DCS系统在复杂金精矿冶炼系统中的应用

范凌霄

(北京矿冶研究总院)



DCS系统在复杂金精矿冶炼系统中的应用

范凌霄

(北京矿冶研究总院)

摘要以某冶炼企业复杂金精矿开发利用项目为例，从设计思路、系统架构、软硬件组成、控制方案等方面介绍了DCS系统在实际工作中的应用情况。经现场实际运行，该系统极大地提高了企业的生产和管理效率。

关键词金精矿集散控制系统冶炼

集散控制系统(Distributed Control System)简称DCS发展至今，其功能和性能都有大幅提高，系统的开放性更好，稳定性和标准化程度更高[1]。为了满足企业对信息化和自动化的要求，本着提高企业效益和生产管理水平的目的，越来越多的冶炼企业开始采用DCS控制技术。本文以DCS控制技术在某复杂金精矿冶炼厂应用为例，介绍基于西门子平台的DCS系统的应用情况。

1　工艺简介

某冶炼厂处理的来料为含砷3.25%、含硫26.5%的复杂金精矿，对金精矿采用的是两段焙烧预处理工艺，即在第一段炉内还原焙烧脱砷，第二段炉内氧化焙烧脱硫，产生的二氧化硫烟气制硫酸，烧渣用于酸浸提铜以及再氰化浸金，具体工艺流程见图1。精矿在原矿车间进行调浆，合格的矿浆通过软管泵打到焙烧炉的料浆分配器，之后进入焙烧炉进行焙烧。焙烧过程产生的烟气通过炉气冷却塔、旋风收尘器、斜管沉淀器、高效洗涤器、填料塔、电除雾器进行处理和净化，再经过转化器、一吸塔、二吸塔进行转换和吸收得到高浓度硫酸[2]。焙烧产生的焙砂经过水淬和酸浸后，送到φ15 m防腐浓密机1浓密，浓密机1溢流流入料液池，由于该溢流含有细粒矿物，需进一步压滤除杂，溢流由压滤机压滤后，滤液由泵送至铜萃取车间；浓密机底流送入φ15 m 防腐浓密机2洗涤，浓密机2底流用泵送入胶带过滤机过滤，滤液返回浓密机1，滤饼送入调浆槽，用碳酸钠粉末、氢氧化钠溶液及回水调浆至矿浆pH值10.5～11.0后进行再磨，再磨之后进入两浸两洗的氰化流程。通过浸出与洗涤作业产出的含金贵液进入锌粉置换车间进行处理，产生含金金泥，最后送入金泥精炼车间加工制成金锭。

采用该工艺可以实现金、砷、硫等有价元素的综合利用，同时可以获得更高的砷脱除率及金回收率[3]。另外，在整个工艺流程工段产生的氰化尾渣、含砷废液、含氰贫液及硫酸废水等有毒有害物，都通过泵池输送到污水车间进行处理，经中和、消毒等工序对废物进行处理。

2　DCS系统架构设计

DCS控制系统是通过使用自动化技术、计算机技术、网络技术、数据库技术、图形显示技术构建成的综合自动化系统。在确保达到规定的工艺指标要求及系统稳定可靠运行的目标前提下，将全厂的运营决策、管理、调度、过程优化、故障诊断、现场控制等功能集成在网络环境下，通过信息多层无缝连接，为实现全流程作业管控一体化及综合信息处理构建信息平台[4]。

图1　复杂金精矿处理工艺流程

整个自动控制系统分为3个功能层，分别是管理层、控制层、现场设备层。各层网能够独立运行，各层网之间通过网关实现隔离，保证自动化系统的独立性和安全性[5]。管理层主要功能是监控和管理、实时数据的可视化管理、人机交互和远程管理，另外，还可以实现对数据实时采集、历史数据归档及WEB发布等功能。控制层主要功能是处理现场设备的状态和过程数据，实时完成数据处理及回路控制。现场设备层主要负责采集实时数据和执行控制指令，包括检测仪表和执行机构等。

整个自控系统本着可靠性原则、易维护原则、可扩展原则和负荷原则设计。

可靠性原则。要求系统在满足工艺要求的基础上能长期稳定运行，并具备抗各种干扰的能力，具有电源及信号防雷能力，满足电磁兼容性和安全性的要求，采用的软硬件系统是当今自动控制领域公认的稳定可靠的系统，且在整个系统的各网层之间实现隔离，保证各部分之间互不干扰。

易维护原则。要求系统易于维护，操作简便。控制系统所采用的I/O模块、CPU模块支持热插拔功能，带电插拔而不损坏，且不影响其他模块正常工作；单个网络设备及线路的损坏只影响其对应的操作站而不影响其他站点的操作及监控。

可扩展原则。要求系统具备灵活的扩展能力，以确保将来厂房改扩建的时候，满足其对控制系统的扩容要求。除了系统的硬件要求外，系统软件和应用软件也具有灵活的扩展能力。

负荷原则。整个系统包括现场仪表、控制单元、工程师站、操作站、服务器、管理终端等，其负荷都不超过硬件、软件处理能力的60%。

3　DCS系统功能层介绍

3.1管理层

管理层设备主要包括配备在中央控制室的工程师站、操作员站、数据采集服务器、历史服务器、WEB发布服务器，以及配备在各车间的现场操作员站。工程师站用于程序开发、系统诊断和维护、控制系统组态、数据库和画面的编辑修改；操作员站可在组态画面上汇集和显示有关设备的运行信息，供操作人员据此对生产过程进行监控和控制；数据采集服务器收集和处理全厂所有的实时数据，所有主站CPU和操作员站均与该服务器进行通讯，为了安全性，数据采集服务器采用冗余设计方案，两台服务器1备1用，任意1台服务器故障后可随时切换备用服务器，不会导致系统故障停机；历史服务器保存了系统最近30 d内的所有历史数据，可供用户随时调取，便于故障后续排查；WEB发布服务器可以通过Internet方式对外发布系统画面，管理人员无需进入中控室，在办公室即可通过上网实时监控全厂的生产运行状况，极大地提高了生产管理效率。

3.2控制层

根据工艺要求分别在焙烧收尘、制酸、氰化、焙砂酸浸、污水处理5个流程设置CPU主站，每个主站再分别下设远程分布式IO站。其中，焙烧收尘CPU主站集成焙烧收尘、调浆和石灰制备车间信号，IO站设置在水源泵站，集成该车间信号；制酸CPU主站集成转化车间信号，下设2个IO站，分别集成净化、干吸和循环水站信号；氰化CPU主站设置在锌粉置换车间，集成锌粉置换和洗涤车间信号，下设1个IO站，置于氰化车间，集成氰化和磨矿流程信号；焙砂酸浸CPU主站集成焙砂酸浸车间信号，下设2个IO站，集成铜萃取和电积车间信号；污水处理CPU主站集成污水车间信号，下设2台IO站，集成金泥精炼和药剂制备车间信号。

整个控制层集成了工业以太网、Profibus-DP、Modbus等总线通讯技术。各车间CPU主站与从站(远程IO、HMI、机电一体化大型设备的PLC智能接口等)之间通过Profibus-DP总线实现数据传输；主站之间，主站与数据服务器、工程师站、操作员站等设备之间通过交换机实现互联，采用工业以太网的方式实现相互之间的数据通讯。工业以太网的低成本、可靠和易于组网的特性，为信息层的设备连接提供了便利，同时，因为现场各车间主站之间往往距离较远，以太网可以通过光纤介质延长传输距离，提高信号传输的稳定性。

3.3现场设备层

现场设备层由分布在流程工段的各参数检测仪表、执行机构和控制设备组成。该功能层实现对全厂各单元生产过程参数、设备状态、电气参数的数据采集，并将实时数据通过硬接线或DP通讯上传至控制层。另外，系统在现场设备层实现对关键生产过程环节的电气控制，通过各环节对应的控制机构、电机、变频器等实现对生产过程的控制。另外，现场设备层还包括了第三方设备，比如浓密机、压滤机等。

3.4DCS系统配置

DCS系统配置如图2所示。

图2　DCS系统配置

4　过程回路控制方案

对整个工艺流程来说，关键环节的控制效果对产品的指标有重要影响。以焙烧炉温度及气量控制、高位水池补加水控制、循环给水控制等几个关键回路的控制为例，介绍相关回路的控制方案。

4.1两段焙烧炉温度及气量控制

焙烧炉是冶炼厂的核心，焙烧系统的稳定、控制的好坏直接影响到后续工段的稳定和金属回收率。其中焙烧炉的温度控制和空气量控制是关键因素。

在两段焙烧炉的各层设置多组温度检测点，根据焙烧炉顶部的出口温度控制矿浆分配器的加水量，保证炉内温度在合理范围之内。焙烧炉底部通过鼓风机将一定量的空气经风口鼓入焙烧炉内，鼓风机的出口风管上安装热式流量计，用于检测入炉风量，鼓风机采用变频器控制，通过变频调节入炉风量，确保一段焙烧为弱氧化气氛，二段焙烧为氧化气氛，从而保证炉内焙烧气氛。工艺流程如图3所示。

4.2高位水池补加水回路控制

高位水池是整个厂区生产、生活用水来源，通常情况下高位水池供水由市政直接供给，通过安装在市政供水管道上的压力传感器检测市政供水是否正常。

图3　焙烧工艺流程

当市政停水时，加压水泵自动启动向厂区供水，当高位水池液位到下限时，自备深水井水泵立即启动并向高位水池补水，补水水位到上限时水泵停止运行。深水井水泵和加压水泵配合进行供水时，当市政来水且水压正常后，加压水泵和水井泵停止运行。此时高位水池进水阀门开启由市政水向高位水池补水，同时向厂区直接供水，当高位水池补水到上限时，进水阀门自动关闭，市政水直接供至厂区，恢复正常供水。工艺流程如图4所示。

图4　高位水池工艺流程

4.3循环给水控制

在制酸工艺中，稀酸制备过程会产生大量的热量，为满足后续工艺要求，需对稀酸进行降温处理。采用板式换热器通过循环水对稀酸进行降温，之后循环水返回循环水池，该控制回路的目标是保证制酸工艺循环冷却的效果。通过测量循环水池液位，测量进入循环水池的新水流量，根据循环水池进水管和出水管的温度差，自动开关冷却塔的数量和循环水泵的数量，从而实现对循环冷却的最优控制。工艺流程如图5所示。

图5　循环水工艺流程

4.4矿浆pH值调节控制

氰化流程采用的是国内黄金冶炼厂普遍采用的两浸两洗的氰化工艺，从酸浸车间排出的矿浆通过泵送入泵池，经pH调浆后输送到氰化浸出车间。根据工艺要求，进入氰化流程的矿浆pH值需要保持在11左右，在pH调浆槽上安装1套pH计，并根据pH值自动添加Na2CO3和NaOH，保证进入氰化流程的矿浆pH值相对稳定。为保证系统能自动调节Na2CO3和NaOH添加量，Na2CO3螺旋给料机需采用变频控制，NaOH储备罐出口处安装一套电动调节阀，通过阀门及变频器实现pH值的自动控制。工艺流程如图6所示。

图6　矿浆pH调节工艺流程

4.5旋流器分级稳定控制

为保证旋流器分级稳定，在旋流器顶部安装1台压力检测器，实现旋流器顶部压力—泵池液位区间控制，即在液位上下限内，采用压力和旋流器给料泵组成闭环控制，在液位上下限外，采用泵池液位和旋流器给料泵组成闭环控制，最终达到在流程稳定的基础上实现分级稳定。工艺流程如图7所示。

图7　旋流分级工艺流程

4.6氰化浸出槽pH值控制

1次浸出搅拌槽和2次浸出搅拌槽第1槽各安装1台pH计，共计2台pH计，实现pH值下限报警，保证人身安全；同时通过实时检测pH值，自动控制Na2CO3的添加量，Na2CO3添加方式如下：储槽上安装1台超声波液位计，实现与上一级泵(药剂制备车间)的液位联锁，储槽出口安装电动调节阀来调节各点Na2CO3添加量。

4.7液位与泵池的连锁控制

现场的多数储槽、泵池等都安装有超声波液位计，通过液位的实时检测和与泵的逻辑连锁控制保证流程的安全性，且减少了工人的工作量。

5　结　语

DCS系统在该冶炼厂投入使用以来，一直稳定可靠运行，未出现因DCS系统原因导致的生产事故，用户反映非常好。同时，自控系统在保证生产工艺稳定的前提下，极大地提高了现场的生产管理效率，减少了工作人员的劳动强度。

参考文献

[1]吴建国,张培建,瞿国庆.基于PLC的计算机集散控制系统设计[J]. 南通工学院学报：自然科学版,2004,3(2):57-60.

[2]李新春,郭持皓.新疆阿希金矿含砷难处理金精矿两段焙烧工艺[J].有色金属工程,2014,4(1):36-42.

[3]李海涛,谭长有.自控系统在复杂金精矿湿法冶炼工艺中的应用[J].铜业工程,2014(2):12-14.

[4]窦雪梅.基于以太网的自动污水处理控制系统探讨[J].科技与企业,2012(11):115.

[5]赵光华,曾旭峰.DCS系统在水厂自动化中的应用[J].广东自动化与信息工程,2005,26(3):13-14.

(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，工程师，100160 北京市南四环西路188号总部基地十八区23号楼。