和利時MACS-K 控制系統在電解車間的應用

康冬榮

（中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330038）

和利時MACS-K 系列分布式控制系統是和利時公司在總結十多年用戶需求和多行業應用特點基礎上推出的第五代大中型DCS 控制系統。 該系統充分吸取國際工業電子技術和工業控制技術的最新成果，嚴格遵循國際先進的工業標準，通過可靠的軟件平臺和軟件設計技術以及現場總線技術，采用高性能的微處理器和成熟的先進控制算法，全面提高了系統性能，能適應更廣泛復雜的應用要求，為不同工業領域提供個性化的解決方案。其全冗余、多重隔離等可靠性設計技術以及安全系統的設計理念能保證系統長期穩定運行，并具有數據采集、控制運算、控制輸出、設備和狀態監視、報警監視、遠程通訊、實時數據處理和顯示、歷史數據管理、日志記錄、事故順序識別、事故追憶、控制調節、報表打印、高級計算，以及這些信息的組態、調試、打印、下載、診斷等功能。 本文擬介紹MACS-K 控制系統在某銅電解車間的應用。

1 電解精煉工藝簡介

粗銅經火法精煉澆鑄成陽極，用不銹鋼制成薄片作陰極，以硫酸(H2SO4)和硫酸銅(CuSO4)的混和液作為電解液。 通電后,銅從陽極溶解成銅離子向陰極移動，到達陰極后獲得電子而在陰極析出（含銅99.99%以上）。 陽極中的雜質中，比銅活潑的鐵和鋅等會隨銅一起溶解為離子；化學性質不如銅活潑的雜質，如金和銀等，則沉積在電解槽的底部。由于鐵、鋅離子與銅離子相比不易析出，所以電解時只要適當調節電位差即可避免這些離子在陽極上析出。

2 總體控制方案

MACS-K 控制系統的多重冗余技術包括電源冗余、過程信息網冗余（控制器冗余、IO 網冗余）、過程控制網冗余（通訊卡冗余、上位機網冗余），確保了系統的可靠性。 某銅電解車間和利時MACS-K 控制系統結構[1]如圖1 所示。

圖1 控制系統結構

3 系統功能

本控制系統負責完成年產300 kt 電解銅車間的設備控制和監視，主要包含電解南儀表及電氣設備、電解北儀表及電氣設備、凈液工序儀表及電氣設備、公用循環水儀表及電氣設備。

3.1 電解液循環系統

以電解北系統為例： 電解液循環槽中的電解液通過循環泵輸送至板式換熱器加熱后到達高位槽，高位槽電解液自流到電解槽。 電解槽中的電解液溢流回到循環槽； 板式換熱器中冷凝水回到冷凝水槽中；電解液循環槽通過冷凝水輸送泵補水；電解槽底陽極泥地坑收集的電解液通過壓縮空氣攪拌后用泵送至濃縮機。

電解北系統總共有4 臺電解液循環變頻泵，3 用1 備，平時2 臺工頻運行，1 臺變頻運行。該系統通過PID 調節頻率來控制高位槽液位； 通過PID 調節蒸汽總管閥門的開度來控制蒸汽總管壓力； 通過調節蒸汽入口調節閥來控制換熱器溫度， 從而控制電解液溫度。如系統檢測到所有循環泵都停止，則連鎖關閉高位槽入口閥，同時關閉蒸汽總管閥。

陽極泥地坑液位控制在連鎖且自動情況下實現無人值守，處于高液位（大于設定值L1）時地坑泵運行，低液位（小于設定值L2）時地坑泵停止。 控制過程如圖2 所示。

圖2 陽極泥地坑自動控制過程

3.2 電解液添加劑系統

根據電解工藝控制要求，600 mm 高度儲罐的骨膠添加劑要在23.5 h 均勻加完。 電磁閥每次打開加3 mm 高度后關閉，間隔一段時間后再次打開。

3.2.1 控制難點

實際操作過程中存在液位計測量響應滯后的問題：在放液過程中，系統要求液位下降3 mm，但等液面穩定下來后進行測量，其實際下降了7 mm 多，不能滿足生產要求。

3.2.2 解決方案

1）放液時間間隔修正。 因為每次放液不能保證精確到3 mm 的高度，需要允許一定的誤差范圍，且要保證在23.5 h 內均勻放完， 這就得進行時間間隔修正計算。 當放液量超過3 mm 時，后面的放液時間間隔就相應加長；放液量少于3 mm 時，后面放液時間間隔就相應縮短。

計算方案：假設1 d 添加劑放液總時間T=23.5 h,罐體總高度H=600 mm, 單次放液高度△H=3 mm,已放液時間為T1（單位為min），剩余放液次數為C，剩余液體高度為H1， 放液時間間隔為T2(單位為min)，則T2= (60×T-T1)/C，C= H1/△H。

2）放液時間修正。液位計測量的動態響應滯后，但液位靜止時測量精度可以達到要求， 因此可加上個放液時間T3(單位為s）來控制電磁閥關閉。 修正原理如下：電磁閥打開前讀取一次液位值（L′）,后一次開閥前讀液位值（L″）,前后兩次穩定液位差值與單次放液高度△H=3 mm 進行比較； 放液過多就減1 s電磁閥打開時間，放液過少就加1 s 電磁閥打開時間。

通過上述放液時間間隔修正和放液時間修正，可以達到工藝的控制要求，每次放液高度在2.8～3.2 mm 之間。

3.3 電解短路開關系統

電解短路開關控制要與電解行車進行數據交換，提高生產的安全性和效率：當電解短路開關處于合狀態時， 行車才能從電解槽內提取陰極銅和電解殘極或放下陽極板或陰極板；當行車對電解槽做提取或放下物體的動作時，短路開關處于鎖定合狀態，無法人為對短路開關進行分閘操作。

為了進一步提高安全性，不管現場操作還是DCS操作分閘，都必須經DCS 發出分閘允許指令（行車鎖定情況下指令發不出），分閘完成后5 s 內自動取消分閘允許指令。為了保護槽電壓測量設備，分閘期間切斷測量回路（切斷信號來自分閘允許指令發出的觸點信號）。

短路開關與行車相互連鎖能最大限度地減少人為的誤操作， 一方面防止行車作業時人為對短路開關進行分閘操作，另一方面防止電解槽通電時，防止行車誤作業。 操作畫面如圖3 所示。

圖3 電解短路開關操作畫面

電解車間對DCS 的穩定性要求比較高。 實踐表明，該系統能夠滿足銅電解的自動控制要求，并且具有先進、可靠、控制性能好等優點。