銅電解陽(yáng)極泥自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

謝紅輝， 張 磊

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司， 北京 100038)

0 引言

火法精煉產(chǎn)出的陽(yáng)極銅在電解精煉提純過(guò)程中發(fā)生電化學(xué)溶解，溶液中的銅離子在陰極上析出，而陽(yáng)極板上的雜質(zhì)進(jìn)入陽(yáng)極泥。陽(yáng)極泥的產(chǎn)率為電銅產(chǎn)量的0.2%～0.8%[1]，它通常含有Au、Ag、Cu、Pb、Se、Te、As、Sb、Bi、Ni、Fe等[2-3]大量的貴金屬和稀有元素。為保證電解銅的純度和保證電解過(guò)程電耗、電流效率等技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，需要定期將陽(yáng)極泥從電解槽中清理出去，并送往下一工序進(jìn)一步提取貴金屬等重要材料。

國(guó)內(nèi)電解廠房的電解槽內(nèi)陽(yáng)極泥在出槽時(shí)一般通過(guò)管道或溜槽自流至電解槽下陽(yáng)極泥中間攪拌槽，然后通過(guò)礦漿泵輸送至陽(yáng)極泥過(guò)濾系統(tǒng)。這種方式主要存在以下問(wèn)題：①勞動(dòng)強(qiáng)度大，工人需要經(jīng)常性地手動(dòng)開(kāi)關(guān)管道上的閥門(mén)，不便于自動(dòng)化管理；②在管道或溜槽中存留的陽(yáng)極泥量多，無(wú)法及時(shí)轉(zhuǎn)換成經(jīng)濟(jì)效益。

本文為國(guó)內(nèi)某擴(kuò)建電解廠陽(yáng)極泥從電解槽轉(zhuǎn)移至陽(yáng)極泥中間槽的過(guò)程設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)，通過(guò)自動(dòng)化控制，可以有效地降低工人的數(shù)量和勞動(dòng)強(qiáng)度，并能定時(shí)有效地清除電解循環(huán)系統(tǒng)中的陽(yáng)極泥，并及時(shí)流轉(zhuǎn)到陽(yáng)極泥中貴金屬的提取工段，此系統(tǒng)的使用可明顯提高經(jīng)濟(jì)效益。

1 控制系統(tǒng)的原理

該電解車(chē)間的電解槽共32組,每組共有18個(gè),一共576個(gè)電解槽。每組電解槽下有2條陽(yáng)極泥管道，各裝有18個(gè)DN50的陽(yáng)極泥支管氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，1個(gè)DN50沖洗液氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥和1個(gè)DN100的陽(yáng)極泥干管氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥，以第一組為例，具體的P&ID如圖1所示。

正常電解生產(chǎn)時(shí)，打開(kāi)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18,關(guān)閉氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)XV01A19/XV01B19～XV01A20/XV01B20，陽(yáng)極泥不斷地從電解槽匯到具有一定坡度的陽(yáng)極泥主干管。待到需要排出陽(yáng)極泥時(shí)，關(guān)閉氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18,打開(kāi)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)XV01A19/XV01B19～XV01A20/XV01B20，用沖洗液沖洗陽(yáng)極泥主干管，將其中的陽(yáng)極泥沖入陽(yáng)極泥中間槽，待陽(yáng)極泥干管流出清液時(shí)關(guān)閉閥門(mén)XV01A19/XV01B19～XV01A20/XV01B20，打開(kāi)XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18，繼續(xù)下一階段的生產(chǎn)。

2 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

為了方便操作工在現(xiàn)場(chǎng)操作，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)在控制室的遠(yuǎn)程控制，現(xiàn)場(chǎng)采用PLC控制系統(tǒng)，并通過(guò)Profibus DP通訊方式將控制信號(hào)傳送到已有的DCS控制系統(tǒng)。

PLC的就地控制可以采用觸摸屏或者按鈕/開(kāi)關(guān)的方式來(lái)操作，由于電解槽下的酸霧環(huán)境，腐蝕性較大，本設(shè)計(jì)中采用按鈕/開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

2.1 IO點(diǎn)分配

在進(jìn)行IO點(diǎn)分配時(shí)，首先需要對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的IO點(diǎn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

由圖1可知，一個(gè)電解槽下有兩個(gè)支管開(kāi)關(guān)閥，在操作過(guò)程中同時(shí)開(kāi)關(guān)，因而采用一個(gè)按鈕來(lái)控制。為了方便操作，對(duì)所有的支管閥門(mén)XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18另設(shè)一個(gè)總體控制按鈕，可以對(duì)所有的支管閥門(mén)實(shí)現(xiàn)同時(shí)開(kāi)關(guān)控制。沖洗管路的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥門(mén)XV01A19/XV01B19、陽(yáng)極泥干管的氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥XV01A20/XV01B20分別用一個(gè)按鈕來(lái)控制。為了實(shí)現(xiàn)PLC和DCS的分地控制，另設(shè)一個(gè)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，“就地”為PLC操作，“遠(yuǎn)程”則由DCS來(lái)操作。所有的邏輯通過(guò)PLC程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。

由上可知，該控制系統(tǒng)一共有22DI，40個(gè)DO，所有IO點(diǎn)全是開(kāi)關(guān)量信號(hào)，無(wú)模擬量信號(hào)。

2.2 控制器配置

本控制系統(tǒng)采用西門(mén)子的PLC。西門(mén)子PLC在冶金、化工、印刷生產(chǎn)線等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。SIMATIC S7- 1200作為其中的一款緊湊型、模塊化的PLC，實(shí)現(xiàn)了模塊化和緊湊型設(shè)計(jì)，可完成簡(jiǎn)單邏輯控制、高級(jí)邏輯控制、HMI 和網(wǎng)絡(luò)通信等任務(wù)。對(duì)于需要網(wǎng)絡(luò)通信功能和單屏或多屏HMI的自動(dòng)化系統(tǒng)，易于設(shè)計(jì)和實(shí)施，且具有支持小型運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、過(guò)程控制系統(tǒng)的高級(jí)應(yīng)用功能，功能強(qiáng)大、運(yùn)行安全并且完全適合各種應(yīng)用。

基于系統(tǒng)的實(shí)際需求，并考慮到余量，本控制系統(tǒng)采用西門(mén)子的1214控制器，該控制器集成有14個(gè)數(shù)字量輸入，10個(gè)數(shù)字量輸出，另單配有1塊16入/16出數(shù)字量模塊和3塊8出數(shù)字量模塊。

2.3 PLC箱布置

圖2 PLC箱面布置圖

PLC的箱面布置如圖2所示，其中SA為PLC與DCS就地/遠(yuǎn)程控制的切換開(kāi)關(guān)，S0為第一組電解槽下所有陽(yáng)極泥支管開(kāi)關(guān)閥的總體控制按鈕，S1～S18對(duì)應(yīng)第1～18電解槽下開(kāi)關(guān)閥的控制按鈕，S19為對(duì)沖洗液開(kāi)關(guān)閥的控制按鈕，S20為對(duì)陽(yáng)極泥干管開(kāi)關(guān)閥的控制按鈕。由于各開(kāi)關(guān)閥沒(méi)帶反饋信號(hào)，所有按鈕皆選用帶燈按鈕。當(dāng)按鈕按下，即相應(yīng)開(kāi)關(guān)閥打開(kāi)時(shí)，帶燈按鈕為綠色，當(dāng)按鈕復(fù)位，即相應(yīng)開(kāi)關(guān)閥關(guān)閉時(shí)，帶燈按鈕的綠色消失。

2.4 程序?qū)崿F(xiàn)

各閥門(mén)的開(kāi)關(guān)控制用梯形圖來(lái)實(shí)現(xiàn)，邏輯控制較為簡(jiǎn)單，本文不再贅述。

3 控制系統(tǒng)的效果及注意事項(xiàng)

本控制系統(tǒng)已在該電解廠施工安裝完成，在試生產(chǎn)的過(guò)程中總結(jié)出以下幾個(gè)注意點(diǎn)。

1)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥的選型很關(guān)鍵。陽(yáng)極泥中固體顆粒約0.2 μm，可能含有銅片或銅粒子，因而選用的開(kāi)關(guān)閥需要有較強(qiáng)的耐磨性、耐腐蝕性，另外由于陽(yáng)極泥中含有銅離子，容易結(jié)晶，選用的閥門(mén)在使用過(guò)程中不得出現(xiàn)關(guān)不嚴(yán)、泄漏等現(xiàn)象。

2)由于PLC置于電解槽下，環(huán)境含有酸霧，PLC箱箱體材質(zhì)選用304不銹鋼，防護(hù)等級(jí)為IP67。

3)基于成本考慮，本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)閥的反饋并沒(méi)有接入PLC控制系統(tǒng)，因而無(wú)法直觀反應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥實(shí)際是否開(kāi)到位或者關(guān)到位，如果把反饋信號(hào)接入系統(tǒng)中，更有利于生產(chǎn)操作。

待陽(yáng)極泥自動(dòng)沖洗控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，該電解廠欲將此控制系統(tǒng)逐漸推廣至整個(gè)電解車(chē)間生產(chǎn)線。根據(jù)工藝生產(chǎn)需要，通過(guò)PLC快捷而方便的軟件編程控制，最終將實(shí)現(xiàn)全過(guò)程定時(shí)自動(dòng)排放陽(yáng)極泥。