多的车间尽可能区分二者从不同从站接入。

图2 现场总线控制系统网络架构

3.2 确定各总线网络的拓扑结构

现场总线网络的拓扑结构是指用现场总线网络互连的各种现场设备的物理布局。网络的拓扑和波特率一起决定了网络的可用性、可靠性和实时性[5]。根据负荷要求,每个网段的DP从站数量最好不超过20个。电气设备、第三方设备和检测仪表等需要根据功能、位置接入不同的IO站或总线从站。尽管阀门的底层接入信号采用常规硬接线方式,但是在同整个控制系统进行通讯时,其采用了远程分布式IO方式将DP从站接入CPU站。对于Profibus-PA仪表,使用DP/PA耦合器接入到Profibus-DP总线中。对于距离较远的DP从站,如粉矿仓顶,将DP信号通过光缆传输至CPU站。从图2中可以看到不同的IO站和DP从站接入的工艺设备、电气设备和仪表等。

3.3 确定波特率

Profibus-PA物理层采用 IEC61158-2、同步Manchester编码传输,波特率固定为 31.25 kb/s。Profibus-DP波特率可选择9.6 kb/s至12 Mb/s,波特率越高,传输距离越短,该系统设置187.5 kb/s。

3.4 分配地址

1个 Profibus-DP网络支持的站点地址是0～ 127,将0～10预留,其他按接入的位置或设备类型分配使用。地址126保留用作设置从站,地址127保留用于全局控制或广播信息。1个Profibus-PA网段支持的站点地址是1～126,1个DP/PA连接器最多连接5个PA网段。

4 通讯电缆和网络设备选型

根据图2的系统架构,在设计现场总线设备选用时需要注意2点：1)注意选用具有屏蔽的专用通讯电缆。按照国际标准,Profibus电缆的特征阻抗、单位长度电容、回路电阻、缆芯直径和截面积,以及不同速率下传输的有效作用距离都是不同的,因此选用时应综合考虑。2)总线连接器需选用稳定可靠的9针D型接头,并在每个网段的末端接入终端电阻。现场总线所需的器件及专用电缆见表3。此外,在施工中需要注意可靠接地。电缆的外层屏蔽保护地应连接到每个站点的保护地上,以防止EMC干扰形成环路。

表3 检测控制仪表统计

5 总结

该总线控制系统自2013年7月竣工，投入使用1年来，运行良好，达到了设计目标。Profibus总线在该系统中得到了良好的应用。通过现场总线技术的使用,除降低硬件设计成本、节省空间外,系统的可扩展和易维护性,为生产流程和指标的优化提供了更大的空间。

[1] 陈在平.现场总线及工业控制网络技术[M].北京:电子工业出版社,2004:1-118.

[2] 夏琳琳,富兆龙,等.PROFIBUS-DP总线在变电站综合自动化通信网络中的设计研究[J].化工自动化及仪表,2012,39(2):212.

[3] 王小涛,李昱.现场总线控制在华能秦岭电厂的应用[J].电力信息化,2013(6):48.

[4] 刘春丽,刘小正.DCS、FCS控制系统在黑山沟选厂的应用[J].现代矿业,2013(6):164.

[5] 邓慧,张明,等.大型火电厂现场总线网络设计[J].中国电力,2009, 42(3):60.

The Application of Fieldbus in Auto-Control System of Gold Concentrator

PENG Xiuyun1,LI Tao2,DUAN Yinlian2,YIN Fengfeng1
（1.Beijing General Research Institute of Mining and Metallurgy，Beijing 100260，China;2.Shandong Golden Corporation Sanshan Island Golden Mine,Laizhou，Shandong 261442，China）

Take Shandong Golden Ore Treatment Plant as example,we analyze the application necessity and feasibility of FCS in golden mine auto-control system.Introduce the detailed FCS designing scheme and matters that related to model selection need attention.Practice has proved that the application of Profibus FCS can improve the stability,operability and expansibility of system so as to Ore Treatment Plant can grasp the status of equipment and production comprehensively,which can optimize the production scheduling and ensure the production quality and output.

control during dressing process;FCS Profibus;auto-control system

TP273

B

1004-4345(2014)04-0012-03

2014-04-29

国家高技术研究发展计划(863计划)(2011AA060203)。

彭秀云(1981—),女,工程师,主要从事选矿自动化研究工作。