DCS控制系統(tǒng)在銅電解生產(chǎn)中的應(yīng)用

樂(lè)安勝， 謝紅輝

(1.大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

DCS控制系統(tǒng)在銅電解生產(chǎn)中的應(yīng)用

樂(lè)安勝1， 謝紅輝2

(1.大冶有色金屬集團(tuán)控股有限公司， 湖北 黃石 435005； 2.中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

本文介紹了DCS系統(tǒng)在大冶有色30萬(wàn)t電解項(xiàng)目的具體應(yīng)用，敘述了銅電解儀表的選型、DCS系統(tǒng)的配置、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝的監(jiān)控等。在主控室操作員站可以實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝設(shè)備的啟停、順序和邏輯控制、運(yùn)行參數(shù)和故障的監(jiān)視、生產(chǎn)過(guò)程的集中監(jiān)控、各種自動(dòng)數(shù)據(jù)處理，從而實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的穩(wěn)定、高效、可靠運(yùn)行。

DCS； 銅電解； 永久陰極法

DCS是分布式控制系統(tǒng)的英文縮寫(xiě)(Distributed Control System),在國(guó)內(nèi)自控行業(yè)又稱(chēng)之為集散控制系統(tǒng)，即所謂的分布式控制系統(tǒng)或集散系統(tǒng)，是相對(duì)于集中式控制系統(tǒng)而言的一種新型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。它是在集中式控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上發(fā)展、演變而來(lái)的，其基本思想是分散控制、集中操作、分級(jí)管理、配置靈活以及組態(tài)方便[1-5]。

1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

大冶有色是國(guó)有控股的大型銅冶煉企業(yè)，主要

產(chǎn)品是高純陰極銅和工業(yè)硫酸，年生產(chǎn)能力分別為70萬(wàn)t和120萬(wàn)t。30萬(wàn)t電解項(xiàng)目于2012年10月竣工投產(chǎn)，采用不銹鋼永久陰極法,包括銅電解精煉、電解液凈化、循環(huán)水、道路及管網(wǎng)等。該項(xiàng)目采用先進(jìn)的工藝流程和設(shè)備，自動(dòng)控制方面采用先進(jìn)的控制策略和控制設(shè)備，自動(dòng)化水平優(yōu)于國(guó)內(nèi)同行業(yè)先進(jìn)水平[6],工藝流程圖見(jiàn)圖1。生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用了DCS控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控，提升了生產(chǎn)自動(dòng)化水平，提高了生產(chǎn)效率，為企業(yè)更好更快發(fā)展打下了基礎(chǔ)。

圖1 工藝流程圖

2 DCS系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 儀表選型

銅電解中介質(zhì)一般都具有腐蝕性，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境也較為惡劣。溫度檢測(cè)儀表采用熱電阻和分體式溫度變送器，要求溫度變送器帶現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字顯示。電解液為腐蝕性介質(zhì)，采用防腐熱電阻。壓力檢測(cè)儀表根據(jù)不同要求，分別選用壓力表、智能壓力變送器、法蘭隔膜壓力變送器。液位檢測(cè)儀表根據(jù)不同工況，分別選用雷達(dá)液位計(jì)、超聲波液位計(jì)、電容液位計(jì)、音叉液位開(kāi)關(guān)等。流量檢測(cè)儀表根據(jù)不同介質(zhì)，分別選用電磁流量計(jì)、威力巴流量計(jì)等。分析檢測(cè)儀表根據(jù)不同要求，分別選用pH計(jì)、電導(dǎo)率分析儀等。執(zhí)行機(jī)構(gòu)采用氣動(dòng)執(zhí)行器、氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、氣動(dòng)切斷閥。

2.2 DCS系統(tǒng)配置

電解工藝過(guò)程控制采用技術(shù)先進(jìn)的分散控制系統(tǒng)(DCS)。DCS 控制系統(tǒng)采用集中控制方式，儀控和電控共用一個(gè)控制系統(tǒng)，所有檢測(cè)的工藝參數(shù)和電動(dòng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、故障狀態(tài)均進(jìn)入控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、順序控制、聯(lián)鎖保護(hù)和與PLC的通訊等功能。

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要對(duì)電解廠(chǎng)房、硫酸銅廠(chǎng)房、一二段脫銅廠(chǎng)房和空壓機(jī)站等進(jìn)行控制。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分為兩層。第一層為工廠(chǎng)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，采用的是工業(yè)以太網(wǎng)，連接工程師站、操作員站以及各控制站。第二層網(wǎng)絡(luò)為控制網(wǎng)絡(luò)，連接控制站與現(xiàn)場(chǎng)儀表及設(shè)備。在第二層網(wǎng)絡(luò)中，電解廠(chǎng)房采用的是FF總線(xiàn)儀表，為現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)控制方式。硫酸銅廠(chǎng)房、一二段脫銅廠(chǎng)房及空壓機(jī)站采用的是帶HART協(xié)議的儀表，采用硬接線(xiàn)的方式。

2.4 DCS與第三方設(shè)備通訊

2.4.1 精密過(guò)濾機(jī)

精密過(guò)濾機(jī)在銅電解中主要是過(guò)濾電解液中大部分懸浮雜質(zhì)，確保陰極銅的質(zhì)量。精密過(guò)濾機(jī)有一套獨(dú)立的DCS控制系統(tǒng),將數(shù)據(jù)接入電解工藝流程的DCS系統(tǒng)，點(diǎn)擊分工藝流程的精密過(guò)濾機(jī)顯示出為控制界面，設(shè)置運(yùn)行情況界面按鈕，方便調(diào)出具體的運(yùn)行情況工藝參數(shù)。精密過(guò)濾機(jī)運(yùn)行界面在工藝流程的DCS的顯示圖見(jiàn)圖3。

圖3 精密過(guò)濾機(jī)運(yùn)行界面在工藝流程的DCS的顯示圖

2.4.2 硫酸銅真空蒸發(fā)系統(tǒng)

硫酸銅真空蒸發(fā)系統(tǒng)是一套獨(dú)立的DCS控制系統(tǒng)，將其生產(chǎn)和運(yùn)行情況數(shù)據(jù)傳遞到主控室，接入電解的工藝流程的DCS系統(tǒng)，電解液的進(jìn)出量和蒸汽耗量在線(xiàn)顯示，便于整個(gè)電解車(chē)間協(xié)調(diào)生產(chǎn)的運(yùn)行。硫酸銅系統(tǒng)運(yùn)行界面在工藝流程的DCS的顯示面圖見(jiàn)圖4。

3 在生產(chǎn)工藝控制的應(yīng)用

在銅電解的工藝控制中，主要監(jiān)控電解液的溫度、各種貯槽液位、各種工藝介質(zhì)的轉(zhuǎn)運(yùn)量和設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)和工藝數(shù)據(jù)處理等。

3.1 鈦板加熱器溫度控制

在銅電解過(guò)程中，一般電解液溫度控制在60～65 ℃，通過(guò)鈦板換熱器使用蒸氣對(duì)電解液進(jìn)行加熱，每臺(tái)鈦板換熱器設(shè)置一套單回路溫度控制系統(tǒng)。用熱電偶測(cè)量分液缸出口的電解液溫度，通過(guò)DCS的PID控制模塊進(jìn)行PID運(yùn)算，自動(dòng)調(diào)節(jié)入口蒸汽閥門(mén)開(kāi)度，使加熱器出口電解液溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。實(shí)現(xiàn)電解液溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)，確保陰極銅質(zhì)量。

3.2 液位監(jiān)控

在整個(gè)電解系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，所有貯槽選用超聲波和雷達(dá)液位計(jì)測(cè)量液位。在銅電解生產(chǎn)中，為了確保陰極銅的質(zhì)量，需要連續(xù)向電解液中加入骨膠、硫脲、阿維酮及鹽酸等添加劑。一般是人工配制好的一罐添加劑溶液在規(guī)定的時(shí)間周期里均勻地加入。以前采用浮筒判別加入的速度，誤差非常大，現(xiàn)在通過(guò)觀察液位線(xiàn)趨勢(shì)，很精確的知道加入速度，及時(shí)調(diào)整速度。陽(yáng)極泥地坑在電解槽下，過(guò)去由操作人員到現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)停泵來(lái)管理液位，現(xiàn)在采用雷達(dá)液位計(jì)來(lái)控制攪拌機(jī)及出液泵的開(kāi)停，實(shí)現(xiàn)液位自動(dòng)控制，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。在電解過(guò)程中電解液循環(huán)流動(dòng)，當(dāng)?shù)臀徊酆透呶徊垡何贿^(guò)低時(shí)氣泡就會(huì)夾雜在電解液中影響電解銅質(zhì)量，過(guò)高會(huì)漫液，容易造成嚴(yán)重的環(huán)保事故。用超聲波液位計(jì)測(cè)量高低位槽液位，并設(shè)置高低位禁戒線(xiàn)和高低位報(bào)警線(xiàn)，當(dāng)液位出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警提示，提醒操作人員操作。轉(zhuǎn)液貯槽液位監(jiān)控，在電解系統(tǒng)每天大量的電解液從一個(gè)貯槽轉(zhuǎn)輸?shù)搅硪毁A槽，以前是人員守在貯槽邊，通過(guò)觀察浮筒判斷貯槽里的液量，經(jīng)常因?yàn)槭韬霭l(fā)生漫液事故?，F(xiàn)在用超聲波測(cè)量液位，在DCS系統(tǒng)設(shè)置高液位預(yù)警線(xiàn)和報(bào)警線(xiàn)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控液位[7-8]。

3.3 計(jì)量和測(cè)量

在銅電解中大量的工藝介質(zhì)需要精確計(jì)量，方便生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)。在所有需要計(jì)量的工藝介質(zhì)管道上安裝流量計(jì)，并將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳入DCS控制系統(tǒng)。電解液的轉(zhuǎn)運(yùn)量較大，為系統(tǒng)銅酸的平衡，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)出液量進(jìn)行計(jì)量。原先用浮筒測(cè)量，現(xiàn)在可以時(shí)刻監(jiān)控電解液的進(jìn)出量。電解系統(tǒng)使用的蒸氣和壓縮風(fēng)，原先是在管道上安裝壓力表，人工現(xiàn)場(chǎng)讀取讀數(shù)，現(xiàn)在管道安裝在線(xiàn)檢測(cè)壓力表，實(shí)時(shí)傳輸數(shù)據(jù)，DCS界面實(shí)時(shí)顯示,并設(shè)置高低報(bào)警線(xiàn)，當(dāng)出現(xiàn)異常，主控系統(tǒng)自動(dòng)發(fā)出提示，使生產(chǎn)能及時(shí)快速作出調(diào)整。

3.4 設(shè)備控制

電解車(chē)間所有泵所配置的控制柜可以實(shí)現(xiàn)手動(dòng)按鈕操作和上位機(jī)HMI操作兩種模式，為了能使泵具有雙控功能，既能本地操作，又能通過(guò)遠(yuǎn)程操作。需要在低壓電氣柜上增加一個(gè)兩位旋鈕開(kāi)關(guān)，為本地控制和遠(yuǎn)程控制提供切換控制點(diǎn)。在DCS系統(tǒng)設(shè)置各種設(shè)備運(yùn)行正常時(shí)的電流大小和變頻參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)異常時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)異常提示或者設(shè)備自動(dòng)停止運(yùn)行，其中循環(huán)水系統(tǒng)操作界面如圖5。

圖5 循環(huán)水系統(tǒng)操作面板

3.5 生產(chǎn)數(shù)據(jù)處理

在銅電解過(guò)程中，大量的數(shù)據(jù)需要進(jìn)行收集、統(tǒng)計(jì)和分析，以便后期的生產(chǎn)調(diào)整和生產(chǎn)成本核算。原先需要人工統(tǒng)計(jì)轉(zhuǎn)液量、蒸氣消耗、水和壓縮風(fēng)等能耗，進(jìn)行每日累加，匯總分析，制作各種生產(chǎn)報(bào)表，精確性和及時(shí)性較差?，F(xiàn)在DCS系統(tǒng)實(shí)時(shí)顯示各種轉(zhuǎn)液量和各種能耗，編制自動(dòng)生產(chǎn)報(bào)表程序，電腦生成每日、每周和每月的各種生產(chǎn)報(bào)表，精確、快捷和及時(shí)獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

大冶有色30萬(wàn)t銅電解項(xiàng)目工藝過(guò)程控制DCS系統(tǒng)，自2012年10月投產(chǎn)以來(lái)，運(yùn)作正常平穩(wěn)。銅電解用DCS工藝過(guò)程集中監(jiān)測(cè)后，各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)能及時(shí)的反應(yīng)生產(chǎn)運(yùn)行情況及設(shè)備的運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。主控室對(duì)各個(gè)設(shè)備進(jìn)行啟停操作和相關(guān)運(yùn)行參數(shù)的監(jiān)測(cè)，并能方便的發(fā)現(xiàn)故障問(wèn)題的發(fā)生，提升了設(shè)備的管理和維護(hù)水平。運(yùn)用工藝過(guò)程控制DCS系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)效率，同時(shí)節(jié)省了人力和物力，降低了生產(chǎn)成本，提高了企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。

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美國(guó)FPL計(jì)劃新增八座光伏電站共計(jì)600 MW

美國(guó)佛羅里達(dá)州Florida Power&Light(FPL)宣布擴(kuò)大其近期太陽(yáng)能發(fā)電新計(jì)劃。FPL目前計(jì)劃在2018年初在八個(gè)站點(diǎn)建造新的太陽(yáng)能光伏廠(chǎng)，包括使用超過(guò)250萬(wàn)塊太陽(yáng)能電池板。這八座太陽(yáng)能光伏電站每一個(gè)規(guī)模都是74.5 MW，總共近600 MW，足以為大約12萬(wàn)個(gè)家庭供電。這些工廠(chǎng)將位于佛羅里達(dá)州的各個(gè)地點(diǎn)。FPL目前運(yùn)營(yíng)超過(guò)335 MW的太陽(yáng)能發(fā)電能力，足以為60 000個(gè)家庭供電。

DCS application in copper electrolysis production

YUE An-sheng, XIE Hong-hui

This paper introduces the application of DCS in Daye Nonferrous’s 300 kt/a electrolytic refining project and describes the copper electrolysis instrument selection, DCS configuration, network structure design and production process monitoring. The operator station can realize process equipment start-stop, sequence and logic control, operation parameters and fault monitoring, the centralized monitoring of production process as well as automatic data processing in central control room so as to achieve the goal of stable, efficient and reliable operation.

DCS; copper electrolysis; permanent cathode electrolysis

樂(lè)安勝(1983—)，男，湖北大冶人，冶金工程師，從事冶金生產(chǎn)技術(shù)工作。

2016-- 01-- 13

TF811； TF355.4

B

1672-- 6103(2017)02-- 0045-- 04