【摘要】本文從實際出發，介紹了基于DCS的氰化工藝自動控制系統的設計與開發。詳細闡述了金礦氰化廠自控系統的硬件、軟件設計，以及通訊網絡的連接。通過對現場數據的采集、控制室上位監控、通過DDE的LED大屏幕顯示、遠程訪問四個主要部分的設計，實現了對現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，沒有形成比較規范的模式，大部分工藝流程都是在企業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，很難實現最優化的控制，同時工藝流程也是在不斷的擴充和改建，使得現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代企業中逐漸深入人心。對于大量數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是當前計算機用于企業管理的主要格局。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系統主要控制要求

　　系統共有模擬輸入點108個，模擬輸出點101個，數字量輸入點698個，數字量輸出點73個，主要實現的控制功能有：

　　(1)在主控室計算機上顯示所有電機的狀態（啟、停、故障），普通電機只在現場可控制其開、停，帶變頻器的電機可現場控制、遠程控制、部分自動控制。現場可以顯示示電機的頻率、電流，當在手動方式時，可在現場啟動、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可把現場采集的數據與工藝要求值比較，通過運算，控制電機輸出頻率，從而滿足工業要求，實現電機的閉環控制。

　　(2)對生產現場的重要數據（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，最后對這些數據進行歸檔，形成趨勢、報表，并定時打印。

　　（3）對現場處理礦量、各工段壓濾出柜數目等重要工作量指標進行累積。

　　2.3控制系統構成

　　2.3.1.SIMATICPCS7系列簡介

　　本系統主要使用德國西門子公司的現場控制設備搭建，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。它采用優秀的上位機軟件WinCC作為操作和監控的人機界面，利用開放的現場總線和工業以太網實現現場信息采集和系統通訊，采用S7自動化系統作為現場控制單元實現過程控制，以靈活多樣的分布式I/O接收現場傳感檢測信號。SIEMENSPCS7過程控制系統具備了以下幾個方面的特點：

　　1、高度的可靠性和穩定性；

　　2、高速度，大容量的控制器；

　　3、客戶/服務器的結構；

　　4、集中的，從上到下的組態方式；

　　5、能靈活、可靠地嫁接于老系統；

　　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場設備庫，提供連續控制、順序控制及高級編程語言。現場設備庫提供大量的常用的現場設備信息及功能塊，可大大簡化組態工作，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和其它廠商的控制系統。圖2是一個SIMATICPCS7組建的系統示意圖。

　　圖2SIMATICPCS7系統示意圖

　　2.3.2系統簡介

　　我們根據PCS7的優越性能并結合標書要求，對本系統進行了設計以及設備的選型，可以以最優化的配置完成工藝要求。本系統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狀和趨勢進行監視、管理和操作，從而達到使生產工藝設備穩定、可靠運行的目的；根據工藝及現場設備的分布配置1#、2#、3#、4#、5#、6#六個以ET200為分布式I/O的現場控制站。2#中央控制室配置一個CPU412-2DP主站，其所控制、監視、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的現場控制站。現場控制站通過PROFIBUS-DP總線與主站連接，主站通過高速數據通道與中央控制室操作站進行過程數據和信息傳輸。操作站還具有在線/離線組態功能，自診斷等功能分布式控制系統的現場控制站均可獨立完成各自的控制任務。

　　數據采集過程大體如下：現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據按要求進行各種運算、處理后通過MPI網絡傳到服務器。客戶機和服務器之間通過OPC方式進行數據的傳遞。

　　整個系統的軟件均采用西門子的WINCCV6.0(上位編程)和STEP7V5.4(下位編程)作為開發平臺。通過分布在全廠的ET200M分布式系統采集現場的實時信號，S7－400主站將各個子站傳送來的數據進行處理，通過計算實現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。上位服務器組態采用SIMATICWINCC，實現數據的實時顯示，數據查詢和報表的打印。同時利用WINCC中的DDE連接把主要數據導入EXCEL然后通過局域網連接到車間LED大屏幕顯示，顯示數據每分鐘更新一次，使現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，完成數據的傳輸，這種連接方式適合數據比較分散的分布式處理場合。為保證數據采集的實時性和正確性，400主站通過MPI協議與上位機的數據采集卡相聯。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方式把數據傳給上位機即服務器。并把服務器納入企業的網絡，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讀寫協議實現數據的共享即可。系統的總體配置見圖3：

　　圖3系統總體配置圖

　　3系統硬件設計

　　3.11#主站的模塊選型及介紹

　　在1#現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#現場控制子站。

　　1#子站的具體分布如下：

　　在1#現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#現場控制子站。

　　2#子站的具體分布如下：

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

　　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#現場控制子，另3塊在6#現場控制子站。

　　5#子站的具體分布如下：

　　在1#現場控制總站共有數字量輸出信號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塊數字量輸入模塊組成了6#現場控制子站。

　　6#子站的具體分布如下：

　　3.2信號采集現場的連接

　　本系統現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場儀表供電。對于大多數兩線制儀表均采用后一種接法。對所采集的信號采用統一的編號方式：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據傳輸的準確性和實時性。子站采集到的現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方式傳輸到上位機。400主站都是采用MPI協議與上位機的數據采集卡SIEMENS公司的CP5611相連，該網卡兼容MPI協議。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數據網絡通訊

　　本系統的通訊系統大體結構是：主站通過Profibus_DP和下面的各個子站相連，完成數據的傳輸。400主站通過MPI協議與上位機的數據采集卡相聯，并把服務器納入企業的網絡，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讀寫協議實現數據的共享即可。為了幫助操作工能實時的掌握生產情況，本系統中把PLC采集的數據實時顯示到車間LED大屏幕上，主要通過將連接大屏幕的計算機通過hub連接到系統的監控計算機網絡，使它們組成一個小型的局域網絡。利用DDE連接把數據從WINCC運行系統的數據庫中調到外部應用程序EXCEL中，并將導入數據做周期性的保存，這樣在大屏幕上便可以動態的跟蹤所有需要顯示的過程數據。

　　4系統軟件設計

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

　　400主站將各個子站傳送來的數據進行處理，通過計算實現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，主要實現實時數據的顯示、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，顯示數據每分鐘更新一次。

　　4.1PLC程序

　　4.1.1PLC網絡組態圖

　　圖4PLC網絡組態

　　4.1.2主循環程序塊OB1流程

　　圖5OB1執行順序

　　4.1.3主要數值轉換程序

　　數值轉換程序

　　圖6PLC數值轉換程序段

　　4.3DDE在本系統中的應用

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

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

　　圖7WINCC與EXCELDDE方式數據交互

　　5關鍵子系統--脫氧塔壓力控制系統

　　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的，而脫氧塔的進、出口是由電動調節閥來控制礦漿流量的，調節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，以及兩個電動調節閥的閥位反饋信號，都要經PLC的模擬量輸入模塊轉換為數字量，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閥，最終達到負壓穩定的目的。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

　　本系統是一個涉及面較廣，較為完整的監控系統，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代化信息技術，實時進行數據采集和分析，實現對整個氰化工藝的整體監控，解決了礦山企業長期以來無法實施有效自動控制的問題。本系統現已投入運行，且運行情況良好。

　　作者簡介：

　　舒建衛男在讀研究生主要研究方向：工業控制