樂安勝， 謝紅輝

(1.大冶有色金屬集團控股有限公司， 湖北 黃石 435005； 2.中國恩菲工程技術(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

樂安勝1， 謝紅輝2

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

本文介紹了DCS系統(tǒng)在大冶有色30萬t電解項目的具體應(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、生產(chǎn)工藝的監(jiān)控等。在主控室操作員站可以實現(xiàn)對工藝設(shè)備的啟停、順序和邏輯控制、運行參數(shù)和故障的監(jiān)視、生產(chǎn)過程的集中監(jiān)控、各種自動數(shù)據(jù)處理，從而實現(xiàn)生產(chǎn)過程的穩(wěn)定、高效、可靠運行。

DCS； 銅電解； 永久陰極法

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

1 項目簡介

大冶有色是國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t和120萬t。30萬t電解項目于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。該項目采用先進的工藝流程和設(shè)備，自動控制方面采用先進的控制策略和控制設(shè)備，自動化水平優(yōu)于國內(nèi)同行業(yè)先進水平[6],工藝流程圖見圖1。生產(chǎn)控制系統(tǒng)采用了DCS控制系統(tǒng)進行監(jiān)控，提升了生產(chǎn)自動化水平，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

2.1 儀表選型

銅電解中介質(zhì)一般都具有腐蝕性，現(xiàn)場環(huán)境也較為惡劣。溫度檢測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。液位檢測儀表根據(jù)不同工況，分別選用雷達液位計、超聲波液位計、電容液位計、音叉液位開關(guān)等。流量檢測儀表根據(jù)不同介質(zhì)，分別選用電磁流量計、威力巴流量計等。分析檢測儀表根據(jù)不同要求，分別選用pH計、電導(dǎo)率分析儀等。執(zhí)行機構(gòu)采用氣動執(zhí)行器、氣動調(diào)節(jié)閥、氣動切斷閥。

2.2 DCS系統(tǒng)配置

電解工藝過程控制采用技術(shù)先進的分散控制系統(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控制系統(tǒng)，所有檢測的工藝參數(shù)和電動設(shè)備的運行狀態(tài)、故障狀態(tài)均進入控制系統(tǒng)。DCS系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、模擬量控制、順序控制、聯(lián)鎖保護和與PLC的通訊等功能。

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計

本系統(tǒng)主要對電解廠房、硫酸銅廠房、一二段脫銅廠房和空壓機站等進行控制。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。第一層為工廠級網(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)場儀表及設(shè)備。在第二層網(wǎng)絡(luò)中，電解廠房采用的是FF總線儀表，為現(xiàn)場總線控制方式。硫酸銅廠房、一二段脫銅廠房及空壓機站采用的是帶HART協(xié)議的儀表，采用硬接線的方式。

2.4 DCS與第三方設(shè)備通訊

2.4.1 精密過濾機

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

圖3 精密過濾機運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)是一套獨立的DCS控制系統(tǒng)，將其生產(chǎn)和運行情況數(shù)據(jù)傳遞到主控室，接入電解的工藝流程的DCS系統(tǒng)，電解液的進出量和蒸汽耗量在線顯示，便于整個電解車間協(xié)調(diào)生產(chǎn)的運行。硫酸銅系統(tǒng)運行界面在工藝流程的DCS的顯示面圖見圖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)運量和設(shè)備的運行狀態(tài)和工藝數(shù)據(jù)處理等。

3.1 鈦板加熱器溫度控制

在銅電解過程中，一般電解液溫度控制在60～65 ℃，通過鈦板換熱器使用蒸氣對電解液進行加熱，每臺鈦板換熱器設(shè)置一套單回路溫度控制系統(tǒng)。用熱電偶測量分液缸出口的電解液溫度，通過DCS的PID控制模塊進行PID運算，自動調(diào)節(jié)入口蒸汽閥門開度，使加熱器出口電解液溫度穩(wěn)定在設(shè)定值上。實現(xiàn)電解液溫度自動調(diào)節(jié)，確保陰極銅質(zhì)量。

3.2 液位監(jiān)控

在整個電解系統(tǒng)，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境，所有貯槽選用超聲波和雷達液位計測量液位。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)在通過觀察液位線趨勢，很精確的知道加入速度，及時調(diào)整速度。陽極泥地坑在電解槽下，過去由操作人員到現(xiàn)場開停泵來管理液位，現(xiàn)在采用雷達液位計來控制攪拌機及出液泵的開停，實現(xiàn)液位自動控制，降低了工人的勞動強度。在電解過程中電解液循環(huán)流動，當(dāng)?shù)臀徊酆透呶徊垡何贿^低時氣泡就會夾雜在電解液中影響電解銅質(zhì)量，過高會漫液，容易造成嚴(yán)重的環(huán)保事故。用超聲波液位計測量高低位槽液位，并設(shè)置高低位禁戒線和高低位報警線，當(dāng)液位出現(xiàn)異常，系統(tǒng)自動報警提示，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貯槽轉(zhuǎn)輸?shù)搅硪毁A槽，以前是人員守在貯槽邊，通過觀察浮筒判斷貯槽里的液量，經(jīng)常因為疏忽發(fā)生漫液事故?，F(xiàn)在用超聲波測量液位，在DCS系統(tǒng)設(shè)置高液位預(yù)警線和報警線，實現(xiàn)遠程監(jiān)控液位[7-8]。

3.3 計量和測量

在銅電解中大量的工藝介質(zhì)需要精確計量，方便生產(chǎn)統(tǒng)計。在所有需要計量的工藝介質(zhì)管道上安裝流量計，并將數(shù)據(jù)實時傳入DCS控制系統(tǒng)。電解液的轉(zhuǎn)運量較大，為系統(tǒng)銅酸的平衡，需要對系統(tǒng)進出液量進行計量。原先用浮筒測量，現(xiàn)在可以時刻監(jiān)控電解液的進出量。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)場讀取讀數(shù)，現(xiàn)在管道安裝在線檢測壓力表，實時傳輸數(shù)據(jù)，DCS界面實時顯示,并設(shè)置高低報警線，當(dāng)出現(xiàn)異常，主控系統(tǒng)自動發(fā)出提示，使生產(chǎn)能及時快速作出調(diào)整。

3.4 設(shè)備控制

電解車間所有泵所配置的控制柜可以實現(xiàn)手動按鈕操作和上位機HMI操作兩種模式，為了能使泵具有雙控功能，既能本地操作，又能通過遠程操作。需要在低壓電氣柜上增加一個兩位旋鈕開關(guān)，為本地控制和遠程控制提供切換控制點。在DCS系統(tǒng)設(shè)置各種設(shè)備運行正常時的電流大小和變頻參數(shù)，當(dāng)出現(xiàn)異常時，系統(tǒng)出現(xiàn)異常提示或者設(shè)備自動停止運行，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

在銅電解過程中，大量的數(shù)據(jù)需要進行收集、統(tǒng)計和分析，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)計轉(zhuǎn)液量、蒸氣消耗、水和壓縮風(fēng)等能耗，進行每日累加，匯總分析，制作各種生產(chǎn)報表，精確性和及時性較差?，F(xiàn)在DCS系統(tǒng)實時顯示各種轉(zhuǎn)液量和各種能耗，編制自動生產(chǎn)報表程序，電腦生成每日、每周和每月的各種生產(chǎn)報表，精確、快捷和及時獲得生產(chǎn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)語

大冶有色30萬t銅電解項目工藝過程控制DCS系統(tǒng)，自2012年10月投產(chǎn)以來，運作正常平穩(wěn)。銅電解用DCS工藝過程集中監(jiān)測后，各種生產(chǎn)數(shù)據(jù)能及時的反應(yīng)生產(chǎn)運行情況及設(shè)備的運轉(zhuǎn)狀態(tài)。主控室對各個設(shè)備進行啟停操作和相關(guān)運行參數(shù)的監(jiān)測，并能方便的發(fā)現(xiàn)故障問題的發(fā)生，提升了設(shè)備的管理和維護水平。運用工藝過程控制DCS系統(tǒng)，提高了生產(chǎn)效率，同時節(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)濟效益。

[1] 凌志浩.DCS與現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)[M].上海;華東理工大學(xué)出版社,2008.

[2] 王常力,羅安.分布式控制系統(tǒng)(DCS)設(shè)計與應(yīng)用實例[M].電子工業(yè)出版社,2005．

[3] 君紅等.免疫智能控制算法在JX-300DCS中的應(yīng)用[J].化工自動化及儀表,2009，36(3):73-75.

[4] 吳錫祺等.多級分布式控制與集散系統(tǒng)[M].北京:中國計量出版社,2001．

[5] 邱華云．DCS動態(tài)流程圖畫面的設(shè)計及組態(tài)[J].石油化工自動化,2004，(1):48-50．

[6] 樂安勝等.大冶有色300 kt/a銅電解設(shè)計與生產(chǎn)實踐[J].中國有色冶金,2015, (4)：7-9.

[7] 肖學(xué)武等.銅電解過程控制及優(yōu)化[C].2005第四屆全國石油和化學(xué)工業(yè)儀表及自動化技術(shù)交流研討會論文集,2005.

[8] 張則軍等.淺析DCS溫度調(diào)節(jié)回路故障對生產(chǎn)影響的改進思路[J].化工自動化及儀表,2008,35(4):84-86.

美國FPL計劃新增八座光伏電站共計600 MW

美國佛羅里達州Florida Power&Light(FPL)宣布擴大其近期太陽能發(fā)電新計劃。FPL目前計劃在2018年初在八個站點建造新的太陽能光伏廠，包括使用超過250萬塊太陽能電池板。這八座太陽能光伏電站每一個規(guī)模都是74.5 MW，總共近600 MW，足以為大約12萬個家庭供電。這些工廠將位于佛羅里達州的各個地點。FPL目前運營超過335 MW的太陽能發(fā)電能力，足以為60 000個家庭供電。

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