【摘要】本文從實際出發(fā)，介紹了基于DCS的氰化工藝自動控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)。詳細闡述了金礦氰化廠自控系統(tǒng)的硬件、軟件設計，以及通訊網絡的連接。通過對現(xiàn)場數(shù)據的采集、控制室上位監(jiān)控、通過DDE的LED大屏幕顯示、遠程訪問四個主要部分的設計，實現(xiàn)了對現(xiàn)場設備的集中控制和信息資源共享，提高了金礦的綜合自動化水平和管理水平，彌補了金礦自動化水平普遍較低的不足。

　　關鍵詞：氰化集散控制系統(tǒng)PLC金礦

　　1引言

　　氰化工藝作為金礦冶煉的主要步驟，在整個冶金過程中占有及其重要的地位，但是我國的氰化工藝尚未成熟，沒有形成比較規(guī)范的模式，大部分工藝流程都是在企業(yè)技術人員的摸索下自行完成的，大部分設備采用人工進行操作監(jiān)控。由于車間設備繁多，條件比較惡劣，各種外界干擾比較嚴重，而工藝指標要求又比較高，很難實現(xiàn)最優(yōu)化的控制，同時工藝流程也是在不斷的擴充和改建，使得現(xiàn)場操作的難度不斷的增加。

　　隨著計算機的普及，計算機管理制度也在現(xiàn)代企業(yè)中逐漸深入人心。對于大量數(shù)據的快速處理和重復性的勞動都要讓計算機來完成，而對于處理結果的分析、判斷、決策等創(chuàng)造性勞動，則由管理人員來完成。這種人盡其才、物盡其用的人機系統(tǒng)是當前計算機用于企業(yè)管理的主要格局。因而為了使氰化工藝的各項技術指標更加穩(wěn)定，工藝更加流暢，在提高提取比例的同時降低工人勞動強度，改善工人工作環(huán)境，對氰化工藝進行全程自動化控制勢在必行。

　　2氰化廠自動控制系統(tǒng)總體設計

　　2.1氰化工藝

　　主要包括加料、磨礦、堿浸壓濾、浸出、置換、浮選前壓濾、綜合回收、浮選尾礦壓濾等幾個主要工段，最終把金、銀、銅、鉛分離出來；尾礦渣回收，用來提取其他非金屬（硫等）。工藝流程圖見圖1。

　　圖1金銀礦氰化工藝流程示意圖

　　2.2系統(tǒng)主要控制要求

　　系統(tǒng)共有模擬輸入點108個，模擬輸出點101個，數(shù)字量輸入點698個，數(shù)字量輸出點73個，主要實現(xiàn)的控制功能有：

　　(1)在主控室計算機上顯示所有電機的狀態(tài)（啟、停、故障），普通電機只在現(xiàn)場可控制其開、停，帶變頻器的電機可現(xiàn)場控制、遠程控制、部分自動控制?，F(xiàn)場可以顯示示電機的頻率、電流，當在手動方式時，可在現(xiàn)場啟動、停止電機，且可設定變頻器頻率。當在遠程控制方式時，操作人員可通過主控室的計算機啟動、停止電機，且可設定變頻器頻率。在自動方式時，PLC可把現(xiàn)場采集的數(shù)據與工藝要求值比較，通過運算，控制電機輸出頻率，從而滿足工業(yè)要求，實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制。

　　(2)對生產現(xiàn)場的重要數(shù)據（液位、壓力、密度、流量、PH等）進行實時采集匯總，并依據這些數(shù)據對相關部分儀表進行自動控制，從而使工藝指標水平提高。同時，要把這些數(shù)據顯示在車間LED上，讓車間工人對自己得操作有的放矢，最后對這些數(shù)據進行歸檔，形成趨勢、報表，并定時打印。

　?。?）對現(xiàn)場處理礦量、各工段壓濾出柜數(shù)目等重要工作量指標進行累積。

　　2.3控制系統(tǒng)構成

　　2.3.1.SIMATICPCS7系列簡介

　　本系統(tǒng)主要使用德國西門子公司的現(xiàn)場控制設備搭建，主要利用了SIMATICPCS7系列的產品。SIMATICPCS7是西門子公司在TELEPERM系列集散系統(tǒng)和S5，S7系列可編程控制器的基礎上，結合先進的電子制造技術、網絡通訊技術、圖形及圖像處理技術、現(xiàn)場總線技術、計算機技術和先進自動化控制理論的先進過程控制系統(tǒng)。它采用優(yōu)秀的上位機軟件WinCC作為操作和監(jiān)控的人機界面，利用開放的現(xiàn)場總線和工業(yè)以太網實現(xiàn)現(xiàn)場信息采集和系統(tǒng)通訊，采用S7自動化系統(tǒng)作為現(xiàn)場控制單元實現(xiàn)過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現(xiàn)場傳感檢測信號。SIEMENSPCS7過程控制系統(tǒng)具備了以下幾個方面的特點：

　　1、高度的可靠性和穩(wěn)定性；

　　2、高速度，大容量的控制器；

　　3、客戶/服務器的結構；

　　4、集中的，從上到下的組態(tài)方式；

　　5、能靈活、可靠地嫁接于老系統(tǒng)；

　　6、集中的，友好的人機界面；

　　7、含有配方功能的批量處理包；

　　8、開放的結構，可以同管理級進行通訊；

　　9、同現(xiàn)場總線技術溶為一體。

　　SIMATICPCS7采用符合IEC61131-3國際標準的編程軟件和現(xiàn)場設備庫，提供連續(xù)控制、順序控制及高級編程語言?，F(xiàn)場設備庫提供大量的常用的現(xiàn)場設備信息及功能塊，可大大簡化組態(tài)工作，縮短工程周期。SIMATICPCS7具有ODBC、OLE等標準接口，并且應用以太網、PROFIBUS現(xiàn)場總線等開放網絡，從而具有很強的開放性，可以很容易地連接上位機管理系統(tǒng)和其它廠商的控制系統(tǒng)。圖2是一個SIMATICPCS7組建的系統(tǒng)示意圖。

　　圖2SIMATICPCS7系統(tǒng)示意圖

　　2.3.2系統(tǒng)簡介

　　我們根據PCS7的優(yōu)越性能并結合標書要求，對本系統(tǒng)進行了設計以及設備的選型，可以以最優(yōu)化的配置完成工藝要求。本系統(tǒng)設有兩個中央控制室，其中1#中央控制室配置一個CPU414-2DP主站，其所控制、監(jiān)視、管理范圍包括加料工段、磨礦工段、堿浸壓濾工段、浸出工段、置換工段等主要生產流程；在中央控制室對生產工藝過程的現(xiàn)狀和趨勢進行監(jiān)視、管理和操作，從而達到使生產工藝設備穩(wěn)定、可靠運行的目的；根據工藝及現(xiàn)場設備的分布配置1#、2#、3#、4#、5#、6#六個以ET200為分布式I/O的現(xiàn)場控制站。2#中央控制室配置一個CPU412-2DP主站，其所控制、監(jiān)視、管理范圍包括浮選前壓濾工段、綜合回收工段以及浮選尾礦壓濾工段等主要生產流程,根據工藝要求配置1#、2#兩個以ET200為分布式I/O的現(xiàn)場控制站。現(xiàn)場控制站通過PROFIBUS-DP總線與主站連接，主站通過高速數(shù)據通道與中央控制室操作站進行過程數(shù)據和信息傳輸。操作站還具有在線/離線組態(tài)功能，自診斷等功能分布式控制系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站均可獨立完成各自的控制任務。

　　數(shù)據采集過程大體如下：現(xiàn)場傳感器的輸出信號由各站信號模板采集、轉化為相應的數(shù)字信號然后通過通訊模塊送到400PLC主站，400PLC主站把各站送來的數(shù)據按要求進行各種運算、處理后通過MPI網絡傳到服務器?？蛻魴C和服務器之間通過OPC方式進行數(shù)據的傳遞。

　　整個系統(tǒng)的軟件均采用西門子的WINCCV6.0(上位編程)和STEP7V5.4(下位編程)作為開發(fā)平臺。通過分布在全廠的ET200M分布式系統(tǒng)采集現(xiàn)場的實時信號，S7－400主站將各個子站傳送來的數(shù)據進行處理，通過計算實現(xiàn)各重要控制點的自動控制，主要使用西門子公司的STEP7對PLC進行編程。上位服務器組態(tài)采用SIMATICWINCC，實現(xiàn)數(shù)據的實時顯示，數(shù)據查詢和報表的打印。同時利用WINCC中的DDE連接把主要數(shù)據導入EXCEL然后通過局域網連接到車間LED大屏幕顯示，顯示數(shù)據每分鐘更新一次，使現(xiàn)場操作工能夠實時掌握工作進程。400主站通過PROFIBUS-DP和下面的各個子站相連，完成數(shù)據的傳輸，這種連接方式適合數(shù)據比較分散的分布式處理場合。為保證數(shù)據采集的實時性和正確性，400主站通過MPI協(xié)議與上位機的數(shù)據采集卡相聯(lián)。各個子站采集到的信號經過通訊模塊的處理后，通過PROFIBUS總線把信號傳給400主站，400主站通過計算處理，通過MPI方式把數(shù)據傳給上位機即服務器。并把服務器納入企業(yè)的網絡，這樣使得客戶機的擴展變得異常簡單，只需將計算機納入局域網，再通過WINCC中自帶的OPC讀寫協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據的共享即可。系統(tǒng)的總體配置見圖3：

　　圖3系統(tǒng)總體配置圖

　　3系統(tǒng)硬件設計

　　3.11#主站的模塊選型及介紹

　　在1#現(xiàn)場控制總站共有二線制4-20MA模擬輸入信號42個，我們選用了6塊8點AI模塊SM331-7KF，組成了1#現(xiàn)場控制子站。

　　1#子站的具體分布如下：

　　在1#現(xiàn)場控制總站共有四線制4-20MA模擬輸入信號55個，我們選用了8塊8點AI模塊SM331-7NF，組成了2#現(xiàn)場控制子站。

　　2#子站的具體分布如下：

　　在1#現(xiàn)場控制總站共有數(shù)字量輸入信號439個，我們選用了16塊32點DI模塊SM321-1BL，8塊組成3#現(xiàn)場控制子站，5塊組成4#現(xiàn)場控制子站，另有3塊放在6#現(xiàn)場控制子站。

　　3#子站的具體分布如下：

　　4#子站的具體分布如下：

　　在1#現(xiàn)場控制總站共有模擬量輸出信號75個，我們選用了11塊8點AO模塊SM332-5HF，8塊組成了5#現(xiàn)場控制子，另3塊在6#現(xiàn)場控制子站。

　　5#子站的具體分布如下：

　　在1#現(xiàn)場控制總站共有數(shù)字量輸出信號56個，我們選用了2塊32點DO模塊SM322-1BL，他們和3塊模擬量輸出模塊以及3塊數(shù)字量輸入模塊組成了6#現(xiàn)場控制子站。

　　6#子站的具體分布如下：

　　3.2信號采集現(xiàn)場的連接

　　本系統(tǒng)現(xiàn)場傳感器的接線方式大體為兩類：四線制和兩線制。對電壓、電流和電功率的采集，采用的儀表為四線制接線方式：現(xiàn)場儀表有專門的電源供電，儀表輸出4-20mA電流。而對于壓力、流量信號采用兩線制接線方式，這種制式有兩種接法：一種是儀表與信號采集模塊串聯(lián)然后由端子排上的24V電源供電；另一種是利用信號采集模塊的內部電源由信號采集模塊直接給現(xiàn)場儀表供電。對于大多數(shù)兩線制儀表均采用后一種接法。對所采集的信號采用統(tǒng)一的編號方式：站號—信號輸入模板號—信號輸入模板的通道號，方便以后的查對。

　　3.3站與站之間的通信

　　各子站與400PLC主站采用Profibus-DP方式相連。對于數(shù)據比較分散的分布式處理的場合，這種連接方式無疑是經濟合理的。他的更為突出的優(yōu)點是：當其中的一個或幾個子站停電或由于其他原因而不能正常運行時，不會影響其他子站的正常運行。對于距離相隔很遠的子站，在每個子站加上一個中繼器以保證數(shù)據傳輸?shù)臏蚀_性和實時性。子站采集到的現(xiàn)場儀表信號由通訊模塊處理后通過Profibus-DP線送入400PLC主站，在400主站運算處理后通過MPI方式傳輸?shù)缴衔粰C。400主站都是采用MPI協(xié)議與上位機的數(shù)據采集卡SIEMENS公司的CP5611相連，該網卡兼容MPI協(xié)議。采用MPI方式可以非常經濟的解決信號的高速傳輸問題。但是，MPI方式傳輸距離不是很遠，故在距離較遠的子站數(shù)據采集箱內安裝中繼器以延長傳輸距離，從而保證信號可靠傳輸。

　　3.4數(shù)據網絡通訊

　　本系統(tǒng)的通訊系統(tǒng)大體結構是：主站通過Profibus_DP和下面的各個子站相連，完成數(shù)據的傳輸。400主站通過MPI協(xié)議與上位機的數(shù)據采集卡相聯(lián)，并把服務器納入企業(yè)的網絡，這樣使得客戶機的擴展變得異常簡單，只需將計算機納入局域網，再通過WINCC中自帶的OPC讀寫協(xié)議實現(xiàn)數(shù)據的共享即可。為了幫助操作工能實時的掌握生產情況，本系統(tǒng)中把PLC采集的數(shù)據實時顯示到車間LED大屏幕上，主要通過將連接大屏幕的計算機通過hub連接到系統(tǒng)的監(jiān)控計算機網絡，使它們組成一個小型的局域網絡。利用DDE連接把數(shù)據從WINCC運行系統(tǒng)的數(shù)據庫中調到外部應用程序EXCEL中，并將導入數(shù)據做周期性的保存，這樣在大屏幕上便可以動態(tài)的跟蹤所有需要顯示的過程數(shù)據。

　　4系統(tǒng)軟件設計

　　整個系統(tǒng)的軟件采用西門子的WINCCV6.0(上位編程)和STEP7V5.4(下位編程)作為開發(fā)平臺。

　　400主站將各個子站傳送來的數(shù)據進行處理，通過計算實現(xiàn)各重要控制點的自動控制，主要使用西門子公司的STEP7對PLC進行編程。

　　上位機通過WINCC組態(tài)，主要實現(xiàn)實時數(shù)據的顯示、歸檔、查詢以及報表的打印等功能。同時利用WINCC中的DDE連接把主要數(shù)據導入EXCEL然后通過局域網連接到車間LED大屏幕顯示，顯示數(shù)據每分鐘更新一次。

　　4.1PLC程序

　　4.1.1PLC網絡組態(tài)圖

　　圖4PLC網絡組態(tài)

　　4.1.2主循環(huán)程序塊OB1流程

　　圖5OB1執(zhí)行順序

　　4.1.3主要數(shù)值轉換程序

　　數(shù)值轉換程序

　　圖6PLC數(shù)值轉換程序段

　　4.3DDE在本系統(tǒng)中的應用

　　本系統(tǒng)中要求把PLC采集的數(shù)據實時顯示到車間LED大屏幕上，從而方便現(xiàn)場工人操作。主要方法如下：首先將連接大屏幕的計算機通過hub連接到系統(tǒng)的監(jiān)控計算機網絡，使它們組成一個小型的局域網絡。將各個計算機的IP地址等相應的參數(shù)設置好。然后在監(jiān)控的計算機上，利用DDE連接把數(shù)據從WINCC運行系統(tǒng)的數(shù)據庫中調到外部應用程序EXCEL中，在EXCEL中，設計好投放在大屏幕的數(shù)據格式、內容，這樣在EXCEL中就可以實時動態(tài)的顯示各個數(shù)據，由于大屏幕系統(tǒng)無法動態(tài)讀取EXCEL中的數(shù)據，我們又想了各種方法，最后調用了EXCEL中的宏處理命令，將導入數(shù)據做周期性的保存，這樣在大屏幕上便可以動態(tài)的跟蹤所有需要顯示的過程數(shù)據。

　　下圖圖7顯示了ExcelWinCC資源管理器以及WinCC運行系統(tǒng)之間的相互作用。

　　圖7WINCC與EXCELDDE方式數(shù)據交互

　　5關鍵子系統(tǒng)--脫氧塔壓力控制系統(tǒng)

　　真空脫氧是置換工段的關鍵所在，直接影響金的置換比例。脫氧塔內的真空是靠水力噴射泵實現(xiàn)的，而脫氧塔的進、出口是由電動調節(jié)閥來控制礦漿流量的，調節(jié)閥因使用的時間長而磨損，導致流量變化成非線性特性，而且管道內的壓力又是波動的，所以很難用普通的PID算法來控制脫氧塔的壓力，因而我們在脫氧塔壓力控制系統(tǒng)中采用模糊控制，將基于專家經驗知識的控制策略轉換為自動控制的策略，來達到理想的控制效果。脫氧塔上面的壓力變送器，將脫氧塔內部的負壓轉換為4－20mA的電流信號，以及兩個電動調節(jié)閥的閥位反饋信號，都要經PLC的模擬量輸入模塊轉換為數(shù)字量，進入模糊控制器，然后，輸出兩路4－20mA電流信號，分別控制兩個電動調節(jié)閥，最終達到負壓穩(wěn)定的目的。軟件結構流程如下圖8。

　　圖8脫氧塔壓力控制軟件流程圖

　　6結束語

　　本系統(tǒng)是一個涉及面較廣，較為完整的監(jiān)控系統(tǒng)，綜合運用了通信、網絡、PLC、計算機、自適應控制、模糊控制、智能檢測及自動化等現(xiàn)代化信息技術，實時進行數(shù)據采集和分析，實現(xiàn)對整個氰化工藝的整體監(jiān)控，解決了礦山企業(yè)長期以來無法實施有效自動控制的問題。本系統(tǒng)現(xiàn)已投入運行，且運行情況良好。

　　作者簡介：

　　舒建衛(wèi)男在讀研究生主要研究方向：工業(yè)控制