,,

〔摘要〕國外某銅鈷礦項目是一個采、選、冶聯合工程。在介紹全廠主要流程工藝的基礎上，分析了該廠自動化系統的設計思路、系統組成以及所實現的功能。該項目采用了集成#先金的 FF 總線、DP 總線控制、通訊技術的 DCS 控制系統，實現了管理集中化、控制分散化、網絡協同化、決策智能化，構建了一座符合當今行業發展趨勢的智能化全流程生產企業。

迪茲瓦礦業位于剛果（金）南部盧阿拉巴省科盧韋齊市東約 35 km 處，是中國有色集團響應中國“一帶一路”號召，對接非洲發展，單體投資規模#大、運營模式#新、發展動能#強勁的海外銅鈷資源開發項目。迪茲瓦銅鈷礦項目是一個采、選、冶聯合工程。該項目為露天開采，采用粗碎、半自磨+球磨、攪拌浸出、CCD 逆流洗滌、萃取、電積工藝生產陰極銅;低銅萃余液經除鐵、兩段沉鈷、過濾干燥生產粗制氫氧化鈷，設計采、選原礦處理能力 4 500 kt/a，年產陰極銅80 kt、氫氧化鈷含鈷（金屬量）8 kt。本文主要介紹該項目全廠 DCS 控制系統的設計及實現的功能。

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至破碎站， #大塊度 1 200 mm，經旋回破碎機破碎至200 mm 以下后，經皮帶轉運至中間礦倉。再經重型板式給料機給到皮帶輸送機運入半自磨磨機—球磨系統，經旋流器分級，沉砂給入球磨機，旋流器溢流經濃密機脫水后進入浸出工序。

將磨礦的脫水底流礦漿、萃取的高銅萃余液進行調漿，在濃硫酸和二氧化硫的作用下，進行 10 級浸出。浸后的礦漿經濃密+CCD 洗滌后，底流泵入尾礦庫，溢流為高銅富液，洗滌后液為低銅富液進入萃取系統。高銅富液、低銅富液采用萃取電積系統回收生產電解銅,高銅萃余液返回浸出系統,低銅萃余液進入鈷回收系統。鈷回收系統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。氫氧化鈷經過濾、干燥、包裝成產品，沉鈷后液經除鎂返回前段工序。

工藝流程圖見圖 1。

2 全廠自動化控制系統的設計

2.1 系統配置

本系統只設有 1 個中央控制室（設立在生產指揮中心），由 1 臺工程師站、6 臺操作員站、1 臺 PLUS站、1 臺應用服務器、1 臺 OPC 服務器、6 個 DCS 控制分站組成。按照生產流程控制區域劃分，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置 1 套好立的 DCS 冗余控制器。通過網絡交換機、服務器/客戶端架構把各工序控制器集成在一起，統一數據庫和生產操作控制中心，按照機電一體化集中指揮調度生產，全廠構成 1 套全流程生產過程控制的 DCS 系統。 DCS 系統品牌為美國艾默生 Delta V，系統 I/O 卡件配置清單見表 1。

2.2 網絡結構

Delta V 系統網絡結構有以下幾個特點：

1）DeltaV 控制網絡構建在星形結構下；

2）Delta V 控制網絡是一個相對好立的局域以太網；

3）Delta V 控制網絡節點包括工作站和 Delta V 控制器節點，此外根據需要還可增加遠程 IO 節點、無線網關節點；

4）Delta V控制網絡所有的節點必須通過 Delta V 的認證，包括交換機及工作站；

5）每個 Delta V 系統必須有且只有 1 個主工程師站（PLUS 站）。

該項目 DCS 控制系統采用星型網絡結構，以生產調度中心網絡機柜為核心，分別通過光纜分別冗余敷設到 6 個生產車間配電室的 DCS 控制器。網絡拓撲結構圖如圖 2 所示。

整個系統的網絡結構分廠 3 個好立的網層級：現場設備層、過程控制層、操作管理層。

1）現場設備層采用的是 FF 總線儀表閥門和 DP總線控制現場智能馬達控制器、變頻器、第三方設備廠家提供的傳統檢測儀表與閥門、電機、泵等，構成基礎檢測與控制設備基礎層，主要完成過程數據采集處理、執行上級操作命令，實現分散控制。

2）過程控制層采用的是各區域分站 DCS 控制器、現場 I/O 卡件以及第三方設備帶的 PLC 系統或專用控制設備（汽車衡計量設備、螺桿、離心風機專用控制器）。 DCS 控制器通過 DP 通訊卡，實現 205 臺變頻器、166 臺電機馬保、31 臺軟器設備的 DP 總線通訊控制；對于 42 套第三方設備，通過DP 通訊卡或Modbus 通訊卡，完成其在 DCS 系統上的集成。

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、應用站、服務器等，主要對 DCS 系統進行組態、配置、調試和維護，對生產過程進行檢測和控制，對生產過程數據進行歸檔管理和分析，將生產實時數據共享至信息化系統。

2.3 FF 現場總線的設計及優勢

2.3.1 FF 現場總線的構成單元

FF 現場總線的構成單元見圖 3。

2.3.2 FF 現場總線設計原則

FF 現場總線設計原則如下：1）現場安裝的變送器和閥門定位器采用 FF H1 通訊協議。 2）FF 變送器提供 AI 功能塊、自診斷和 LAS 功能，必須通過 ITK互操作性測試，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 ITK 互操作性測試，應與 DCS 軟件版本一致。4）復雜控制 PID 功能或者復制計算功能，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 總線電纜屏蔽應在 DCS 機柜側接地，不允許在現場接地。 6）每個 H1 網段的 FF 總線主干線和分支電纜長度之和不大于 1 200 m，分支電纜長度盡可能短, 每個 H1 網段連接的總線儀表閥門總數量不超過 9 臺，其中 FF 閥門定位器（控制閥）不超過 2 臺。 7）單回路控制的 FF 變送器和 FF閥門定位器應分配在同一個 H1 網段中。 8）FF 現場總線 H1 網段供電電源及電源調節器必須冗余配置。 9）每個 H1 網段應配置二個終端器，一個在 FF電源調節器中，一個在 FF 接線箱中。

2.3.4 FF 現場總線的優勢

FF 現場總線的優勢包括以下方面：1）在本項目中，每個 FF 總線網段設計平均掛接 8 臺儀表，大大減少了儀表電纜總用量，控制模塊和控制機柜的數量，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

上位機就可以完成絕大部分的調試工作，降低調試工作強度。 3）在項目的試車階段，可以通過上位機AMS 智能設備管理軟件對現場儀表進行調試和診斷。隨時可以發現現場儀表的安裝過程中存在的問題，例如溫度變送器接線錯誤、一體化溫度變送器安裝錯誤等。 4）FF 現場儀表具

備控制功能，PID 控制邏輯可以下裝到閥門定位器中，現場測量儀表與控制閥直接通訊，構成控制回路，降低系統控制器的負荷，提高控制回路的響應速度。

2.4 實現的功能

1）工藝設備控制與操作方面，能實現：

（1）工序環節的一鍵啟停操作（如球磨區域皮帶與半磨機之間的開停車順序控制）。

（2）DCS 系統對第三方設備的操作控制，包括采用無縫對接方式，把第三方設備就地 PLC 操作面板搬遷到 DCS 系統上，使現場與遠程 DCS 之間操作模式一樣；且 DCS 系統不對第三方設備做任何邏輯判斷，只是通過與 PLC 通訊讀寫操作來實現遠程操控，而設備的控制、聯鎖保護在 PLC系統中完成。第三方設備的 DCS 遠程與就地控制模式切換不停機，可實現現場無人值守。

（3）實現單體設備的遠程手/自動操作與控制功能，主要指變頻器、馬保以及轉速、流量、壓力、液位、給料量等 PID調節回路的手自動操作。

2）對工藝設備控制邏輯與聯鎖保護邏輯，包括：

（1）對工藝工程流程設備的聯鎖控制邏輯（包括工序上下游設備的啟停聯鎖保護）；

（2）與第三方設備之間的聯鎖保護；

（3）設備故障情況下的聯鎖保護邏輯；

（4）緊急情況下以及全廠大停電情況下的設備開停順序控制。

3）對工藝數據的處理分析功能，包括：

（1）對工藝測量參數進行分類統計與累積等功能；

（2）對生產操作數據、趨勢記錄、事件報警進行存儲，通過手機短信推送重要的報警信息。

4）通過 AMS 智能設備管理軟件，可以將被動維修轉化為預測性維修，現場智能設備的預測維護報警信息可傳送到 Delta V 系統，降低系統的維護工作，并減少意外停車。 AMS 智能設備管理系統可方便地獲得關鍵設備信息，并對設備進行標定、組態及為預測性維護提供高級診斷。

3 總結

該項目自動化控制系統設計采用集成 FF 總線和 DP 總線技術的 DCS 控制系統，采用 FF 總線儀表閥門和 DP 總線控制的智能馬達控制器、變頻器及第三方設備 PLC，既減少了現場電纜敷設與施工量，又滿足了整個系統控制風險的分散，不僅可以節省項目工期及投資費用，而且可以減少儀表閥門備品備件種類，便于生產維護管理。海外的采選冶全流程工廠，如果還按照國內選礦廠、冶煉廠的傳統管理模式，勢必造成企業的組織機構復雜，增加運營維護成本，且海外企業無法背靠國內優質的人力資源市場，難以按照國內模式組建隊伍。所以該項目建立了一個集全廠各區域操作人機界面、工業視頻監控、調度廣播、專線電話、實時數據采集、設備信息化管理、中央調度、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操作和調度，克服了傳統生產操作中，信息傳遞環節多、周期長、響應速度慢、效率

低的弊端，提高了生產管理效率。