PLC在铜电解液循环系统中的应用

曹 瑜

（云南铜业股份有限公司，云南 昆明 650102）

PLC在铜电解液循环系统中的应用

曹 瑜

（云南铜业股份有限公司，云南 昆明 650102）

叙述了PLC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。

铜；电解液循环系统；液位控制；PLC；温度控制；流量控制

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63～65℃。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，提高循环系统的工作效率，避免人为操作不当造成高位槽电解液被拉空及溢出。为了满足电解液循环系统的要求，云铜将PLC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63～65℃。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PID控制模块进行PID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，故设置了蒸汽入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1 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PID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PID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。

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。

图2 高位槽液位控制系统模型

该数学模型如下：

式中：T0——过程时间常数；

K0——放大系数；

τ——滞后时间。

根据物料平衡关系，高位槽流入量Q1与流出量Q2之差等于槽中电解液储量的变化率:

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Q1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τ。对于纯滞后系统的控制，如果采用常规PID可能导致系统动态性能不好，故考虑采用微分先行PID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：

微分先行PID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PID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PID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PID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入安全槽，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S7-414PLC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SIE⁃MENS公司PROFIBUS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1 000 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200 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ROFIBUS DP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。

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65℃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PLC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，个别输入输出信号出现误信号，导致数据错误。PLC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。

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，工程师，在云南铜业股份有限公司工程部设计中心从事仪控专业施工图设计及管理工作。

2010-09-03

2010-12-20