10万t铜电解周期反向稳流装置及监控系统

由冶金部自动化研究院提供的应用于沈阳沈兴铜业公司、金隆铜业公司的10万t铜电解周期反向稳流装置及监控系统，谐波滤波及补偿装置成套设备于1997年5月先后投入运行，运行情况良好。该装置具有以下技术特点：
　　(1)采用水冷短网同相逆并联整流技术，有效地抑制了强电流下的空间强交变磁场，减少了干扰和换向过程的动态磁场铁损和涡流发热。
　　(2)采用阻抗裂解式整流变压器技术，整流效率达98％，增加了短路阻抗，可靠性高。
　　(3)采用3in(7.62cm)大功率晶闸管的并联技术，减少并联数，使装置结构简化，均流系数>85％。
　　(4)采用在线电流自动周期反向技术，提高电流密度和产品质量及生产率。
　　(5)实现自动调压和稳流技术，稳流精度<1％
　　(6)装置容量额定输出电流40kA，输出电压0～250V。
　　(7)功率因数由0.68提高到0.98，使注入电网的谐波电流、谐波电压限制在国标GB/T1454993规定值以内。

1　10万t铜电解周期反向稳流装置

1.1　工艺概述
　　10万t铜电解是我国目前规模最大的铜电解设备，周期反向电解是铜电解的一种新工艺，它是在沉浸于硫酸铜酸性溶液电解槽中的铜阳极(正极)和铜阴极(负极)之间施加电压，铜从阳极电化溶解入溶液中，产生铜离子和电子，其电子经整流设备输送到阴极，溶液中的铜离子迁移到负极(阴极)，电子和铜离子阴极表面重新结合，产生金属铜而沉淀在阴极。铜离子在电解液中的迁移过程，需要在铜阳极和阴极间外加电压。工业电解槽是浇灌的钢筋混凝土结构，电解槽彼此串联构成槽列，每组槽列(26～40个电解槽)是独立部分，电力和化学方面自成单元，便于电极的装槽、出槽，槽底清除阳极泥及电解槽的维修。各槽列的电路串联，使得槽列组合的总电压在100～250V。在槽串联系统中，相邻槽的阴极和阳极直接连接(即电位相同)，即将阴极挂杆放在邻槽阳极挂耳的沟槽内，或将一槽的阴极和邻槽的阳极放在共用的配电铜排上，构成串联回路。采用周期反向电解可以解决阳极钝化和减少极间短路，大幅度提高极限电流密度，使直流电的方向周期地短时反向(正向0～200s，反向0～10s)，可在电流密度达400A/时操作不出现阳极钝化现象，从而提高电解铜质量和生产效率。由于电解生产为连续式，分槽出电解铜，出铜时既不能使回路开路又不能带电出铜，因此，必须控制负载短路器的接通或断开，出铜槽的短路器闭合，其它槽的断开。电解铜生产一般设有种板电解、生产电解和净液电解系统。
1.2　可控整流稳流装置
　　可控整流稳流装置由阻抗裂解式整流变压器、纯水冷却晶闸管整流主柜、控制柜、操作台、无功补偿和谐波滤波器及监控系统构成。整流变压器采用了特殊的四位一体的阻抗裂解式整流变压器，含有有载调压开关，双同相逆并联变压器，穿心式平衡电抗器，高压电流互感器，保护装置及油浸体外水冷却系统。具有交流调压、变压、负荷平衡等功能。整流变压器和功率变换柜的连接采用短网连接，从外表看似一体结构。整流稳流装置控制系统采用大板控制系统，所有控制功能被集成在一块印刷板上，完成电流闭环相位控制和无环流逻辑控制，主回路采用冶金部自动化研究院生产的3in(7.62cm)晶闸管，构成双双反星带平衡电抗器的同相逆并联接线供电，解决了强电流系统引起的强磁涡流发热问题。高次谐波滤波及无功补偿装置，使负荷注入电网的谐波电压、谐波电流被抑制在国标规定值内，提高了功率因数。

2　微机监控系统

2.1　系统硬件组成
　　微机监控系统由PLC、PC及打印机组成，硬件配置如图1所示。PLC采用美国AB公司的SLC5/04，相应于生产反向电解、种板电解和净液电解系统，各配备有一个A13槽架和相应的控制模板。系统配有编程器，SLC500/4321747-L542主机，1746-P4电源板，1746-IB16输入模板，1746-OB16输出模板，1746-OW16继电器输出模板，1746-NI4模拟量输入模板，1746-NO4V模拟量输出模板，1784-KT接口卡，1746-A13槽架，DH＋通信电缆1770-CD及1784-CP8编程电缆。PC机和PLC间通信采用美国AB公司的通信接口模板，实现DH＋协议下的通信。PC机配有CRT画面监控和打印机，设有与上位机通信接口DH＋网。
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2.2　主要功能
　　本系统具有以下功能：(1)借助于CRT和键盘对设定参数进行设定和在线修改。(2)数据采集和记录。采集电解过程中电压、电流、有载开关档位等，在CRT上用棒图、表格等形式进行显示，以便操作人员了解生产运行情况，同时还可形成记录文件以备将来查阅。(3)故障报警。本系统实时监视各故障点，被监视的故障有主柜冷却水系统温度、压力、流量、水质故障；变压器温度、瓦斯、油流故障；控制系统电源，同步电源，U2系统等故障；主回路晶闸管、熔断器、保护元件等故障。(4)打印生产报表。(5)自动调压。系统原理如图2所示。
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2.3　系统软件
　　PLC控制系统编程软件采用AB公司的9323-PA2EAPSrelease6.01编程软件包，它具有树状结构菜单提示，多种灵活的指令输入方法和编辑功能，丰富的指令和运算功能，大大节省了设计者的编程时间，提高了系统的功能。计算机工作站使用AB公司的RSviewworks300画面软件，如图3所示。它是一种在Windows95支持下的实时多任务监控软件，具有模块式设计，开放式结构和多窗口显示等特点，可进行实时处理和批处理。菜单提示各种组态方便直观，是一种界面友好的理想的人机接口软件。本控制系统在监控操作站上编制了较为完善的监控画面，采用菜单式驱动，在主菜单下显示参数设置画面、生产运行状态画面、故障报警画面和进行报表打印及电量计算等。
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　　主要程序设计结构框图如图4所示。运行控制逻辑主要完成电解整流装置设备起动之前的初始状态管理、运行和停止的联锁条件，包括RUNG2∶00～2∶15共16条梯级。给定控制逻辑中的电流设定值来自传动系统预先设定好的值，可编程序控制器只是发逻辑指令让传动系统使用该设定值，包括RUNG2∶16～2∶26共11条梯级。故障管理分为重故障和轻故障两种，对出现重故障时如变压器瓦斯、冷却水断水、熔断器熔断等则要求先封脉冲，延时跳高压断路器；出现轻故障时只要求警报器报警。故障排除后用复位按钮解除，包括RUNG2∶27～2∶55共29条梯级。有载开关管理包括RUNG2∶56～2∶81共26条梯级。负载短路器的状态由电解现场输入，当PLC得到负载短路器请求切换的信号时，PLC向现场发出可切换指令，同时封锁脉冲，在画面上显示各短路器状态，包括RUNG2∶82～2∶93共12条梯级。模拟量输入/输出管理有RUNG2∶94～2∶103共10条梯级。
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3　结束语

　　该系统在沈兴和金隆铜业10万t铜电解设备上投入运行至今，运行状况良好，性能稳定，提高了产品合格率、生产率和整流效率，主要技术指标达到现代先进水平，是理想的大型电解可控整流稳流装置。该装置可以在有色电解及电炉冶炼领域大力推广应用。