曹 瑜

（云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）

PLC在銅電解液循環(huán)系統(tǒng)中的應(yīng)用

曹 瑜

（云南銅業(yè)股份有限公司，云南 昆明 650102）

敘述了PLC在電解液循環(huán)系統(tǒng)高位槽液位、溫度、流量控制中的應(yīng)用，詳細(xì)介紹了控制原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、重要控制回路以及現(xiàn)場(chǎng)儀表的選型。

銅；電解液循環(huán)系統(tǒng)；液位控制；PLC；溫度控制；流量控制

0 前言

銅電解生產(chǎn)過程中，電解液必須不斷地循環(huán)流動(dòng)，目的是補(bǔ)充熱量，使電解液溫度滿足工藝要求，同時(shí)進(jìn)行過濾，濾除其中的懸浮物，使其清潔度滿足生產(chǎn)高質(zhì)量陰極銅的要求。電解液循環(huán)系統(tǒng)的主要設(shè)備有循環(huán)液貯槽、高位槽、供液管道、換熱器和過濾設(shè)備等。提高溫度，有利于降低電解液的粘度，消除陰極附近銅離子嚴(yán)重貧化現(xiàn)象，使銅在陰極上均勻析出。但溫度過高，添加劑的消耗量增加，電解液的蒸發(fā)損失增大，通常情況下，電解液的溫度維持在63～65℃。實(shí)現(xiàn)電解液高位槽液位的自動(dòng)控制，能夠保證電解液循環(huán)速度均勻穩(wěn)定，提高循環(huán)系統(tǒng)的工作效率，避免人為操作不當(dāng)造成高位槽電解液被拉空及溢出。為了滿足電解液循環(huán)系統(tǒng)的要求，云銅將PLC用于電解液循環(huán)系統(tǒng)高位槽液位、溫度、流量平衡控制。本文敘述了控制系統(tǒng)框架的配置、控制回路的設(shè)置及現(xiàn)場(chǎng)儀表的選型。

1 主要控制回路

1.1 溫度控制回路

電解液溫度一般要求控制在63～65℃。電解液是通過鈦換熱器加熱的，因此每臺(tái)鈦換熱器都配有一套單回路溫度控制系統(tǒng)。通過PID控制模塊進(jìn)行PID運(yùn)算，調(diào)節(jié)蒸汽閥開度，使加熱器出口電解液溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。由于蒸汽的壓力、流量都不穩(wěn)定，故在蒸汽總管上設(shè)置了一個(gè)調(diào)節(jié)閥，以蒸汽壓力作為被控量，調(diào)節(jié)蒸汽總管調(diào)節(jié)閥的開度，使蒸汽壓力穩(wěn)定在設(shè)定值。當(dāng)整個(gè)電解車間停電或鈦換熱器對(duì)應(yīng)的循環(huán)泵停止運(yùn)行時(shí)，需關(guān)閉鈦換熱器的蒸汽閥，故設(shè)置了蒸汽入口閥和循環(huán)泵的聯(lián)鎖，循環(huán)泵停止運(yùn)行時(shí)相應(yīng)鈦換熱器蒸汽閥關(guān)閉。圖1為帶主要控制回路的流程圖。

圖1 帶主要控制回路的流程圖

1.2 液位控制回路

1.2.1 高位槽液位控制

電解槽液位穩(wěn)定,是液位控制的最終目標(biāo)。只有高位槽的液位穩(wěn)定，才能保持電解槽進(jìn)液量的穩(wěn)定。高位槽配有6臺(tái)電解液循環(huán)泵，這6臺(tái)泵均為變頻控制，根據(jù)槽面情況決定所開臺(tái)數(shù)。當(dāng)高位槽液位高于或低于設(shè)定值時(shí)，通過高位槽液位PID調(diào)節(jié)回路調(diào)節(jié)變頻器的頻率，以保證高位槽的液位穩(wěn)定在設(shè)定值。由于調(diào)節(jié)回路的控制對(duì)象為6臺(tái)變頻泵，交換速度極快，而高位槽的結(jié)構(gòu)造成該液位控制系統(tǒng)是一個(gè)滯后、非自平衡的系統(tǒng)，因此在PID參數(shù)的整定上要反復(fù)試驗(yàn)，最后采用微分先行的控制方式克服系統(tǒng)的超調(diào)現(xiàn)象。

高位槽分三個(gè)室，1室與2室為底部連通，2室與3室為頂部連通，即1室2室之間的液位始終是保持一致的，當(dāng)2室液位高過隔板的時(shí)候，3室的液位才會(huì)發(fā)生改變，而需要進(jìn)行精確控制的是3室的液位，所以整個(gè)高位槽是一個(gè)單容的純滯后的系統(tǒng)，系統(tǒng)模型見圖2。

圖2 高位槽液位控制系統(tǒng)模型

該數(shù)學(xué)模型如下：

式中：T0——過程時(shí)間常數(shù)；

K0——放大系數(shù)；

τ——滯后時(shí)間。

根據(jù)物料平衡關(guān)系，高位槽流入量Q1與流出量Q2之差等于槽中電解液儲(chǔ)量的變化率:

隨著3室液位的改變，輸出流量也在發(fā)生改變。輸出流量可以根據(jù)液位高度計(jì)算得出，然后通過該值控制進(jìn)液流量，從而保證液位的穩(wěn)定。但是從Q1進(jìn)入高位槽的電解液到達(dá)3室存在一段時(shí)間的滯后，這個(gè)滯后時(shí)間就是系統(tǒng)的純滯后時(shí)間常數(shù)τ。對(duì)于純滯后系統(tǒng)的控制，如果采用常規(guī)PID可能導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能不好，故考慮采用微分先行PID控制或者史密斯補(bǔ)償控制來改善系統(tǒng)的控制質(zhì)量。微分先行控制框圖見圖3。

圖3 微分先行控制框圖

系統(tǒng)的隨動(dòng)特性級(jí)抗擾動(dòng)特性為：

微分先行PID控制是將微分作用提前，即包含了一個(gè)先行的微分環(huán)節(jié)。微分環(huán)節(jié)的輸出信號(hào)包含了被控參數(shù)及其變化速度值，將其作為測(cè)量值輸入到比例積分控制器中，可使系統(tǒng)克服超調(diào)的作用加強(qiáng)，從而補(bǔ)償過程滯后，達(dá)到改善系統(tǒng)控制品質(zhì)的目的。采用PID的微分先行控制方案，可較好地抑制滯后系統(tǒng)的超調(diào)量，控制性能良好，且不需要進(jìn)行模型識(shí)別，所以微分先行PID控制具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、易于工業(yè)實(shí)現(xiàn)等諸多優(yōu)點(diǎn)，比史密斯補(bǔ)償控制相更具有優(yōu)越性，因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)指標(biāo)得到改善。經(jīng)多次PID參數(shù)整定后，微分先行控制運(yùn)行較為穩(wěn)定、可靠。

1.2.2 循環(huán)槽液位控制

循環(huán)槽液位的設(shè)定值，首先應(yīng)保證主循環(huán)泵安全運(yùn)行的液位高度，同時(shí)要考慮突發(fā)停電事故時(shí)，整個(gè)循環(huán)系統(tǒng)管道電解液回流留有不發(fā)生溢流的空間。

當(dāng)循環(huán)槽液位低于控制液位下限時(shí)，電解液循環(huán)槽與安全槽連通的平衡管之一（一備一用）調(diào)節(jié)閥自動(dòng)打開向循環(huán)槽補(bǔ)液，循環(huán)槽液位接近控制點(diǎn)，平衡管調(diào)節(jié)閥自動(dòng)關(guān)閉。當(dāng)循環(huán)槽液位高于控制液位上限時(shí)，與電解液循環(huán)槽底相連通的安全槽泵自動(dòng)起動(dòng)將循環(huán)槽內(nèi)多余電解液打入安全槽，循環(huán)槽液位接近控制點(diǎn)，安全槽泵自動(dòng)停止。

2 控制系統(tǒng)

采用一套西門子的S7-414PLC系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制和監(jiān)測(cè)功能。本控制系統(tǒng)方案以工業(yè)以太網(wǎng)和SIE?MENS公司PROFIBUS兩層網(wǎng)絡(luò)為主線。由于電解分廠的生產(chǎn)線長，各工序、廠房和操作室相距較遠(yuǎn)，故設(shè)置兩個(gè)操作員站和一個(gè)遠(yuǎn)程I/O站，其中一個(gè)操作站設(shè)置在循環(huán)系統(tǒng)操作室，另一個(gè)設(shè)置在電解分廠調(diào)度室，兩個(gè)操作站相距1 000 m左右，用光纜連接，遠(yuǎn)程和就地均可完成監(jiān)測(cè)和控制。因涉及變頻器等的電氣控制參數(shù)及I/O點(diǎn)均集中于電氣低壓配電室，而低壓配電室與循環(huán)系統(tǒng)的距離200 m左右，故設(shè)置一遠(yuǎn)程I/O站，遠(yuǎn)程I/O站和主控柜之間采用ROFIBUS DP電纜連接。如果不設(shè)置遠(yuǎn)程I/O站，而是把所有電氣控制信號(hào)均接入主控柜，將增加電纜敷設(shè)費(fèi)用，且控制系統(tǒng)處于強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境中，信號(hào)容易被干擾，維護(hù)也不方便。

控制系統(tǒng)的配置圖見圖4。

圖4 控制系統(tǒng)的配置圖

3 儀表選型

電解液循環(huán)系統(tǒng)需檢測(cè)和控制的主要參數(shù)為溫度、液位、流量和壓力，由于電解液含有硫酸、砷、銻、鉍、鈣及氯離子等多種組分，其腐蝕性強(qiáng)、易結(jié)晶結(jié)垢，因此在儀表選型時(shí)做了充分考慮,并借鑒以往的經(jīng)驗(yàn)。液位測(cè)量盡量選用非接觸式儀表，如超聲波液位計(jì)和雷達(dá)液位計(jì)。電解液的溫度為65℃左右，產(chǎn)生的冷凝水如果附著在雷達(dá)液位計(jì)的天線上，會(huì)產(chǎn)生誤信號(hào)，所以雷達(dá)液位計(jì)的天線盡量選用抗冷凝水的天線；電解液溫度測(cè)量選用襯四氟保護(hù)管熱電阻，以免腐蝕；流量選用抑制直流電磁干擾的襯四氟電磁流量計(jì)。為了克服電解液易結(jié)垢，檢修除垢過程中極容易破壞襯氟的問題，選用閥芯材料為雙向不銹鋼的調(diào)節(jié)蝶閥。雙向不銹鋼具有很高的抗應(yīng)力腐蝕破裂的能力，機(jī)械強(qiáng)度高。此類閥投運(yùn)近一年，仍運(yùn)行良好。

4 結(jié)束語

電解液循環(huán)系統(tǒng)采用PLC系統(tǒng)控制，改變了原來手動(dòng)操作模式，滿足了對(duì)電解液溫度和液位控制的基本要求。特別是電解液液位實(shí)現(xiàn)控制，杜絕了人為操作失誤造成的高位槽電解液被拉空和溢出的情況，大大降低了操作員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了循環(huán)系統(tǒng)的工作效率，相應(yīng)地提高了陰極銅的質(zhì)量，同時(shí)為即將投運(yùn)的電解九、十跨積累了經(jīng)驗(yàn)。

該系統(tǒng)目前還存在一些的問題需要改進(jìn)，由于電解分廠電磁污染嚴(yán)重，而設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)抗干擾問題考慮不夠，個(gè)別輸入輸出信號(hào)出現(xiàn)誤信號(hào)，導(dǎo)致數(shù)據(jù)錯(cuò)誤。PLC系統(tǒng)干擾問題將采用硬件和軟件接合的措施解決。另外將優(yōu)化高位槽液位的控制模式，使液位控制更精確。

Abstract:This paper introduced the application of PLC in control of liquid level of elevated tank,temperature and flow in electrolyte circulating system,and particularly presented the control principle,system structure,net?work topology,important control circuit and electrical meters selection in site.

Key words:copper;electrolyte circulating system;liquid level control;PLC;temperature control;flow control

Application of PLC in circulating system of copper electrolyte

CAO Yu

TF811.044

B

1672-6103（2011）01-0039-03

曹 瑜（1974—），女，工程師，在云南銅業(yè)股份有限公司工程部設(shè)計(jì)中心從事儀控專業(yè)施工圖設(shè)計(jì)及管理工作。

2010-09-03

2010-12-20