基于FCS的选矿自动化控制系统设计
摘 要:本文根据某选矿厂的工艺流程,设计出主要通过PLC对选矿厂各环节进行控制的自动化系统并进行基于FCS的系统构架配置,同时对选矿厂软件控制系统进行了设计。通过对系统控制特点进行分析,该系统的设计理念先进,为国内选矿厂自动控制系统的建设提供了一个很好的示范。
关键词:选矿工艺 单回路控制 组态 PLC
1、概述
FCS(Fieldbus Control System现场总线控制系统)是用现场总线网络将现场各个控制器和仪表设备互联,构成现场总线控制系统,同时控制功能可降低安装成本和维修费用。FCS 是一种开放的、具有互操作性的、分散的分布式控制系统,现在广泛应用于选矿自动化控制系统中,并取得了较好的效果。
2、某选矿厂自动控制系统设计
2.1 选矿厂自动控制系统架构
根据某选矿厂的工艺流程要求,初步拟定该选矿厂的控制系统由5个控制站,与一个中央控制室组成环网。控制层提供了生产工艺数据和设备信息采集、过程数据控制处理与实时控制等功能,主要由PAC站与HMI组成。该选矿厂的自动化控制系统架构见图1所示。
这5个站都采用GE 可编程控制器PACSystems Rx3i,作为站控制器组成站控制系统。每个控制站设计选择使用一台PACSystems Rx3i系列CPU控制器、以及由PACSystems Rx3i系列相应的功能模块等组成一个过程控制I/O站处理系统,负责对相应的生产流程进行生产过程的处理控制。为了连接和维护的方便,5套HMI(内置以太网口)与控制站之间通过工业以太网方式进行连接。
选矿厂控制系统的信息层主要提供了现场生产过程的模拟显示、操作指令下达、报警显示、数据存储、历史记录、报表分析及WEB发布等功能。信息层主要由操作员分站、操作员总站、工程师站、历史服务器、WEB服务器、WEB客户端、以太网交换机和网络打印机,以及相关的软件等组成。
2.2 选矿厂自动控制系统软件设计
该系统所用的软件主要有:操作系统软件WindowsXP SP2、PLC控制应用软件Machine Edition、组态监控软件iFix、历史数据库软件iHistorian、WEB发布软件Portal。
信息层的计算机操作系统主要配备Windows XP Service Pack 2。它对个人用户来说:具有可靠的附件安全检查,提供更多的网络安全保护,确保了网页浏览更安全。系统组态采用iFix软件,由于iFix系列软件的 C/S架构,系统选用2套iFix增强型的无限点开发版软件作为工程师冗余站。此软件通过专业驱动和下位的PLC连接,实现和PLC的数据的交互。同时, 选用6套iClient软件作为此系统的操作员站,用来实现对系统的监控,其中5套是分别对应于各控制站,另外1套是整个系统的总监控[4]。
系统中的数据管理选用GE公司的iHistorian软件来实现历史数据的压缩归档存储。iHistorian数据库通过iFix采集器和下位的iFix 软件连接,从iFix软件的数据库中获取数据。同时,它可以通过其它采集器以及接口和别的系统连接。系统中的WEB发布功能由GE公司的Portal软件来实现,Portal是一个专业的可视化的数据分析报表生成和web发布的软件。系统中涉及到的三个GE Fanuc软件直接可以实现无缝连接。
同时,iFix软件支持的COM/DCOM、DDE、OPC、ActiveX等接口和技术能实现与其他系统或软件的连接,iHistorian支持的 OPC、OLE DB等技术支持与其他数据库的互连,并且iHistorian的SDK完全开放,可以通过后台开发实现与其他诸多系统和软件的连接。
2.3 选矿过程主要控制方法
选矿过程控制主要有前馈控制、反馈控制和以反馈控制为主,辅以前馈控制的综合控制三种。前馈控制是干涉因素未进入过程以前,先检测出其有关参数,利用事先研究的关系式,判明其对生产过程的影响,按要求予以校正。反馈控制是先测出被控变量参数,反馈到控制器与给定值进行比较,然后根据比较结果,调节被控变量直至与给定值接近。但在选矿过程中由于矿量、浓度、粒度、品位等参数复杂多变,很难求出精确的关系式,设计不宜大量采用前馈控制。但由于选矿过程的滞后时间较长,如果只采用反馈控制系统,也难以收到良好效果。因此,设计通常采用以反馈控制为主,并辅以前馈控制的综合控制方式,如磨矿回路中的给矿量、浓度和粒度控制;浮选回路中的给药量、品位和液位控制等[5]。
该选矿厂工艺流程主要包括:碎矿工艺流程控制、高压辊磨流程控制、筛分预选及磨选控制、一段磨矿的工艺控制、二段磨矿的工艺控制、尾矿浓缩及尾矿输送控制。其主要控制方式以单回路闭环控制方式为主,以图2磨矿浓度、泵池液位、分级粒度控制回路为例介绍选矿自动化控制实现。
控制系统通过对浓缩机底流浓度的检测,分析现时的排矿浓度与工艺设定的浓度是否有偏差,如分析结果有偏差,控制系统将会根据偏差决策:进行调整或者不调、进行调大或者调小底流的放矿阀,用以改变浓密机底流的排矿量,从而控制调整浓密机内的积矿量,达到控制底流排矿浓度的目的。
3、系统设计特点
系统采用基于现场总线控制的配电模式(即以Profibus-DP 现场总线的方式连接电控设备),使控制系统通过PLC对软启动器、变频器、电机保护器等智能设备进行检测和控制。从而实现对流程设备进行多变量的监控,提高数据的采集精度和控制精度,并实现完全意义上的远程监控。
使用FCS技术将现场智能设备通过总线的方式连接起来,即是实现了更高意义的配电自动化和过程自动化,其特点如下:
(1)由于控制系统与现场设备是通过总线进行数字化的传输,因而减少了以往模拟信号的转换环节,提高了数据的采集精度和控制精度。采用总线方式,使标准化的智能设备可以方便互连,组态和互换,提高了互操作性和交互性。
(2)利用FCS现场总线控制系统和总线通讯,来控制和检测加有智能功能的流程设备。由此,实现对流程设备进行多参数的状态监控,解决以往自动化系统对设备监控参数少,对设备掌控不够的问题,从而实现自动化系统对流程设备完全意义上的远程监控。
(3)总线方式具有结构性好,FCS可以把智能技术分散现场各点,依靠现场智能设备实现基本控制功能。
(4)通过现场总线可以连接所有智能设备,大大减少了控制电缆的数量和施工调试的费用,也减少了日常维护量,有利于实现该选矿厂的减人增效的目标要求。
4、结语
基于FCS的选矿自动化控制系统设计能实现以下功能:
(1)对选矿厂实行集中操作控制即:通过自动化控制系统对生产流程实现全流程的自动启/停控制;对生产流程及设备运行状态进行实时自动监控,从而保证流程在线运行设备安全。
(2)对生产流程中重要的工艺参数如:矿仓料位、矿浆池液位、蓄水及环水池液位、破碎机、高压辊磨机、球磨机给矿量、各给水环节的给水量等进行实时检测和显示。对磨选生产过程进行自动化调整控制,控制和稳定两段磨矿处理量、旋流器的溢流粒度,为选矿厂进行全过程的工艺控制,提升各项工艺选别指标。在稳定选矿厂各项生产工艺指标的基础上,提高选矿厂的生产处理效率,使选矿厂的生产处理效率提高5%-10%,进入国内类似选矿厂的领先水平。
(3)通过控制系统网络,将选厂生产信息向上级相关部门实时传送和发布,在提高矿业公司选矿厂生产自动化水平的同时、提高矿业公司现代化企业的管理水平。
(4)对该选矿厂的工业电视监控系统将采用先进的、基于C/S结构的数字视频监控系统。主厂房控制室为中心监控室,配置三套服务器即:CMS中心管理服务器、SMT流媒体服务器、NVR网络视频存储服务器及NCT网络配置工具。实现对选矿厂视频监控系统的配置、管理、网络存储及视频发布等功能。
通过对该选矿厂生产过程的自动化控制设计,使该选矿厂的自动化装备水平达到国际先进和国内领先水平,生产效率和指标达到国内选矿厂生的先进水平。
参考文献
[2] 张晓兰,郭飞华.自动化系统在选矿作业的应用与实践[J].采矿技术,2009.9(1):107-108.
[4] 袁秀英.组态控制技术[M].电子工业出版社,2003.67~88.