铜电解阳极泥自动冲洗控制系统的实现

谢红辉， 张 磊

(中国恩菲工程技术有限公司， 北京 100038)

0 引言

火法精炼产出的阳极铜在电解精炼提纯过程中发生电化学溶解，溶液中的铜离子在阴极上析出，而阳极板上的杂质进入阳极泥。阳极泥的产率为电铜产量的0.2%～0.8%[1]，它通常含有Au、Ag、Cu、Pb、Se、Te、As、Sb、Bi、Ni、Fe等[2-3]大量的贵金属和稀有元素。为保证电解铜的纯度和保证电解过程电耗、电流效率等技术经济指标，需要定期将阳极泥从电解槽中清理出去，并送往下一工序进一步提取贵金属等重要材料。

国内电解厂房的电解槽内阳极泥在出槽时一般通过管道或溜槽自流至电解槽下阳极泥中间搅拌槽，然后通过矿浆泵输送至阳极泥过滤系统。这种方式主要存在以下问题：①劳动强度大，工人需要经常性地手动开关管道上的阀门，不便于自动化管理；②在管道或溜槽中存留的阳极泥量多，无法及时转换成经济效益。

本文为国内某扩建电解厂阳极泥从电解槽转移至阳极泥中间槽的过程设计了一套自动冲洗控制系统，通过自动化控制，可以有效地降低工人的数量和劳动强度，并能定时有效地清除电解循环系统中的阳极泥，并及时流转到阳极泥中贵金属的提取工段，此系统的使用可明显提高经济效益。

1 控制系统的原理

该电解车间的电解槽共32组,每组共有18个,一共576个电解槽。每组电解槽下有2条阳极泥管道，各装有18个DN50的阳极泥支管气动开关阀，1个DN50冲洗液气动开关阀和1个DN100的阳极泥干管气动开关阀，以第一组为例，具体的P&ID如图1所示。

正常电解生产时，打开气动开关阀门XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18,关闭气动开关阀门XV01A19/XV01B19～XV01A20/XV01B20，阳极泥不断地从电解槽汇到具有一定坡度的阳极泥主干管。待到需要排出阳极泥时，关闭气动开关阀门XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18,打开气动开关阀门XV01A19/XV01B19～XV01A20/XV01B20，用冲洗液冲洗阳极泥主干管，将其中的阳极泥冲入阳极泥中间槽，待阳极泥干管流出清液时关闭阀门XV01A19/XV01B19～XV01A20/XV01B20，打开XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18，继续下一阶段的生产。

2 控制系统的实现

为了方便操作工在现场操作，同时也能实现在控制室的远程控制，现场采用PLC控制系统，并通过Profibus DP通讯方式将控制信号传送到已有的DCS控制系统。

PLC的就地控制可以采用触摸屏或者按钮/开关的方式来操作，由于电解槽下的酸雾环境，腐蚀性较大，本设计中采用按钮/开关来实现。

2.1 IO点分配

在进行IO点分配时，首先需要对整个控制系统的IO点进行统计。

由图1可知，一个电解槽下有两个支管开关阀，在操作过程中同时开关，因而采用一个按钮来控制。为了方便操作，对所有的支管阀门XV01A01/XV01B01～XV01A18/XV01B18另设一个总体控制按钮，可以对所有的支管阀门实现同时开关控制。冲洗管路的气动开关阀门XV01A19/XV01B19、阳极泥干管的气动开关阀XV01A20/XV01B20分别用一个按钮来控制。为了实现PLC和DCS的分地控制，另设一个转换开关，“就地”为PLC操作，“远程”则由DCS来操作。所有的逻辑通过PLC程序来实现。

由上可知，该控制系统一共有22DI，40个DO，所有IO点全是开关量信号，无模拟量信号。

2.2 控制器配置

本控制系统采用西门子的PLC。西门子PLC在冶金、化工、印刷生产线等领域都有广泛的应用。SIMATIC S7- 1200作为其中的一款紧凑型、模块化的PLC，实现了模块化和紧凑型设计，可完成简单逻辑控制、高级逻辑控制、HMI 和网络通信等任务。对于需要网络通信功能和单屏或多屏HMI的自动化系统，易于设计和实施，且具有支持小型运动控制系统、过程控制系统的高级应用功能，功能强大、运行安全并且完全适合各种应用。

基于系统的实际需求，并考虑到余量，本控制系统采用西门子的1214控制器，该控制器集成有14个数字量输入，10个数字量输出，另单配有1块16入/16出数字量模块和3块8出数字量模块。

2.3 PLC箱布置

图2 PLC箱面布置图

PLC的箱面布置如图2所示，其中SA为PLC与DCS就地/远程控制的切换开关，S0为第一组电解槽下所有阳极泥支管开关阀的总体控制按钮，S1～S18对应第1～18电解槽下开关阀的控制按钮，S19为对冲洗液开关阀的控制按钮，S20为对阳极泥干管开关阀的控制按钮。由于各开关阀没带反馈信号，所有按钮皆选用带灯按钮。当按钮按下，即相应开关阀打开时，带灯按钮为绿色，当按钮复位，即相应开关阀关闭时，带灯按钮的绿色消失。

2.4 程序实现

各阀门的开关控制用梯形图来实现，逻辑控制较为简单，本文不再赘述。

3 控制系统的效果及注意事项

本控制系统已在该电解厂施工安装完成，在试生产的过程中总结出以下几个注意点。

1)气动开关阀的选型很关键。阳极泥中固体颗粒约0.2 μm，可能含有铜片或铜粒子，因而选用的开关阀需要有较强的耐磨性、耐腐蚀性，另外由于阳极泥中含有铜离子，容易结晶，选用的阀门在使用过程中不得出现关不严、泄漏等现象。

2)由于PLC置于电解槽下，环境含有酸雾，PLC箱箱体材质选用304不锈钢，防护等级为IP67。

3)基于成本考虑，本设计中开关阀的反馈并没有接入PLC控制系统，因而无法直观反应现场气动开关阀实际是否开到位或者关到位，如果把反馈信号接入系统中，更有利于生产操作。

待阳极泥自动冲洗控制系统运行稳定后，该电解厂欲将此控制系统逐渐推广至整个电解车间生产线。根据工艺生产需要，通过PLC快捷而方便的软件编程控制，最终将实现全过程定时自动排放阳极泥。