PLC在铜电解液循环系统中的应用.pdf

2 0 1 1年 2月 第 1 期 曹瑜 P L C在铜 电解液循环系统 中的应用 ．3 9． P L C 在铜电解液循环系统中的应用 曹 瑜 日 叫 云南铜业股份有限公司， 云南 昆明 6 5 0 1 0 2 【 摘要】 叙述了P L C在电解液循环系统高位槽液位、 温度、 流量控制中的应用， 详细介绍了控制原理、 系统结构和网络拓扑结构 、 重要 控制 回路 以及现场仪表 的选型。 [ 关键词】 铜； 电解液循环系统； 液位控制； P L C ； 温度控制； 流量控制 [ 中网分类 号] T F S 1 1 ． 0 4 4 [ 文献标识码] B [ 文章编号】 1 6 7 2 6 1 0 3 2 0 1 1 0 1 0 0 3 9 0 3 0 前言 铜 电解生产过程 中， 电解液必须不 断地循环流 动 ， 目的是补充热量 ， 使 电解 液温度满足工艺要求 ， 同时进行过滤 ， 滤除其 中的悬浮物 ， 使其清洁度满足 生产高质量阴极铜 的要求 。电解液循环系统的主要 设备有循环液贮槽 、 高位槽 、 供液管道 、 换热器和过 滤设备等。提高温度 ， 有利于降低 电解液的粘度 ， 消 除阴极附近铜离子严重贫化现象 ， 使铜在 阴极上均 匀析出。但温度过高 ， 添加剂的消耗量增加 ， 电解液 的蒸发损失增大 ， 通常情况下 ， 电解液的温度维持在 6 3 ～ 6 5℃。实现 电解液高位槽液位 的 自动控制 ， 能 够保证电解液循环速度均匀稳定 ， 提高循环系统 的 T作效率 ， 避免人 为操作不当造成高位槽 电解液被 托空及溢 。为 了满足 电解液循环系统 的要求 ， 云 铜将 P L C用于电解液循环系统高位槽液位 、 温度 、 流 量平衡控制。本文叙述 了控制系统框架 的配置 、 控 制回路的设置及现场仪表的选型。 1 主要控制 回路 1 ． 1 温 度控 制 回路 电解液温度一般要求控制在 6 3 ～ 6 5℃。电解液 是通过钛换热器加热的 ， 因此每 台钛换热器都配有 一 套单 回路温度控制系统 。通过 P I D控制模块进行 P I D运算 ， 调节蒸 汽阀开度 ， 使加热器 出口电解液温 度稳定在设定值上 。由于蒸 汽的压力 、 流量都不稳 定 ， 故在蒸汽总管上设置了一个调节阀， 以蒸汽压力 [ 作者简介] 曹瑜 1 9 7 4 一 ， 女 ， T程师 ， 在 云南铜业股份有限公 司 1 二 程部设计 中心从事仪控专业施 工图设计及管理工作 。 [ 收稿 日期】 2 01 0 0 9 0 3 [ 修订 日期】 2 0 1 0 1 2 2 0 作为被控量 ， 调节蒸汽总管调节 阀的开度 ， 使蒸汽压 力稳定在设定值。当整个电解车间停电或钛换热器 对应 的循环泵停止运行时 ， 需关闭钛换热器 的蒸汽 阀， 故设置 了蒸汽人 口阀和循环泵的联锁 ， 循环泵停 止运行时相应钛换热器蒸汽阀关闭。图 1 为带主要 控制回路的流程图。 图l 带主要控制 回路的流程图 1 ． 2 液位控制回路 1 ． 2 ． 1 高位槽液位控制 电解槽液位稳定， 是液位控制 的最终 目标 。只 有高位槽的液位稳定 ， 才能保持电解槽进液量 的稳 定 。高位槽配有 6 台电解液循环泵 ， 这 6 台泵均为变 频控制 ， 根据槽面情况决定所开台数 。当高位槽液 位高 于或低于设定值时 ， 通过高位槽液位 P I D调节 回路调节变频器 的频率 ， 以保证高位槽的液位稳定 在设 定值 。 由于调节 回路 的控制对 象为 6台变频 泵， 交换速度极快， 而高位槽的结构造成该液位控制 系统是一个滞后 、 非 自平衡 的系统 ， 因此在 P I D参数 的整定上要反复试验 ， 最后 采用微分先行 的控制方 式克服系统的超调现象 。 4 0 中国 有 色冶 金 A 卷生产实践篇 设备及 自动化 高位槽分三个室 ， 1 室与2 室为底部连通 ， 2 室与 3 室为顶部连通 ， 即 1 室 2 室之间的液位始终是保持 一 致的， 当2 室液位高过隔板的时候， 3 室的液位才 会发生改变 ， 而需要进行精确控制的是 3 室 的液位 ， 所以整个高位槽是一个单容 的纯滞后 的系统 ， 系统 模型见图2 。 Q2 Q1 图2 高位槽液位控制系统模型 该数学模型如下 e 1 式中 过程时间常数 ； 一 放大系数 ； 一 滞后 时间。 根据物料平衡关系 ， 高位槽流人量 Q1 与流出量 Q 2 之差等于槽 中电解液储量的变化率 A d H Q 1 ～ Q 2 2 随着 3室液 位 的改变 ， 输 出流量 也在 发生 改 变。输出流量可以根据液位高度计算得出， 然后通 过该值控制进液流量 ， 从而保证液位 的稳定 。但是 从 0 l 进入 高位槽 的电解液到达 3 室存在一段时间 的滞后 ， 这个滞后时间就是系统的纯滞后 时间常数 。对于纯滞后系统的控制 ， 如果采用常规P I D可能 导致 系统动态性能不好 ， 故考虑采用微分先行 P I D 控制或者史密斯补偿控制来改善系统的控制质量。 微分先行控制框 图见 图3 。 图3 微分先行控制框图 系统 的随动特性级抗扰动特性为 C G e t 5 C o 5 一一 R 5 1 G c - G o S G c 2 5 C 3 C G o S 4 微分先行 P I D控制是将微分作用提前 ， 即包含 了一个先行的微分环节。微分环节的输出信号包含 了被控参数及其变化速度值 ， 将其作为测量值输入 到 比例积分控制器 中， 可使系统克服超调的作用加 强 ， 从而补偿过程滞后 ， 达到改善 系统控制品质的 目 的。采用 P I D的微分先行控制方案 ， 可较好地抑制 滞后系统的超调量 ， 控制性能 良好 ， 且不需要进行模 型识别 ， 所 以微分先行 P I D控制具有结构简单 、 可靠 性高、 易于工业实现等诸多优点， 比史密斯补偿控制 相更具有优越性 ， 因此 系统 的动态指标得 到改善 。 经多次 P I D参数整定后 ， 微分先行控制运行较 为稳 定 、 可靠。 1 ． 2 ． 2 循环槽液位控制 循环槽液位的设定值 ， 首先应保证 主循环泵安 全运行的液位高度 ， 同时要考虑突发停电事故时 ， 整 个循环系统管道电解液回流留有不发生溢流的空间。 当循环槽液位低于控制液位下 限时 ， 电解液循 环槽与安全槽连通 的平衡管之一 一备一用 调节阀 自动打开向循环槽补液 ， 循环槽液位接近控制点 ， 平 衡管调节 阀自动关闭。当循环槽液位高于控制液位 上限时 ， 与电解液循环槽底相连通 的安全槽泵 自动 起动将循环槽内多余电解液打人安全槽， 循环槽液 位接近控制点 ， 安全槽泵 自动停止。 2 控制系统 采用一套 西 门子 的 s 7 4 1 4 P L C系统实 现控制 和监测功能。本控制系统方案以工业以太网和 S I E ME N S 公 司 p R O F I B U S 两层 网络为主线 。由于 电解 分厂的生产线长 ， 各工序 、 厂房 和操作室相距较远 ， 故设置两个 操作员站和一个远程 I ／ O站 ， 其 中一个 操作站设置在循环系统操作室 ， 另一个设置在电解 分厂调度室 ， 两个操作站相距 1 0 0 0 m左右 ， 用光缆 连接 ， 远程和就地均可完成监测和控制。 因涉及变 频器等的电气控制参数及I ／ O 点均集中于电气低压 配电室 ， 而低压配 电室与循环系统的距离 2 0 0 m左 右 ， 故设置一远程 I ／ O站 ， 远程 I ／ O站和主控柜之间采 用R O F I B U S D P 电缆连接。如果不设置远程I ／ O 站 ， 而 是把所有 电气控制信号均接入主控柜 ， 将增加 电缆 敷设费用， 且控制系统处于强磁场环境中， 信号容易 被干扰 ， 维护也不方便。 控制系统的配置图见 图4 。 2 0 1 1 年 2月 第 1期 曹瑜 P L C在铜 电解液循环系统 中的应用 4 1． 各 类 变 送 器 图4 控制系统 的配置图 3 仪表选型 电解液循环系统需检测和控制的主要参数为温 度 、 液位 、 流量和压力 ， 由于电解液含有硫酸 、 砷 、 锑 、 铋 、 钙及氯离子等多种组分 ， 其腐蚀性强 、 易结晶结 垢 ， 因此在仪表选型时做 了充分考虑 并借鉴 以往的 经验 。液位测量尽量选用 非接触式仪表 ， 如超声波 液位计 和雷达液位计。电解液的温度为 6 5℃左右 ， 产生的冷凝水如果附着在 雷达液位计的天线上 ， 会 产生误 信号 ， 所 以雷达液位计的天线尽量选用抗 冷 凝水的天线 ； 电解液温度测量选用衬 四氟保护管热 电阻 ， 以免腐蚀 ； 流量选用抑制直流电磁干扰的衬 四 氟 电磁流量计 。为 了克服电解液易结垢 ， 检修除垢 过程 中极容易破坏衬氟的问题 ， 选用阀芯材料为双 向不锈钢的调节蝶 阀。双向不锈钢具有很高的抗应 力腐蚀破裂的能力 ， 机械强度高。此类阀投运近一 年 ， 仍运行 良好 。 4结束语 电解液循环系统采用 P L C系统控制 ， 改变 了原 来手动操作模式 ， 满足 了对电解液温度和液位控制 的基本要求 。特别是电解液液位实现控制 ， 杜绝了 人为操作失误造成的高位槽 电解液被拉空和溢出的 情况 ， 大大降低 了操作员的劳动强度 ， 提高了循环系 统的工作效率 ， 相应地提高 了阴极铜的质量 ， 同时为 即将投运的电解九、 十跨积累了经验 。 该系统 目前还存在一些 的问题需要改进 ， 由于 电解分厂电磁污染严重 ， 而设计 时对抗干扰 问题考 虑不够 ， 个别输入输 出信号 I叶 I 现误信号 ， 导致数据错 误 。P L C系统干扰问题将采用硬件和软件接合的措 施解决。另外将优化高位槽液位的控制模式 ， 使液 位控制更精确 。 Appl i c a t i o n o f PLC i n c i r c ul a t i n g s y s t e m o f c o p pe r e l e c t r o l y t e CA0 YU Abs t r ac t Th i s p a p e r i nt r o d u c e d t he a pp l i c a t i o n o f PLC i n c o n t r o l o f l i qu i d l e v e l o f e l e v a t e d t a n k，t e mpe r a t ur e a n d f l o w i n e l e c t r o l y t e c i r c u l a t i n g s y s t e m，a nd p a r t i c u l a r l y p r e s e n t e d t he c o n t r o l p r i n c i p l e ，s y s t e m s t r u c t u r e ，n e t - wo r k t o p o l o g y ，i mp o r t a n t c o n t r o l c i r c u i t a nd e l e c t r i c a l me t e r s s e l e c t i o n i n s i t e ． Ke y wo r d s c o p p e r ； e l e c t r o l y t e c i r c u l a t i n g s y s t e m； l i q u i d l e v e l c o n t r o l ； P L C ； t e mp e r a t u r e c o n t r o l ； fl o w c o n t r o l 华锡来冶公 司利用残焦节支 8 0 9 万元 2 0 1 0 年， 华锡集团来冶公司加大了对铟挥发窑残焦进行回收利用的力度 ， 其中铟挥发窑渣分选及露天 煤场铟挥发 窑用焦配煤项 目得到了切实有效 的开展 。该项 目主要是将铟挥发窑产出渣 中的焦炭分选出来 ， 经过配煤工序的活性处理， 与新焦炭合理搭配， 重新进入铟挥发窑使用， 从而减少铟挥发窑新焦的使用量， 达到节能降耗的 目的。截至 2 0 1 0 年 1 1 月份 ， 公司累计使用残焦 8 5 5 6 t ， 按 2 0 1 0 年新焦采购价格 以及根据残 焦 的固定碳 、 发热值与新焦 的实际比值等数据测定的残焦价值 9 4 5 ． 5 4 元／ t 计算 ， 该公 司全年在残焦 回收利用 上成效显著 ， 为公 司节省成本开支 8 0 9 万元 。