〔摘 要〕國(guó)外某銅鈷礦項(xiàng)目是一個(gè)采、選、冶聯(lián)合工程。 在介紹全廠主要流程工藝的基礎(chǔ)上，分析了該廠 自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路、系統(tǒng)組成以及所實(shí)現(xiàn)的功能。 該項(xiàng)目采用了集成#先金的 FF 總線、DP 總線控制、通 訊技術(shù)的 DCS 控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管理集中化、控制分散化、網(wǎng)絡(luò)協(xié)同化、決策智能化，構(gòu)建了一座符合當(dāng)今行 業(yè)發(fā)展趨勢(shì)的智能化全流程生產(chǎn)企業(yè)。
迪茲瓦礦業(yè)位于剛果（金）南部盧阿拉巴省科盧 韋齊市東約 35 km 處，是中國(guó)有色集團(tuán)響應(yīng)中國(guó)“一 帶一路”號(hào)召，對(duì)接非洲發(fā)展，單體投資規(guī)模#大、運(yùn) 營(yíng)模式#新、 發(fā)展動(dòng)能#強(qiáng)勁的海外銅鈷資源開發(fā)項(xiàng)目。迪茲瓦銅鈷礦項(xiàng)目是一個(gè)采、選、冶聯(lián)合工程。 該項(xiàng)目為露天開采，采用粗碎、半自磨+球磨、攪拌浸 出、CCD 逆流洗滌、萃取、電積工藝生產(chǎn)陰極銅;低銅 萃余液經(jīng)除鐵、兩段沉鈷、過(guò)濾干燥生產(chǎn)粗制氫氧化 鈷，設(shè)計(jì)采、選原礦處理能力 4 500 kt/a，年產(chǎn)陰極銅80 kt、氫氧化鈷含鈷（金屬量）8 kt。 本文主要介紹該項(xiàng)目全廠 DCS 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)的功能。
1 全廠主要工藝流程
該廠含銅高品位礦石采用重型卡車直接運(yùn)至破 碎站， #大塊度 1 200 mm， 經(jīng)旋回破碎機(jī)破碎至200 mm 以下后，經(jīng)皮帶轉(zhuǎn)運(yùn)至中間礦倉(cāng)。 再經(jīng)重型板式給料機(jī)給到皮帶輸送機(jī)運(yùn)入半自磨磨機(jī)—球磨系統(tǒng)，經(jīng)旋流器分級(jí)，沉砂給入球磨機(jī)，旋流器溢流 經(jīng)濃密機(jī)脫水后進(jìn)入浸出工序。
將磨礦的脫水底流礦漿、萃取的高銅萃余液進(jìn)行調(diào)漿，在濃硫酸和二氧化硫的作用下，進(jìn)行 10 級(jí)浸 出。 浸后的礦漿經(jīng)濃密+CCD 洗滌后，底流泵入尾礦 庫(kù)，溢流為高銅富液，洗滌后液為低銅富液進(jìn)入萃取系統(tǒng)。 高銅富液、低銅富液采用萃取電積系統(tǒng)回收生 產(chǎn)電解銅,高銅萃余液返回浸出系統(tǒng),低銅萃余液進(jìn) 入鈷回收系統(tǒng)。 鈷回收系統(tǒng)采用二氧化硫空氣氧化中和除鐵— 二段沉鈷工藝回收制備氫氧化鈷。 氫氧化鈷經(jīng)過(guò)濾、 干燥、包裝成產(chǎn)品，沉鈷后液經(jīng)除鎂返回前段工序。
工藝流程圖見圖 1。
2 全廠自動(dòng)化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)配置
本系統(tǒng)只設(shè)有 1 個(gè)中央控制室（設(shè)立在生產(chǎn)指 揮中心），由 1 臺(tái)工程師站、6 臺(tái)操作員站、1 臺(tái) PLUS站、1 臺(tái)應(yīng)用服務(wù)器、1 臺(tái) OPC 服務(wù)器、6 個(gè) DCS 控 制分站組成。按照生產(chǎn)流程控制區(qū)域劃分，在高位水 池配電室、磨礦車間配電室、攪拌浸出車間配電室、 電積 1 系列配電室、電積 2 系列配電室、沉鈷車間配電室分別設(shè)置 1 套好立的 DCS 冗余控制器。 通過(guò)網(wǎng) 絡(luò)交換機(jī)、服務(wù)器/客戶端架構(gòu)把各工序控制器集成在一起，統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)和生產(chǎn)操作控制中心，按照機(jī)電一體化集中指揮調(diào)度生產(chǎn)， 全廠構(gòu)成 1 套全流程生 產(chǎn)過(guò)程控制的 DCS 系統(tǒng)。 DCS 系統(tǒng)品牌為美國(guó)艾默生 Delta V，系統(tǒng) I/O 卡件配置清單見表 1。
2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
Delta V 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
1）DeltaV 控制網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建在星形結(jié)構(gòu)下；
2）Delta V 控制網(wǎng)絡(luò) 是一個(gè)相對(duì)好立的局域以太網(wǎng)；
3）Delta V 控制網(wǎng)絡(luò) 節(jié)點(diǎn)包括工作站和 Delta V 控制器節(jié)點(diǎn)，此外根據(jù)需 要還可增加遠(yuǎn)程 IO 節(jié)點(diǎn)、 無(wú)線網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；
4）Delta V控制網(wǎng)絡(luò)所有的節(jié)點(diǎn)必須通過(guò) Delta V 的認(rèn)證，包 括交換機(jī)及工作站；
5） 每個(gè) Delta V 系統(tǒng)必須有且 只有 1 個(gè)主工程師站（PLUS 站）。
該項(xiàng)目 DCS 控制系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以生 產(chǎn)調(diào)度中心網(wǎng)絡(luò)機(jī)柜為核心， 分別通過(guò)光纜分別冗 余敷設(shè)到 6 個(gè)生產(chǎn)車間配電室的 DCS 控制器。 網(wǎng)絡(luò) 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖如圖 2 所示。
整個(gè)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分廠 3 個(gè)好立的網(wǎng)層級(jí)： 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、過(guò)程控制層、操作管理層。
1）現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層采用的是 FF 總線儀表閥門和 DP總線控制現(xiàn)場(chǎng)智能馬達(dá)控制器、變頻器、第三方設(shè)備 廠家提供的傳統(tǒng)檢測(cè)儀表與閥門、電機(jī)、泵等，構(gòu)成 基礎(chǔ)檢測(cè)與控制設(shè)備基礎(chǔ)層， 主要完成過(guò)程數(shù)據(jù)采集處理、執(zhí)行上級(jí)操作命令，實(shí)現(xiàn)分散控制。
2）過(guò)程控制層采用的是各區(qū)域分站 DCS 控制器、現(xiàn)場(chǎng) I/O 卡件以及第三方設(shè)備帶的 PLC 系統(tǒng)或 專用控制設(shè)備（汽車衡計(jì)量設(shè)備、螺桿、離心風(fēng)機(jī)專用控制器）。 DCS 控制器通過(guò) DP 通訊卡，實(shí)現(xiàn) 205 臺(tái) 變頻器、166 臺(tái)電機(jī)馬保、31 臺(tái)軟器設(shè)備的 DP 總線通訊控制；對(duì)于 42 套第三方設(shè)備，通過(guò)DP 通訊卡或Modbus 通訊卡，完成其在 DCS 系統(tǒng)上的集成。
3）操作管理層采用的是集中在中央控制室的操 作站、工程師站、應(yīng)用站、服務(wù)器等，主要對(duì) DCS 系 統(tǒng)進(jìn)行組態(tài)、配置、調(diào)試和維護(hù)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程進(jìn)行檢 測(cè)和控制，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)進(jìn)行歸檔管理和分析，將 生產(chǎn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)共享至信息化系統(tǒng)。
2.3 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線的設(shè)計(jì)及優(yōu)勢(shì)
2.3.1 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線的構(gòu)成單元
FF 現(xiàn)場(chǎng)總線的構(gòu)成單元見圖 3。
2.3.2 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)原則
FF 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)計(jì)原則如下：1）現(xiàn)場(chǎng)安裝的變送 器和閥門定位器采用 FF H1 通訊協(xié)議。 2）FF 變送器 提供 AI 功能塊、自診斷和 LAS 功能，必須通過(guò) ITK互操作性測(cè)試，與 DCS 軟件版本一致。 3）FF 閥門定位器提供 PID、AO、DI 功能塊， 自診斷和 LAS 功能， 必須通過(guò) ITK 互操作性測(cè)試，應(yīng)與 DCS 軟件版本一 致。4）復(fù)雜控制 PID 功能或者復(fù)制計(jì)算功能，必須在DCS 控制器中完成。 5）FF 總線通訊電纜采用 18#AWG 0.8 mm2，7 股銅芯絞合， 聚乙烯絕緣鋼絲鎧裝 電纜， 儀表和接線箱連線連接必須采用防爆電纜密封接頭。 所有 FF 總線電纜屏蔽應(yīng)在 DCS 機(jī)柜側(cè)接 地，不允許在現(xiàn)場(chǎng)接地。 6）每個(gè) H1 網(wǎng)段的 FF 總線 主干線和分支電纜長(zhǎng)度之和不大于 1 200 m， 分支電纜長(zhǎng)度盡可能短, 每個(gè) H1 網(wǎng)段連接的總線儀表 閥門總數(shù)量不超過(guò) 9 臺(tái)，其中 FF 閥門定位器（控制閥）不超過(guò) 2 臺(tái)。 7）單回路控制的 FF 變送器和 FF閥門定位器應(yīng)分配在同一個(gè) H1 網(wǎng)段中。 8）FF 現(xiàn)場(chǎng) 總線 H1 網(wǎng)段供電電源及電源調(diào)節(jié)器必須冗余配 置。 9）每個(gè) H1 網(wǎng)段應(yīng)配置二個(gè)終端器，一個(gè)在 FF電源調(diào)節(jié)器中，一個(gè)在 FF 接線箱中。
2.3.4 FF 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)
FF 現(xiàn)場(chǎng)總線的優(yōu)勢(shì)包括以下方面：1）在本項(xiàng)目中，每個(gè) FF 總線網(wǎng)段設(shè)計(jì)平均掛接 8 臺(tái)儀表，大大減少了儀表電纜總用量， 控制模塊和控制機(jī)柜的數(shù) 量，降低了總投資成本，大大減少施工工作量和施工 安裝工期。2）使用 FF 智能儀表閥門，在控制室的 DCS
上位機(jī)就可以完成絕大部分的調(diào)試工作，降低調(diào)試工作強(qiáng)度。 3）在項(xiàng)目的試車階段，可以通過(guò)上位機(jī)AMS 智能設(shè)備管理軟件對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表進(jìn)行調(diào)試和診 斷。 隨時(shí)可以發(fā)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)儀表的安裝過(guò)程中存在的問(wèn) 題，例如溫度變送器接線錯(cuò)誤、一體化溫度變送器安裝錯(cuò)誤等。 4）FF 現(xiàn)場(chǎng)儀表具
備控制功能，PID 控制邏輯可以下裝到閥門定位器中，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量?jī)x表與控制閥直接通訊，構(gòu)成控制回路，降低系統(tǒng)控制器的負(fù)荷，提高控制回路的響應(yīng)速度。
2.4 實(shí)現(xiàn)的功能
1）工藝設(shè)備控制與操作方面，能實(shí)現(xiàn)：
（1）工序環(huán)節(jié)的一鍵啟停操作（如球磨區(qū)域皮帶與半磨機(jī)之 間的開停車順序控制）。
（2）DCS 系統(tǒng)對(duì)第三方設(shè)備 的操作控制，包括采用無(wú)縫對(duì)接方式，把第三方設(shè)備 就地 PLC 操作面板搬遷到 DCS 系統(tǒng)上，使現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn) 程 DCS 之間操作模式一樣；且 DCS 系統(tǒng)不對(duì)第三方設(shè)備做任何邏輯判斷，只是通過(guò)與 PLC 通訊讀寫操 作來(lái)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控，而設(shè)備的控制、聯(lián)鎖保護(hù)在 PLC系統(tǒng)中完成。 第三方設(shè)備的 DCS 遠(yuǎn)程與就地控制模 式切換不停機(jī)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守。
（3）實(shí)現(xiàn)單體 設(shè)備的遠(yuǎn)程手/自動(dòng)操作與控制功能， 主要指變頻 器、馬保以及轉(zhuǎn)速、流量、壓力、液位、給料量等 PID調(diào)節(jié)回路的手自動(dòng)操作。
2）對(duì)工藝設(shè)備控制邏輯與聯(lián)鎖保護(hù)邏輯，包括：
（1）對(duì)工藝工程流程設(shè)備的聯(lián)鎖控制邏輯（包括工序上下游設(shè)備的啟停聯(lián)鎖保護(hù)）；
（2）與第三方設(shè)備之 間的聯(lián)鎖保護(hù)；
（3）設(shè)備故障情況下的聯(lián)鎖保護(hù)邏輯；
（4）緊急情況下以及全廠大停電情況下的設(shè)備開停 順序控制。
3）對(duì)工藝數(shù)據(jù)的處理分析功能，包括：
（1）對(duì)工 藝測(cè)量參數(shù)進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)與累積等功能；
（2）對(duì)生產(chǎn) 操作數(shù)據(jù)、趨勢(shì)記錄、事件報(bào)警進(jìn)行存儲(chǔ)，通過(guò)手機(jī) 短信推送重要的報(bào)警信息。
4）通過(guò) AMS 智能設(shè)備管理軟件，可以將被動(dòng)維 修轉(zhuǎn)化為預(yù)測(cè)性維修，現(xiàn)場(chǎng)智能設(shè)備的預(yù)測(cè)維護(hù)報(bào)警 信息可傳送到 Delta V 系統(tǒng)，降低系統(tǒng)的維護(hù)工作， 并減少意外停車。 AMS 智能設(shè)備管理系統(tǒng)可方便地 獲得關(guān)鍵設(shè)備信息，并對(duì)設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定、組態(tài)及為預(yù) 測(cè)性維護(hù)提供高級(jí)診斷。
3 總結(jié)
該項(xiàng)目自動(dòng)化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集成 FF 總線 和 DP 總線技術(shù)的 DCS 控制系統(tǒng)，采用 FF 總線儀表 閥門和 DP 總線控制的智能馬達(dá)控制器、 變頻器及第三方設(shè)備 PLC，既減少了現(xiàn)場(chǎng)電纜敷設(shè)與施工量， 又滿足了整個(gè)系統(tǒng)控制風(fēng)險(xiǎn)的分散， 不僅可以節(jié)省項(xiàng)目工期及投資費(fèi)用， 而且可以減少儀表閥門備品 備件種類，便于生產(chǎn)維護(hù)管理。 海外的采選冶全流程工廠，如果還按照國(guó)內(nèi)選 礦廠、冶煉廠的傳統(tǒng)管理模式，勢(shì)必造成企業(yè)的組織 機(jī)構(gòu)復(fù)雜，增加運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本，且海外企業(yè)無(wú)法背靠 國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的人力資源市場(chǎng)，難以按照國(guó)內(nèi)模式組建 隊(duì)伍。 所以該項(xiàng)目建立了一個(gè)集全廠各區(qū)域操作人 機(jī)界面、工業(yè)視頻監(jiān)控、調(diào)度廣播、專線電話、實(shí)時(shí)數(shù) 據(jù)采集、設(shè)備信息化管理、中央調(diào)度、參觀接待等多 功能為一體的中央控制室，只需要少量的精干人員 就可以完成全廠生產(chǎn)操作和調(diào)度，克服了傳統(tǒng)生產(chǎn) 操作中，信息傳遞環(huán)節(jié)多、周期長(zhǎng)、響應(yīng)速度慢、效率
低的弊端，提高了生產(chǎn)管理效率。
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