Устройство для автоматического управления работой электролизера

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСНИХРЕСПУБЛИК 80102 25 В 15 0к ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ ОРСНОМУ СВИДЕ П:Л ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ(54)(57) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ ЭЛЕКТРОЛИЗЕРА с ртутным катодом, содержащееустановленные на анодных рамах сервоприводы для каждой группы анодов,связанных между собой параллельнымисиловыми шинами, в каждой из которыхустановлено измерительное сопротивление, подключенное через первыйоперационный усилитель к измерителютока в каждом канале управления,второй операционный усилитель, соединенный своими входами с аноднойрамой и катодом, исполнительное реле, связанное с соответствующим сер-воприводом, источник опорного напряжения и измеритель напряжения, о тл и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью сокращения расхода электроэнергии и повышения надежности защи ты анодов от короткого замыкания, оно дополнительно содержит генератор напряжения с входным и выходным операционными усилителями, подключенный к выходу измерителей тока всех силовых шин и входу измерителя напряжения каждой анодной рамы, первое регулируемое сопротивление, соединен-. ное с неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом измерителей тока всех анодных линий, второе регулируемое сопротивление, связанное с инвертирующим входом выходного операционного усилителя, Е первый промежуточный операционный усилитель, инвертирующий вход которого подключен к выходу входного операционного усилителя, второй промежуточныйоперационный усилитель, выход которого соединен с инвертирующим входом выходного операционного усилителя, оптрон, связанный с инвертирующим входом второго промежуточного операционного усилителя, к которому подключено дополнительно установленное третье регулируемое сопротивление, элемент ИЛИ, соединенный с оптроном и с измерителем тока в каждом канале управления.Изобретение относится к устройствам управления однотипными электролизерами с ртутным катодом,объединенными по токовой нагрузке, и можетбыть использовано в химической промышленности. )Известно устройство для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом, содержащееанодную раму с сервоприводом, схемупрогнозирования короткого замыкания 1 Оанодной группы, схему измерения скорости перемещения анодной рамы схему измерения тока, возросшего непропорционально скорости перемещенияанодной рамы, и схему выбора величины перемещения анодной рамы 1 .Но это устройство требует дополнительного расхода электрическойэнергии на перемещение анодной рамык катоду и обратно при прогнозировании короткого замыкания,Известно также устройство дляавтоматического управления работойэлектролизера с ртутным катодом,содержащее измерительное сопротивление, предусмотренное на силовой шине и подключенное к входам усилителя, дополнительное и регулируемоесопротивления, включенные параллельно измерительному и последовательнопо отношению друг к другу, измери Отельный прибор, включенный параллельно дополнительному и регулируемому сопротивлениям, интегратор,включенный параллельно измерительному прибору и подключенный через 35счетчик анодных токов и переключатель к регулируемому источнику питания, регулятор порога срабатыванияпо току, включенный между измерительным прибором и интегратором, 4 Опараллельно интегратору, регулируемоесопротивление для установки заданного значения тока, подключенное кодному входу блока разделения, другой вход которого через регулируемое сопротивление и усилитель подключен к измерительному сопротивлению, а выход через сервопривод связан с регулируемым источником питания 21,Однако это устройство недостаточно надежно,так как в нем в каждойанодной линии имеется отдельный переключатель. Такое устройство необеспечивает также оптимального использования электрической энергии 55для электролизера, так как сервопривод связан лишь с регулируемым источником питания, вследствие чегоон лишь постепенно снижает нагрузкуна аноды, вместо того, чтобы поднять 6 Оих, что важно при прорыве продуктовэлектролиза в устройство управле/ния или при коротком замыкании, когда снижение нагрузки не устраняеткороткое замыкание между анодами и ртутью и не защищает аноды от разрушения, а продукты электролизера от загрязнения.Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство для автоматического управ ления работой электролизера с ртут-, ным катодом, содержащее сервопривод, для каждой группы анодов, объединенных рамой с силовыми шинами.К каждой из силовых шин и катоду через релейную схему и первый операционный усилитель последовательно подключены первые прерыватель, трансформатор, детектор тока, интегратор и запоминающее устройство, связанное с первым входом селектора. В каждой силовой шине каждой анодной линии предусмотрено измерительное сопротивление, к входу и выходу которого через соответствующую релейную схему и второй операционный усилитель последовательно подключены вторые прерыватель, трансформатор, детектор напряжения, интегратор и запоминающее устройство, связанное с вторым входом селектора. Селектор через последовательно соединенные аналогоцифровой преобразователь, цифровую вычислительную машину и исполнительное реле подключен к электроприводу 3 .Недостатком известного устройства является то, что сигналы напряжения снимаются с катода и каждой силовой линии каждой анодной группы, Это при использовании большого числа анодных групп создает пропорционально возрастающие аппаратурные затраты, так как каждая силовая линия связана с вычислительной машиной через соответствующий усилитель и соответствующую относительно сложную электронную схему..Целью изобретения является уменьшение расхода электрической энергии и повышение надежности защиты анодов от короткого замыкания.Поставленная цель достигается тем что устройство для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом, содержащее установленные на анодных рамах индивидуальные сервоприводы для каждой ,группы анодов, объединенных паралельными силовым шинами, в каждой из которых предусмотрено измерительное сопротивление, подключенное через первый операционный усилитель к измерителю тока в каждом канале управления, второй операционный усили" тель, своими входами подключенный к аниной раме и катоду, измеритель напряжения, исполнительное реле, подключенное к соответствующему сервоприводу, и источник опорного напряжения, дополнительно содержит функ" циональный генератор напряжения свходным и выходным операционными усилителями, подключенный к выходу измерителей тока всех силовых шин ивходу измерителя напряжения каждойанодной рамы, первое регулируемоесопротивление, соединенное с неинвертирующим входом входного операционного усилителя и выходом измерителей тока всех анодных линий, второе регулируемое сопротивление, связанное с инвертирующим входом выход Оного операционного усилителя, первыйпромежуточный операционный усилительинвертирующий вход которого подключен к выходу входного операционногоусилителя, второй промежуточный операционный усилитель, выход которогосоединен с инвертирующим входом выходного операционного усилителя,оптрон, связанный с инвертирующимвходом второго промежуточного операционного усилителя, к которому подключено дополнительно установленноетретье регулируемое сопротивление,элемент ИЛИ, соединенный с оптрономи с измерителем тока в каждом канале управления.25На чертеже изображена Функциональная схема устройства.Устройство для автоматическогоуправления работой электролизера сртутным катодом содержит ванну 1 с ЗОанодами 2 и ртутным катодом 3 в качестве объекта управления. Аноды 2объединены в анодную группу наанодной раме 4, кинематически связанной с сервоприводом 5. Таких 35анодных рам в электролизерной ваннеможет быть несколько показана только одна рама). Аноды 2 подключены ксиловой шине б, а катод 3 - к силовой шине 7. На силовой шине б пре Одусмотрено измерительное сопротивление 8, Концы измерительного сопротивления 8 соединены с соответствующими входами операционного усилителя 9, выход которого связан с килоамперметром 10 и через суммирующеесопротивление 11 - с входом операционного усилителя 12, выполняющегофункции суммирующего. усилителя,коэффициент усиления которого можноустанавливать с помощью подключенного к его выходу установочного сопротивления 13. Сигнал на выходе операционного усилителя 12 можно регулировать с 55 помощью подключенного к нему регулируемого сопротивления 14, выполняющего Функции регулятора порога срабатывания. К анодной раме 4 через силовую шину 6 подключен неинверти" 6 О рующий вход операционного усилителя 15, инвертирующий вход которого соединен с катодом 3 через силовую шину 7. Выход этого операционного усилителя подключен к инвертирующему входу операционного усилителя 16,выход которого связан с вольтметром17 и блоком 18 разделения, содержащим первый канал с разделительнымдиодом 19 и второй канал с разделительным диодом 20. Усилители 15 и 16образуют измеритель напряжения. Первый канал разделительного блока 18соединен с тиристором 21, реагирующим,на повышение тока в цепи нагрузки исвязанным с сигнальной лампочкой 22,которая может быть вынесена на пультоператора (не показан) для визуального контроля, Второй канал блока18 разделения через разделительныйдиод 20 соединен с входом логического элемента ИЛИ 23, образованногоиз нескольких диодов по числу анодных рам, т.е. по числу каналов управления.Таким образом с входом логического элемента ИЛИ 23 соединены ивыходы всех остальных вторых каналовблоков разделения, соответствующихостальным анодным рамам электролизера, Логический элемент ИЛИ 23 черезлогический элемент НЕ 24, транзисторный ключ 25 и исполнительное реле 26 соединен с сервоприводом 5 иостальными сервоприводами, установленными на других анодных рамах (непоказаны) . Функциональный генератор27 служит для выработки опорногосигнала, соответствующего вольтамперметрической характеристике электролизной ванны в каждый данный моментвремени. Этот сигнал отображает падение напряжения при увеличениинагрузки и соответствует дифференциальному омическому сопротивлениюэлектролиэной ванны. Генератор 27содержит входной операционный усилитель 28, неинвертирующий входкоторого через регулируемое сопротивление 14 подключен к выходу операционного усилителя 12, и выходнойоперационный усилитель 29, выходкоторого подключен к неинвертирующему входу операционного усилителя16 в каждом канале управления анодными рамами и через диод 30 к своемувходу,Между операционными усилителями 28 и 29 предусмотрены три коммутационных канала. Выход входного операционного усилителя 28 функционального генератора 27 соединен с инвертирующим входом выходного операционного усилителя 29 первым коммутационным каналом 31 с операционным усилителем 32, инвертирующий вход которого связан с выходом входного операционного усилителя 28. Выход входного операционного усилителя 28 функционального генератора 27 соединен ,с инвертирующимвходом выходного операционного усилителя 29 вто-, 1024528рым коммутационным каналом 33 с диодом 34 и операционным усилителем 35, инвертирующий вход которого через сопротивления 36 - 38 подключен к выходу входного операционного усилителя 28, причем между сопротивлениями 37 и 38 подключен выход оптрона 39, вход которого связан с выходом измерителя тока через диод 40 в каждом канале управления. Диоды 40 в каждом канале управления образуют схему ИЛИ. Неинвертирующий вход операционного усилителя 35 через сопротивление 41 соединен с диодом 34. В третьем коммутационном канале 42 предусмотрено регулируемое сопротивление 43, подключенное к инвертирующему входу операционного усили-. теля 29. Инвертирующий вход операционного усилителя 29 дополнительно соединен с опорным каналом 44 с регулируемым сопротивлением 45, подключенным с отрицательному полюсу стабилизированного источника постоянного напряжения (не показан). К этому же отрицательному полюсу через регулируемое сопротивление 46 подключен инвертирующий вход операционного усилителя 35.Устройство работает следующим образом.Анодный ток создает падение напряжения между анодом и катодом зависящее от расстояния между ними. Это падение напряжения подается на вход операционного усилителя 15 для линейного усиления сигнала, Усиленный сигнал с выхода операционного усилителя 15 подается на инвертирующий вход операционного усилителя 16, работающего в режиме компаратора напряжений. На другой вход этого операционного усилителя подается напряжение с выхода функционального генератора, представляющее собой опорный сигнал. Этот сигнал зависит от анодного тока, определяемого путем измерения падения напряжения на сопротивлении 8 с помощью операционного усилителя 9, Сигнал на выходе этого операционного усиЛителя пропорционален падению напряжения на измерительном сопротивлении 8, а, следовательно, и анодному току, Выходные напряжения операционных усилителей 9, соответствующие токам си- ловых шин 6 анодной рамы 4, суммируются на суммирующих сопротивлениях 11 и результирующее напряжение через операционный усилитель 12 и регулируемое сопротивление 14 подается на вход Функционального генератора 27 в качестве задающего при Формировании опорного сигнала для операционных усилителей 16 каждого канала управления соответствующей анодной рамой. Опорный сигнал из задающего напряжения Формируется путем предварительного усиления сзаданным коэффициентом операционнымусилителем 28. Коэффициент усилениязадается по плотности тока, при которой данная электролизная ванна ра ботает нормально. При этом выходнойсигнал операционного усилителя 28становится пропорциональным плотнос.ти тока ванны. Сигнал, полученныйна выходе операционного усилителя 10 28, напоавляется на инвертирующийвход выходного операционного усилителя 29 сразу по трем коммутационнымканалам 31, 33 и 42. В первом коммутационном канале 31 сигнал, попадая на операционный усилитель 31 скоэффициентом усиления К=1, меняетсвою полярность на отрицательную ипоступает на инвертирующий вход выходного операционного усилителя 29.20На этот же вход операционного усилителя 29 по второму коммутационномуканалу 33, т.е, через сопротивления37 и 38 операционный усилитель 35и диод 34 поступает еще один сигналс отрицательной полярностью. Потретьему коммутационному каналу 42через регулируемое сопротивление 43сигнал уменьщает свою величину и,не изменяя полярности, тоже поступает на инвертирующий вход операционного усилителя 29. На этот же входоперационного усилителя 29 черезподключенное к отрицательному полюсу стабилизированного источника постоянного напряжения регулируемоесопротивление 45 поступает сигналотрицательной полярности. Сигналы,поступающие по первому и по третьему коммутационным каналам 31 и 42,имеют противоположную полярность, 40 Алгебраическая сумма этих сигналовсоздает на входе операционного усилителя 29 отрицательный сигнал, прямопропорциональный плотности тока электролизной ванны.45Сигнал, поступающий от отоицательного полюса стабилизированного источника постоянного напряжения черезрегулируемое сопротивление 45, зада" 50 ет на входе операционного усилителя29 отрицательную полярность. С помощью регулируемого сопротивления45 этот сигнал устанавливается нанеобходимую абсолютную величинуконтролируемого напряжения и не зависит от плотности тока, так как является постоянным. После инвертирования операционным усилителем 29 он получает постоянную положительную полярность.Алгебраическая сумма сигналов, поступающихна операционный усилитель 29, образует Функцию Ч = й(6), представляющую собой опорный сигнал сразу для нескольких измерителей напряжения, которые могут быть уста-.новлены на соответствующих рамах синдивидуальными сервоприводами,Сигнал отрицательной полярности,поступающий через регулируемое сопротивление 46 на операционный усилитель 35, поддерживает с помощью 5сопротивлений 37 и 38 на входе этогоусилителя несколько отличный от нуля сигнал положительной полярности,который после инвертирования подается на инвертирующий вход операционного усилителя 29 в виде, несколькоотличного от нуля отрицательного напряжения. И когда плотность тока 3больше минимальной заданной, например, 0,18, операционный усилительс помощью сопротивления 41 становится бистабильным и переходит в состояние отрицательного насыщения.При этом. диод 34 блокирует сигнал, сэтого усилителя, благодаря чему вэто время на вход операционного усилителя 29 могут проходить сигналыпо первому и третьему коммутационным каналам и сигнал, поступающийчерез регулируемое сопротивление 45,Если же плотность тока 3 становится меньше заданного минимальногозначения, например меньше 0,1 3, чтоговорит об угрозе короткого замыка ния, то сигнал отрицательной полярности, поступающий на операционныйусилитель 35 через регулируемое сопротивление 46, благодаря подобраннымсопротивлениям 37 и 38 становитсяпо величине несколько отличным отнуля и после инвертирования операионным усилителем попадает черездиод 34 на входоперационного усилителя 29 в виде положительного сигнала, несколько отличного от нуля.В этом случае суммарный сигнал на 40инвертирующем входе операционногоусилителя 29, складывающийся из сигналов, поступающих на него по всемканалам, становится отрицательным,несколько отличным от нуля. В результате Функциональный генератор27 оказывается заблокированным, т.е.на его выходе появляется сигнал,почти не отличающийся от нуля.При приближении анодов 2 к катоду 3 происходит увеличение анодноготока, вызывающее увеличение падениянапряжения на сопротивлении 8, и,следовательно, уменьшение анодногонапряжения, подаваемого на вход.операционного усилителя 15. При этом э 5выходной сигнал усилителя 15, умень- .шаясь по величине, достигает значения опорного сигнала на другом входе операционного усилителя 16, которое почти не отличается от нуля, бОчто приводит к перепаду напряженияиа его выходе с минимального уровнядо максимального, Этот перепад через разделительный диод 19 включаеттиристор 21, в результате чего за- у горается сигнальная лампочка, свидетельствуя об угрозе короткого замыкания. По этой лампочке оператор может установить,анодную раму, где произошло увеличение анодного тока больше заданного максимального уровня. Одновременно перепад напряжения с выхода операционного усилителя 16 через разделительный диод 20 поступает на логический элемент ИЛИ 23. Когда же на логический элемент ИЛИ 23 попадает хотя бы один сигнал о превышении уровня анодного тока, он проходит через логический элемент НЕ 24, открывающий транзисторный ключ 25, который подает питание на исполнительное реле 26, отключающее сервопривод 5, предотвра" щая дальнейшее опускание анодной рамы 4 еще на предварительной стадии, во время которой электрическое неравновесие электролизной ванны возросло, но еще не достигло аварийной стадии.При такой работе электролизера короткое замыкание анодов на катод практически исключается. Однако некоторое возмущение поверхности текущей ртути в электролизерах с ртутным катодом, могущее возникнуть по какой-либо непредвиденной причине, способно вызвать превышение максимально допустимого уровня тока в одной из анодных групп. В этом слу" чае падение напряжения на сопротивлении 8 соответствующей анодной группы переводит операционный усилитель 9 в состояние положительного насыщения. При этом открывается диод 40, пропускающий сигнал с выхода операционного усилителя 9 на вход оптрона 39 вследствие чего выходной транзистор оптрона 39 открывается и закорачивает третий коммутационный канал 33 между сопротивлениями 37 и 38 на землю, что приводит к появлению на выходе операционного усилителя 29 нулевого напряжения, которое уже указанным путем приводит к срабатыванию тиристора 21 и исполнительного .реле 26 в каждом канале управления, что в результате обеспечивает отключение сервоприводов 5, тем самым предотвращая дальнейшее опус" канне анодных рам 4. После естественного прекращения возмущения поверхности ртути устройство управления обеспечивает переключение исполнительного реле 26 и включение сервоприводов анодных рам 4.При таком выполнении устройства для автоматического управления работой электролизера с ртутным катодом обеспечивается контроль за однородным распределением анодного тока в электролизере, получение сигнала о наличии отклонения анодного тока выде заданного порога и использовараж б 43ственного к обретений и -35, Раушск Т ИПИ Госуда по делам и Иосква, Подписное итета СССР ткрытий наб., д, 4а Филиал ППП фПатент", г. Ужгород, ул ктная ние этого сигнала для предупреждения дальнейшего опускания анодной рамы во избежание короткого замыкания,а также использование этого сигналав качестве прогнозного для остальныханодных рам, в том числе предотврацения дальнейшего опускания и этиханодных рам, Постоянное сравнениенапряжения на анодных рамах с заданным нижним порогом обеспечивает работу электролизера без коротких замыканий при оптимальном напряжении. Исключение коротких замыканий, вызванных работой сервоприводов, значительно уменьшает затраты электрической энергии на получение 1 т продукции, например каустической соды ихлора. Тем более, что для каждойанодной группы может быть установлено индивидуальное напряжение с учетом особенностей этой анодной группы,например степени износа анодов, тцательности их монтажа на анодной раме, влияния температуры и т.п.