基于FCS的選礦自動化控制系統設計
摘 要:本文根據某選礦廠的工藝流程,設計出主要通過PLC對選礦廠各環節進行控制的自動化系統并進行基于FCS的系統構架配置,同時對選礦廠軟件控制系統進行了設計。通過對系統控制特點進行分析,該系統的設計理念先進,為國內選礦廠自動控制系統的建設提供了一個很好的示范。
關鍵詞:選礦工藝 單回路控制 組態 PLC
1、概述
在選礦過程中,隨著計算機技術的應用、控制理論的發展及檢測手段的完善,為了能及時有效地控制生產過程參數的變化,保證產品的質量和產量,提高回收率,因此提高選礦自動化水平已被提上日程[1-2]。
FCS(Fieldbus Control System現場總線控制系統)是用現場總線網絡將現場各個控制器和儀表設備互聯,構成現場總線控制系統,同時控制功能可降低安裝成本和維修費用。FCS 是一種開放的、具有互操作性的、分散的分布式控制系統,現在廣泛應用于選礦自動化控制系統中,并取得了較好的效果。
2、某選礦廠自動控制系統設計
2.1 選礦廠自動控制系統架構
根據某選礦廠的工藝流程要求,初步擬定該選礦廠的控制系統由5個控制站,與一個中央控制室組成環網。控制層提供了生產工藝數據和設備信息采集、過程數據控制處理與實時控制等功能,主要由PAC站與HMI組成。該選礦廠的自動化控制系統架構見圖1所示。
各站內部采用PROFIBUS-DP現場工業總線的方式進行數據通訊;各站與中央控制室之間,采用以太網的方式進行數據傳輸及存儲[3]。5個控制站分別是:(1)粗碎、中碎及干選控制站;(2)高壓磨機流程控制站;(3)1#系列篩分預選及磨選控制站;(4)2#系列篩分預選及磨選控制站;(5)濃縮、環水及尾礦控制站。
這5個站都采用GE 可編程控制器PACSystems Rx3i,作為站控制器組成站控制系統。每個控制站設計選擇使用一臺PACSystems Rx3i系列CPU控制器、以及由PACSystems Rx3i系列相應的功能模塊等組成一個過程控制I/O站處理系統,負責對相應的生產流程進行生產過程的處理控制。為了連接和維護的方便,5套HMI(內置以太網口)與控制站之間通過工業以太網方式進行連接。
選礦廠控制系統的信息層主要提供了現場生產過程的模擬顯示、操作指令下達、報警顯示、數據存儲、歷史記錄、報表分析及WEB發布等功能。信息層主要由操作員分站、操作員總站、工程師站、歷史服務器、WEB服務器、WEB客戶端、以太網交換機和網絡打印機,以及相關的軟件等組成。
2.2 選礦廠自動控制系統軟件設計
該系統所用的軟件主要有:操作系統軟件WindowsXP SP2、PLC控制應用軟件Machine Edition、組態監控軟件iFix、歷史數據庫軟件iHistorian、WEB發布軟件Portal。
信息層的計算機操作系統主要配備Windows XP Service Pack 2。它對個人用戶來說:具有可靠的附件安全檢查,提供更多的網絡安全保護,確保了網頁瀏覽更安全。系統組態采用iFix軟件,由于iFix系列軟件的 C/S架構,系統選用2套iFix增強型的無限點開發版軟件作為工程師冗余站。此軟件通過專業驅動和下位的PLC連接,實現和PLC的數據的交互。同時, 選用6套iClient軟件作為此系統的操作員站,用來實現對系統的監控,其中5套是分別對應于各控制站,另外1套是整個系統的總監控[4]。
系統中的數據管理選用GE公司的iHistorian軟件來實現歷史數據的壓縮歸檔存儲。iHistorian數據庫通過iFix采集器和下位的iFix 軟件連接,從iFix軟件的數據庫中獲取數據。同時,它可以通過其它采集器以及接口和別的系統連接。系統中的WEB發布功能由GE公司的Portal軟件來實現,Portal是一個專業的可視化的數據分析報表生成和web發布的軟件。系統中涉及到的三個GE Fanuc軟件直接可以實現無縫連接。
同時,iFix軟件支持的COM/DCOM、DDE、OPC、ActiveX等接口和技術能實現與其他系統或軟件的連接,iHistorian支持的 OPC、OLE DB等技術支持與其他數據庫的互連,并且iHistorian的SDK完全開放,可以通過后臺開發實現與其他諸多系統和軟件的連接。
2.3 選礦過程主要控制方法
選礦過程控制主要有前饋控制、反饋控制和以反饋控制為主,輔以前饋控制的綜合控制三種。前饋控制是干涉因素未進入過程以前,先檢測出其有關參數,利用事先研究的關系式,判明其對生產過程的影響,按要求予以校正。反饋控制是先測出被控變量參數,反饋到控制器與給定值進行比較,然后根據比較結果,調節被控變量直至與給定值接近。但在選礦過程中由于礦量、濃度、粒度、品位等參數復雜多變,很難求出精確的關系式,設計不宜大量采用前饋控制。但由于選礦過程的滯后時間較長,如果只采用反饋控制系統,也難以收到良好效果。因此,設計通常采用以反饋控制為主,并輔以前饋控制的綜合控制方式,如磨礦回路中的給礦量、濃度和粒度控制;浮選回路中的給藥量、品位和液位控制等[5]。
該選礦廠工藝流程主要包括:碎礦工藝流程控制、高壓磨流程控制、篩分預選及磨選控制、一段磨礦的工藝控制、二段磨礦的工藝控制、尾礦濃縮及尾礦輸送控制。其主要控制方式以單回路閉環控制方式為主,以圖2磨礦濃度、泵池液位、分級粒度控制回路為例介紹選礦自動化控制實現。
控制系統通過對濃縮機底流濃度的檢測,分析現時的排礦濃度與工藝設定的濃度是否有偏差,如分析結果有偏差,控制系統將會根據偏差決策:進行調整或者不調、進行調大或者調小底流的放礦閥,用以改變濃密機底流的排礦量,從而控制調整濃密機內的積礦量,達到控制底流排礦濃度的目的。
3、系統設計特點
系統采用基于現場總線控制的配電模式(即以Profibus-DP 現場總線的方式連接電控設備),使控制系統通過PLC對軟啟動器、變頻器、電機保護器等智能設備進行檢測和控制。從而實現對流程設備進行多變量的監控,提高數據的采集精度和控制精度,并實現完全意義上的遠程監控。
使用FCS技術將現場智能設備通過總線的方式連接起來,即是實現了更高意義的配電自動化和過程自動化,其特點如下:
(1)由于控制系統與現場設備是通過總線進行數字化的傳輸,因而減少了以往模擬信號的轉換環節,提高了數據的采集精度和控制精度。采用總線方式,使標準化的智能設備可以方便互連,組態和互換,提高了互操作性和交互性。
(2)利用FCS現場總線控制系統和總線通訊,來控制和檢測加有智能功能的流程設備。由此,實現對流程設備進行多參數的狀態監控,解決以往自動化系統對設備監控參數少,對設備掌控不夠的問題,從而實現自動化系統對流程設備完全意義上的遠程監控。
(3)總線方式具有結構性好,FCS可以把智能技術分散現場各點,依靠現場智能設備實現基本控制功能。
(4)通過現場總線可以連接所有智能設備,大大減少了控制電纜的數量和施工調試的費用,也減少了日常維護量,有利于實現該選礦廠的減人增效的目標要求。
4、結語
基于FCS的選礦自動化控制系統設計能實現以下功能:
(1)對選礦廠實行集中操作控制即:通過自動化控制系統對生產流程實現全流程的自動啟/停控制;對生產流程及設備運行狀態進行實時自動監控,從而保證流程在線運行設備安全。
(2)對生產流程中重要的工藝參數如:礦倉料位、礦漿池液位、蓄水及環水池液位、破碎機、高壓磨機、球磨機給礦量、各給水環節的給水量等進行實時檢測和顯示。對磨選生產過程進行自動化調整控制,控制和穩定兩段磨礦處理量、旋流器的溢流粒度,為選礦廠進行全過程的工藝控制,提升各項工藝選別指標。在穩定選礦廠各項生產工藝指標的基礎上,提高選礦廠的生產處理效率,使選礦廠的生產處理效率提高5%-10%,進入國內類似選礦廠的領先水平。
(3)通過控制系統網絡,將選廠生產信息向上級相關部門實時傳送和發布,在提高礦業公司選礦廠生產自動化水平的同時、提高礦業公司現代化企業的管理水平。
(4)對該選礦廠的工業電視監控系統將采用先進的、基于C/S結構的數字視頻監控系統。主廠房控制室為中心監控室,配置三套服務器即:CMS中心管理服務器、SMT流媒體服務器、NVR網絡視頻存儲服務器及NCT網絡配置工具。實現對選礦廠視頻監控系統的配置、管理、網絡存儲及視頻發布等功能。
通過對該選礦廠生產過程的自動化控制設計,使該選礦廠的自動化裝備水平達到國際先進和國內領先水平,生產效率和指標達到國內選礦廠生的先進水平。
參考文獻
[1] 葛之輝,曾云南,趙保坤.選礦過程自動檢測與自動化綜述[J].中國礦山工程,2006,35(6):37-42.
[2] 張曉蘭,郭飛華.自動化系統在選礦作業的應用與實踐[J].采礦技術,2009.9(1):107-108.
[3] 王立,于玲.基于Profibus-DP總線控制的機電一體化系統[J].電力自動化設備,2009.29(6):127-129.
[4] 袁秀英.組態控制技術[M].電子工業出版社,2003.67~88.
[5] 黃雨虹,陳慶玲.選礦車間生產過程控制方案的優化[J].輕金屬,2003(10):9-12.
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