现场总线技术在刚果（金）RTR 项目中的应用

林杨，胡申琛，黄仍杰

（1.中国有色金属建设股份有限公司，北京 100029；2.中国瑞林工程技术股份有限公司，江西南昌 330038）

1 现场总线技术概述

现场总线（Fieldbus）技术是近年来迅速发展起来的一种工业数据通信体系， 它主要解决的是工业现场的智能化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信以及这些现场控制设备和高级控制系统之间的信息传递问题， 是连接智能现场设备和自动化系统的全数字、双向、多站的通信系统[1]。由于其具有简单、可靠、经济实用等一系列突出的优点，成为替代传统4～20 mA 模拟信号及普通开关量信号传输的主要选择。

Profibus 现场总线技术是使用最广泛的现场总线之一，其标准由西门子为首的多家公司及研究单位推行。目前Profibus 可分为Profibus-DP、Profibus-PA两种：1）Profibus-DP，即分布式周边（Decentralized Peripherals），通信速率为 1.5 Mbit/s，用于设备级控制系统与分散式I/O 的通信。 它的设计旨在用于设备一级的高速数据传送。2）Profibus-PA，即过程自动化（Process Automation），通信速率为 31.25 kbit/s,专门用于自动化控制系统和现场仪表、 执行器之间的串行通信系统。它以符合国际标准的Profibus-DP 为基础， 增加了PA 总线应用行规以及相应的传输技术，使现场总线Profibus 不仅能用于离散制造业，也能够满足各种过程工业对控制的要求。

与传统的PLC 点对点的控制方法相比，现场总线控制系统具有较高的性能价格比、 可靠的数据传输、快速的数据响应以及强大的抗干扰能力、更高的系统测量和控制精度； 另外， 许多总线节点具有IP67 的防护等级，具有防水、防尘、抗振动的特性，可以直接安装于工业设备上，大量减少了现场接线箱。基于上述优点， 现场总线控制系统成为目前使用较为广泛的现场总线协议之一， 其应用领域包括制造业自动化、选矿冶金自动化、电力自动化等。 本文以刚果（金）RTR 铜湿法冶炼项目（以下简称“RTR 项目”）为例，介绍Profibus 现场总线技术在全厂范围内的应用情况。

2 RTR 项目概况

2.1 项目背景

RTR 项目位于刚果（金）卢阿拉巴省科卢韦齐市以西26 km，主要处理科卢韦齐选矿厂自1952 年起至今长达数十年间排出的Kingamyambo 和Musonoi 两处尾矿。 RTR 项目原由加拿大 First Quantum Mineral 公司（以下简称“FQM 公司”）作为第三任业主控股并负责开发。 2009 年9 月，因FQM公司与刚果金政府发生分歧，项目被迫停止。此时该项目大约已完成全部工程量的40%。

2012 年，ERG 集团通过一系列收购获得该项目95%的控股权，剩余5%股权由刚果（金）政府持有，项目公司更名为Metalkol 公司。

2016 年6 月， 中色股份与ERG 正式签署RTR项目一期EPC 总承包合同， 为业主提供工程设计、设备供货、设备安装、土建施工等工程承包服务，以完成该冶炼厂的复建工作，合同工期为24 个月。 目前，该项目已完成一期建设，2018 年10 月正式投料生产。 二期扩建项目也已于2018 年8 月开始施工。

2.2 项目特点

该项目拥有铜金属储量约1 499 kt， 铜平均品位 1.49%；钴金属储量 326 kt，钴平均品位 0.32%。一期工程达产后，年产铜70 kt，氢氧化钴产品含钴14 kt；二期将扩产至年产铜105 kt，氢氧化钴产品含钴20 kt。该项目存在以下特点。

1）工艺流程长。 Kingamyambo 尾矿采用高压水冲采法，Musonoi 河处尾矿深部采用船挖掘法， 浅部采用高压水冲采法。 高压水冲采法和船挖掘法用于砂型物料的开采已较为成熟。 采掘后的尾矿经过铜和钴的浸出试验，铜萃取试验，铜电积试验，除铁、锰和铝试验，镉、锌和铜离子交换试验，钴萃取试验，钴电积试验，最终确定了本项目的主体工艺流程见图1。

2）实施难度大。RTR 项目建设地点位于刚果（金），当地工业基础薄弱，专业技术人员匮乏。 以RTR 项目的体量，参照国内同类企业的自动化水平建设，无论在建设时期还是生产投运期间， 都需要大量工控领域专业人才投入。

3 自动化设计理念

由于先天条件的局限和项目建设地一些因素的制约，使RTR 项目的全厂自动化程度在整个工程建设和试运行阶段都显得尤为关键。 选择符合本项目自动化需求的关键技术有利于总包方节约采购、施工成本，缩短施工周期，简化调试程序，降低对运维的依赖。 RTR项目的全厂自动化建设主要从以下几个方面考虑。

3.1 装备智能化

该项目不同的工艺流程导致测量环境、 监测对象种类较多，因此需选用仪表的测量原理、类型也较多，在信号输出上应统一为同一种传输协议。基于该项目工艺过程较长，测点较多，在信号传输上应当选择速率较高、带宽较大的通信协议，减少设备调试的时间，简化设备维护流程[2]。

选择支持现场总线协议的智能仪表、 装备能够实现过程控制进一步分散下移， 实现真正意义上的“全数字”“全分散”控制。 由于现场总线通信技术具有精度高、重复性好、可靠性高等特点，同时支持双向通信和自诊断功能，使得智能装备，尤其是仪表的安装、使用和维护工作更为方便。

3.2 网络信息化

服务于RTR 项目的网络包括自动化系统工控网络、火灾报警的消防网络、门禁系统安防网络、流程与安全监控用 CCTV 网络、MES 和 ERP 办公网络、程控电话用VOIP 网络。 该项目在车间级、工厂级的网络规划时， 贯彻多网合一、 共缆不共芯的原则， 即在厂区的主要网络线缆敷设路径上使用多芯光缆，在车间、厂区节点设置网络盘，以达到简化网络施工、兼顾后期网络拓展的目的。

仪表设备通常分散在生产流程的各个环节，在线缆上缺乏通用路径、不增设大量汇线柜的情况下，难以通过共缆方式简化施工。 使用支持链路挂接的现场总线仪表能够克服上述难题， 同时延长仪表电缆的可敷设距离、拓展仪表电缆的信号带宽。

3.3 控制分散化

考虑到各车间在地理位置上的距离， 以及工艺流程的相对独立性， 控制系统的选择应当优先考虑小生产区域自成体系，在每一个车间、工段设置独立的控制分站，担负起车间级的信号采集、控制执行。控制分站再通过工业以太网接入工厂级的工控网络，与厂区的其他部分形成一个整体，却又不受其他生产区域的影响[3]。

整个厂区生产自动化控制按照生产流程控制区域划分， 每个工序各自设置1 套独立的DCS 控制器。 通过采用点对点，或者服务器/客户端的构架把各工序控制器集成在一起。这样做的优势包括：1）克服了传统系统模式中相对独立的弊端。 早期的系统设计都是按照工序来配置各自完全独立的DCS 系统。 其系统网络结构、组态画面都是分开的，工序与工序之间没有联系，系统之间相对封闭，不利于上下游工序管理。 2）控制器分散布置，有助于减少施工、分散风险。将控制器分散在各工序中，控制机柜或远程I/O 机柜设置在各个生产作业区的控制室或低压配电室中，既减少了现场电缆敷设与施工量，又满足了整个系统控制风险的分散。 3）星型网络结构提升系统可靠性。 整个DCS 控制系统网络架构，采用星型网络结构，即以中央集中控制室为网络核心，作为核心交换机， 分别通过光缆或以太网分别敷设到4个独立的DCS 控制室。 这样的好处是，一旦某一个控制室的网络光缆出现问题， 不会影响中控室对其他控制室的正常监视与操作， 提升了整个系统的可靠性[4]。4）节省投资、方便维护管理。采用控制分散化设计不仅可节省整个DCS 系统投资费用，而且可减少备品备件种类与备件费用，方便维护管理、生产操作与调度管理。5）便于系统与上一级应用集成，以及整个生产流程集成优化和协同运作， 最大限度地发挥工厂的潜力。

3.4 操作集中化

该项目地处海外，如果按照国内选矿厂、冶炼厂的管理模式，由各车间负责上位机操作、流程巡检、问题处理，势必会造成企业组织机构复杂，增加运营维护成本。 且海外企业无法背靠国内优质的人力资源市场，难以按照国内模式组建队伍，因此此类项目亟需建立一个能够担负起全厂各生产区域监视控制的中央控制室，实现操作的集中化。借助现场先进的检测执行元件、 丰富多样的网络节点和分散化布局的控制分站，通过集过程人机界面、工业电视、调度广播、专线电话、实时数据采集、设备信息化管理、中央调度、参观接待、会议等多功能为一体的中央调度监控仪表室， 只需配备少量的精干操作人员就可以实现生产扁平化管理与快速响应。

4 项目具体配置

4.1 分布式采集

整个工厂被细分为11 个相对独立的生产区域，由分布于现场不同配电室的12 套主工艺流程PLC完成对整个工厂的分布式控制。 生产操作人员在中央控制室（CCR）对全厂实施监控。 由于控制器下沉至各车间，各车间内部的逻辑运算相对独立，即使某一台控制站离线， 不会影响全厂范围的工艺过程控制，保证了整个系统的容错性和稳定性。Profibus-PA和Profibus-DP 设备的投用使分布式采集的前端由PLC 机柜内的I/O 模块延伸到了分布于现场各处的总线集线器。

4.2 全数字化工控网络

RTR 项目形成了工厂层级Profinet 专网、 车间层级Profibus-DP 总线链路、 现场层级Profibus-PA链路的全数字化通信体系。

4.3 Profibus-PA 仪表

该项目采用了759 台支持Profibus-PA 总线通信协议的自动化仪表、阀门定位器，分别部署在现场的不同生产区域，实时监测包括流量、料位、温度、pH 值在内的生产过程参数。通过Profibus-PA 技术，过程控制系统可以通过PID 模块控制任意一台调节阀的开度。 区别于传统的4～20 mA 信号，Profibus-PA 串行通信系统的速率可达到32.25 kbit/s，使得现场仪表和控制室之间数据联系更加丰富。 通过上位仪表设备管理软件， 生产操作人员可以在控制室读取每一台仪表设备的自诊断信息， 极大简化了仪表的调试和维护工作。

4.4 Profibus-DP 智能马达保护器

该项目采用了633 台支持Profibus-DP 总线通信协议的智能马达保护器、变频器，使操作员在中央控制室可以通过程序自动和远程半自动方式启动和停止任意一台电控设备。 除了与人身安全相关的急停、 拉绳开关以及设备保护相关的过载信号采用硬线连接外，所有的电机启停、调速均由SCADA 系统通过Profibus-DP 总线通信把指令送达。用户可以自定义选择需要上传至中央控制系统的设备状态与诊断信息，而不是依赖人工巡检，或等设备出现严重故障后才发现问题。

4.5 现场总线设备诊断

过程设备管理器（SIMATIC PDM）是用于智能过程设备和自动化组件的组态、参数赋值、试运行、诊断和维护的跨制造商通用工具。 通过SIMATIC PDM单一的软件程序就可以对不同制造商生产的各种现场设备进行组态。 过程设备数据可以方便地设置、修改，检查似真性，管理和仿真。 此外，操作人员还可以在线监视设备所选的过程值、报警和状态信号[5]。RTR 现场PDM 管理维护界面Profibus 网络拓扑见图2。

传统仪表的维护方式是系统报错后， 技术人员去现场查找原因。 采用SIMATIC PDM 后，技术人员配合Profibus-PA 仪表就可以在上位机上读取到仪表的故障原因，然后直接处理故障。

5 技术应用优势

通过现场总线技术在刚果（金）RTR 项目中的应用，该项目实现了基础自动化层面的数字化。现场总线技术在该项目中体现出的优势可以归结为以下几点。

5.1 节省硬件投资费

由于现场总线系统中分散在设备前端的智能设备能直接执行多种传感、控制、报警和计算功能，因而可减少变送器的数量，不再需要单独的控制器、计算单元等，也不再需要DCS 系统的信号调理、转换、隔离技术等功能单元及其复杂接线， 还可以用工控PC 机作为操作站，从而节省了一大笔硬件投资和控制室的占地面积[6-7]。

5.2 节省安装费用

现场总线系统的接线十分简单。 一对双绞线或一条电缆上通常可挂接多个设备，因而电缆、端子、槽盒、桥架的用量大大减少，连线设计与接头校对的工作量也大大减少。当需要增加现场控制设备时，无需增设新的电缆， 可将新增设备就近连接在原有的电缆上，既节省了投资，也减少了设计、安装、调试的工作量。

以RTR 项目的170 子项为例，该子项总共使用Profibus-PA 仪表 188 台，总线集线器总计 27 台，分支电缆总长2 425 m， 平均每台仪表使用线缆长12.9 m；主干电缆总长 2 850 m，分为 14 个网段，平均每网段搭载仪表13.4 台， 网段干线平均长度为203.6 m（平均网段链路中第一个总线集线器敷设电缆长度约 165 m)。 如使用传统 4～20 mA 仪表，同样采用27 台仪表接线箱，每台仪表接线箱的系统侧均采用多芯电缆与DCS 连接，那么系统侧多芯电缆总长度需要5 497.2 m。接线箱连接现场仪表需要2 芯屏蔽电缆2 425 m。 在海外施工费较高的建设项目中，电缆敷设和安装的施工费用差距更加明显。

5.3 提高集成兼容性

现场总线是国际通用的通信协议， 项目建设时期可以任意选择不同设备厂商所提供的设备来集成系统， 避免了因选择了某一品牌产品而被限制了设备选择范围的情况， 不再会为系统集成中不兼容的协议、接口而一筹莫展。

5.4 缩短投运调试工期

总线仪表和设备的大量运用大幅缩短了系统调试的时间， 借助于SCADA 高度集成的设备管理平台，中央控制室在工厂机械竣工以后就可以投入使用主导智能仪表、阀门以及设备成套PLC 的在线调试。

5.5 节省后期维护工作量

在日常维护过程中，借助设备管理平台，可以检测到每一台总线仪表的诊断信息和故障状态， 大幅减少了仪表维护的工作量。 由于现场控制设备具有自诊断与简单故障处理的能力， 并通过数字通信将相关的诊断维护信息送往控制室， 用户可以查询所有设备的运行、诊断、维护信息，以便早期分析故障原因并快速排除。 这大大缩短了维护停工时间。

5.6 提高系统稳定性

与模拟信号相比，现场总线设备的智能化、数字化从根本上提高了测量与控制的准确度， 减少了传送误差。 同时，由于系统的结构简化、设备与连线减少、 现场仪表内部功能加强， 减少了信号的往返传输，提高了系统的工作可靠性。

6 结语

刚果（金）RTR 项目一期工程已顺利投产。 在该项目一期工程中，共使用了759 台Profibus-PA 现场总线仪表设备和633 台Profibus-DP 现场总线设备，全部运转正常。 应用结果表明，Profibus 现场总线技术在降低工程造价、提高集成兼容性、缩短投运调试工期、降低后期维护工作量、提高系统稳定性等方面具有积极意义。 目前，刚果(金)RTR 项目二期工程正在建设中， 预计将在原有规模基础上再增加250 台Profibus-PA 现场总线仪表设备和180 台Profibus-DP现场总线设备。 Profibus 现场总线技术在RTR 项目上的成功应用能为该技术在海外其他矿山项目中的推广提供参考。