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离子膜电解槽电压检测方案及其优化scheme of detecting ion-exchange membrane electric tanks voltage and its optimization杭州和利时自动化有限公司黄河水利职业技术学院自动化工程系高国光武平丽作者简介：高国光（1968- ），男，河南人，高级工程师，本科，长期 从事自控专业的维护、设计、安装、调试、dcs系统组态、研发 等工作。摘 要：迅速精确地检测离子膜的单元槽电压是发现离子膜破漏、缩短开车时间的关键。然而原有的检测方案并不能完全满足单元槽电压检测的及时性和准确性要求。通过开发专用槽电压检测模块sm413，和利时macs系统实现了对单元槽电压检测的优 化，解决了这一技术难题。关键词：离子膜；槽电压检测；macs 优化abstract: precisely and rapidly detecting the cell electrolyzervoltage of the ion-exchange membrane is the key of discovering the ion-exchange membrane broken leaks and reducing the driving time. but, the original detection scheme cannot satisfy the request of timeliness and precision of detecting the cell electrolyzer voltage. through developing a specialized cell electrolyzer voltage detection module sm413 and adopting hollysys macs optimization of cell electrolyzer voltage detection, the technical problems is solved.key words: ion-exchange membrane; electrolyzer voltage detection;macs; optimization图1 离子膜电解原理naoh反应而生成naclo影响烧碱纯度的作用。当离子膜 出现破漏时不仅影响产品质量，更会危及到安全生产。所 以生产运行中必须保证离子膜的完好。1.2单元槽电压的构成每台复极式离子膜电解槽由多个装有离子膜的单元槽串联组 成 ， 如 图 2 所 示 。 电 解 槽 升 电 流 后，相邻两个单元槽之间的电压（简称单元槽电压）构成如表1所 示（电流密度4ka/m2）。影响单 元槽电压的因素较多，例如电解 电流、氢氧化钠浓度、阴/阳极液 循环量、电解槽温度、盐水中杂 质、阳极液ph值、阳极液中氯化 钠浓度、氯氢气总管的压力等。 这 些 因 素 在 生 产 中 都 有 控 制 指 标，以及检测仪表在线检测，控 制比较平稳，单元槽电压也比较单元槽电压检测的必要性1图2 离子膜电解槽的组成表1 单元槽电压主要指标电解工艺简介1.1离 子 膜 法 电 解 制 烧 碱 和 氯 气 的 原 理 如 图 1 所 示 。 离子膜由羧酸层和磺酸层组成，含有带负电荷的固定离子（so3）和带正电荷的对离子（na+）的活性基团，有 特殊的选择透过性，只允许阳离子通过而阻止阴离子及气 体通过。因而起到了防止阳极产物cl2与阴极产物h2相混 合而导致爆炸的危险，还起到了避免cl2与阴极另一产物稳定。如果离子膜在运行中出现破漏，膜电阻就会降低，直接反映到单元槽电压的变化。2010.10factory automationp. 133内容at4ka/m2理论分解电压2.21阳极过电位0.05阳极液及氯气泡电阻0.03阴极液及氢气泡电阻0.18阴极过电位0.12膜电阻0.36槽电压2.95工厂自动化factory automation1.3原有槽电压检测方案及其不足为了通过检测槽电压的变化来及时掌握离子膜及电解槽的性能，通常采用两种方案。槽 电 位 差 检 测 （ 方 案 1 ） ： 其 原 理 是 把 整 个 电 解 槽（包含150个单元槽）平均分成前后两组，采用电桥原理 测量前后两组的不平衡电压。如图3所示。ediza-230a 即是电解槽r-230a的槽电位差，当电解槽温度稳定两小 时后通过调节可变电阻使ediza-230a为0，如果有离子 膜破漏ediza-230a就会改变。它检测的是电解槽前后两组电压差的变化，并且检测结果作为单台电解槽联锁停车的一个关键参数。该方案简单经济也能对电解槽起到保护 作用，但如果电解槽前后两部分同时出现等电压的变化， ediza-230a就反应不出来。分 组 检 测 （ 方 案 2 ） ： 把 单 元 槽 按 顺 序 等 分 成 若 干 组，测量每一组的槽电压。当某一张膜出现破漏或电极涂 层脱落时，组电压就会变化。早期多为10个一组（十点检 测），后来有3个一组的（三点检测）。分组检测虽然也 能在线连续测量和记录每组的槽电压，但当每组的单元槽 数越多时测量的精度就越低。方案1在开车过程中就失去了作用，不能对故障的出 现做出报警。这两种方案有相同的不足：不能准确定位发 生故障的离子膜或电解槽的具体位置，也不能测量单元槽 电压也就不能反映每张膜的性能。图3 槽电压差检测原理图单元槽电压检测的必要性1.4单元槽电压正常与否代表着膜的性能好坏以及单元槽阳极阴极活性状态，在线检测单元槽电压的变化可以及 时准确地发现离子膜的破漏，特别是在装置开车升电流期 间，可以大大缩短开车时间。为了使离子膜能够长期稳定 地保持较高的电流效率和较低的槽电压，降低直流电耗， 延长离子膜的使用寿命（离子膜昂贵），开车时不因延误 操作而使膜受到损害，同时最大限度地减少电槽管理费 用，降低人工测量的成本及人工测量不可避免的差错，以 及保证产品质量，确保安全生产，就必须对单元槽电压实 行在线检测及记录。图4 槽电压与数据采集系统的连接工厂自动化2010.10p. 1342单元槽电压检测的难点从离子膜法电解制烧碱的工艺原理和复极式电解槽表2 sm413模块的技术参数的结构可以看出测量单元槽电压的难点。测单元槽电压时，测量回路前一个信号引线的正端，是下一个回路引线 的负极，其共模电压逐步累计，越到后段共模电压越高。 现在一台电解槽一般装150个单元槽，后端共模电压可达500vdc。一般的测量仪表转换器测量电路不能抗如此高 的共模电压，举例来说，测05vdc是容易简单的，但测500505vdc是对电路有特殊要求。所以如何抑制共模直 流电压是技术关键点。4.2专用槽电压检测偏差报警功能块的开发除了常规的dcs系统具有的功能外，和利时公司针对槽电压检测做了专用的偏差报警软件功能块。由于电压和 电流并非线性关系，在功能块中还考虑了电解槽前后不同 区域温度、压力及流量等因素的差别，根据不同的电流及 运行状态进行偏差报警。在开车升电流的过程中，偏差报 警功能块能及时准确定位发生故障的电解槽，不需要操作 工到电解槽现场拿着电压表对每个槽进行测量，避免了人 工测量不可避免的差错，大大提高了开车的效率，缩短了 开车时间。槽电压出现严重异常时可启动联锁保护系统， 在最短时间内对问题做出适时的处理，减少了停车时间， 最大程度地避免损失。单元槽电压检测方案检测单元槽电压的引线必需经过保险丝后方可接入检 测系统的输入回路，检测装置可以放置在电解厂房附近， 最好与电解厂房隔开。若放置在电解厂房内，则采用防爆 机柜。方案大致有以下三种。方案1：把电解槽的直流电压信号（分组或单点）用 电压转换器(如m5系列)转换成标准420ma信号，然后再 接入dcs系统的i/o模块。方案2：把电解槽的直流电压信号（分组或单点）接 入到数据采集系统（如横河的mw100系统），数据采集 系统通过485口用modbus协议与dcs系统通讯。系统连 接示意图如图4所示。方案3：把电解槽的直流电压信号（分组或单点）直 接接入dcs系统i/o模块。三种方案对比很明显，方案3简单可靠，是对前两种 方案的优化，但是由于槽电压检测的难点使一般厂家的 dcs模块无法直接完成此电压信号的采集。在此着重介绍 方案3的配置方案与优点（以和利时公司macs-s系统为 例）。34.3硬件优化配置方案以15万吨离子膜烧碱项目（6台电解槽，每台槽150个单元槽）为例，其配置情况如下：单 点 检 测 时 硬 件 配 置 如 表 3 所 示 。 两 个 单 元 槽 一 组 进行检测时配置表数量减半。三个单元槽一组进行检测 sm413及sm3310为表中的三分之一。表3 单点检测硬件配置表4macs-s系统对单元槽电压检测的优化4.1 开发专用槽电压检测模块sm413和利时公司针对离子膜单元槽电压检测的特殊需求 开发了专用模块sm413。该模块为8通道（路间隔离）电 压型模拟量输入模块，通过软件组态有05v信号输入和010v 信号输入两个量程可供选择。对3个单元槽一组、2个单元槽一组或单个单元槽电压都可以进行检测。具体 参数如表2所示。该模块为防腐模块，在华泰集团东营协发化工有限公 司50万吨离子膜烧碱等多个项目上有成功的应用业绩。如图5所示，每个单元槽连接一根2.5平 聚氯乙烯绝缘铜线，线缆直接接到dcs现场i/o柜内的保险端子，然后图5 单元槽电压信号与dcs系统的连接方式2010.10factory automationp. 135一、 控制站1控制柜面42控制处理器sm203个4和利时3电缆连接型14槽主控机笼sm130个2和利时4电缆连接型14槽io机笼sm131个8和利时5供电电源 ac220v输入dc24v、5v输出双 路隔离电源模块sm902a块8和利时6电源sm911块20和利时78 通道(路间隔离)电压型模拟量输入模块sm413块116和利时8通用端子模块sm3310块116和利时量程0-5v0-10v输入阻抗600k精度（25）0.2%fs0.1%fs稳定度0.1%fs0.05%fs时间漂移1000ppm/year温漂100ppm/100ppm/隔离耐压通道对系统600vac1min5ma通道对通道600vac1min5ma通讯速率500kbps协议profibus-dp综述工厂自动化过程自动化工厂自动化factory automation接到sm413模块。（3）d c s i / o 柜直接放在电解厂房附近，节省部分电缆；（4）偏差报警、历史记录在线或离线查询、历史趋势 对比分析、故障点准确定位等管理功能强大；（5）不需要为槽电压检测增加操作站电脑，可节省投 资及维护费用；（6）有成熟的应用业绩，性价比高。50万吨离子膜烧碱项目中单点检测的其中一幅在线画 面如图6所示，i槽、j槽电流均为14.86ka。4.4优化配置方案的特点（1）槽电压信号直接进入dcs模块，省去中间转换模块，提高测量精度，减少了故障点；（2）modbus 通讯速率慢，同时避免了modbus 通 讯的不稳定，通过冗余的工业以太网直接连到中央控制室 离子膜烧碱dcs系统，通讯速率高、稳定可靠；结语为了缩短电解开车时间，使离子膜电解槽长期安全 稳定经济的运行，对单元槽电压的检测的非常必要，在当 前氯碱企业也有了成功的应用。和利时macs系统对槽电 压检测的优化方案使得检测硬件精度高、稳定可靠、配置 灵活，软件技术先进，管理功能丰富实用，有较高的性价 比。此方案值得国内离子膜烧碱企业参考借鉴。5图6单点检测在线画面图（上接第101页）之一。21世纪初的经济形势（如急剧上涨的燃料价格和空前严峻的金融危机）再次表明灵活性与资产利用有效性的 重要性。全球电力与金融市场上的竞争极大地改变了竞技场上 的形势。从单一磨煤机到遍布各地的、与多个系统相连的 资产等各个层次的优化工作，成为不可或缺的一部分。提升了能源效率。”infusion是世界首款企业控制系统（ecs）。自2006 年推出以来，infusion ecs备受青睐，已成为统一业务与 自动化系统的首选平台。infusion提供多种方法，用于集 成多个场所中相互依存的控制单元，并提供各种自动化解 决方案，以作为一个集成系统运行。infusion使得用户能够开发一个在整个企业范围内可 以轻易跨部门复制和调度的最佳环境。infusion是一个能 够实现新旧生产设备的最大价值的解决方案平台。4.2数据挖掘每一家像大唐这样的企业都会生成大量数据。鉴于这些系统中的大部分都是独立运行的，因此，要收集决策制 定所需的相关信息便成为一个既耗时又极不可靠的过程。i n f u s i o n 集成资产绩效优化解决方案所提供的是一 个统一、完整的系统，而不论供货商或产出情况如何。 infusion提供的系统，能够在必要时为那些需要信息的部 门提供相关信息，从而使得大唐可以实时经营业务。大唐发电公司