矿浆电解的自动控制.pdf

5 6 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 2 期 d o i 1 0 ．3 9 6 9 ／j ．i s s n ．1 0 0 7 - 7 5 4 5 ．2 0 1 3 ．1 2 ．0 1 6 矿浆电解的自动控制 栩柄，i 斌彦 北京矿冶研究总院，北京1 0 0 1 6 0 摘要根据锑金精矿矿浆电解的工艺特点和工业试验实践，对自动化技术在矿浆电解中应用的可行性、 应用领域、控制方法进行详细探讨，并对主要测控设备进行对比选型。 关键词矿浆电解；自动控制；探讨 中图分类号T F 3 5 5文献标志码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 3 1 2 0 0 5 6 0 5 A u t o m a t i c C o n t r o lo fS l u r r yE l e c t r o l y s i s L I UY a n g ，W A N GC h e n g y a n B e i j i n gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y ，B e i j i n g1 0 0 1 6 0 ，C h i n a A b s t r a c t B a s e do nt h et e c h n o l o g i c a lc h a r a c t e r i s t i c sa n di n d u s t r i a lp r a c t i c eo fs l u r r ye l e c t r o l y s i sf o rg o l da n t i m o n yc o n c e n t r a t e s ，t h ea u t o m a t i o nt e c h n o l o g yi ns l u r r ye l e c t r o l y s i sw a si n t r o d u c e di nt e r m so fi t sa p p l i c a t i o nf e a s i b i l i t y ，a p p l i c a t i o nf i e l da n dc o n t r o lm e t h o d s ．T h em a i nt e s t i n ge q u i p m e n ti ss e l e c t e dt h r o u g h c o m p a r i s o n ． K e yw o r d s s l u r r ye l e c t r o l y s i s ；a u t o m a t i cc o n t r o l ；d i s c u s s i o n 近年来，随着传感器、计算机、电力电子、机电一 体化和各种检测技术的快速发展，自动化装备和技 术在冶金工艺中的应用越来越广泛，主要集中在基 础控制、电气传动、过程控制、参数检测等方面。提 高自动化程度已成为冶金企业改善产品质量、提高 生产效率和控制生产成本的重要途径。本文结合某 锑金精矿矿浆电解工业试验的生产实践，对在矿浆 电解中可应用自动化技术的环节和技术细节进行详 细探讨，为后续工业生产线自动化部分的设计和应 用提供参考。 1 工艺流程及特点 锑金矿矿浆电解的原则工艺流程如图1 所示。 该工艺是集矿石浸出、金属电积、溶液循环为一 体的连续生产过程，其生产原料是锑金精矿，电解液 在正常循环过程中，除盐酸外基本不再需要补充其 它试剂。生产设备主要包括物料输送设备 输送机、 收稿日期2 0 1 3 0 8 0 8 作者简介柳杨 1 9 8 6 一 ，男，河南南阳人，硕士，助理工程师 皮带秤、行车 、管道输送设备 矿浆泵、溶液泵、各类 阀 、各种槽罐 矿浆电解槽、萃取箱、溶液储槽、矿浆 搅拌槽、中转槽 以及压滤机、整流变压器、电气柜 等。生产技术条件方面，矿浆液固比 3 ～5 1 ，电 解液为N H 。C 1 一H C l 体系，电解矿浆温度6 0 ℃左 右，连续运转。总体上看，工艺具有环境潮湿、强酸 腐蚀、管路复杂、泵阀多、操作频繁等特点。 2 自动化技术在矿浆电解中的应用 2 ．1 应用原则 自动化技术是为提高生产效率服务的，但最终 目标还是提高经济效益，在自动化程度和可操作性 之间找到合理的平衡点才是企业的最佳选择。首先 从成本方面，实现难度高、投资大、实时性要求不高 的测控项目可人工操作，比如压滤洗涤、矿浆浓度检 测、金属离子分析、不常开启的萃取工段等；从设备 可靠性方面，要实现较低的故障率，确保生产能连续 万方数据 2 0 1 3 年第1 2 期有色金属 冶炼部分 h t t p [ 1 y s y l ．b g r i m m ．c n 5 7 锑金矿 图1 锑矿浆电解原则工艺流程 F i g ．1 P r o c e s sf l o wd i a g r a mo fS l u r r y E l e c t r o l y s i sf o ra n t i m o n yo r e 进行，考虑到经济因素，可在主线流程和关键检测点 中尽可能选用性能稳定、可靠性高的进口设备，而辅 助设备则以实用性为准进行设计选型。 2 ．2 过程参数检测 过程参数是判定工艺是否正常、产品是否达标 的重要指标，从矿浆电解工业试验来看，包括物料计 量、槽罐液位、槽电压、槽温、氧化还原电位在内的工 艺参数需要实时检测并及时调整。 计量是物料配比和各种冶金计算的基础，在矿 浆电解工艺中，加矿量、矿浆进浆量、阴极补液量、阴 极锑、压滤渣、以及辅料盐酸的计量都是必不可少 的。其中进矿、盐酸、进浆、补液的计量需要实时测 定和控制，其配比直接关系矿浆电解能否正常运行。 另外，一些主要储槽间溶液的转迸转出也需要计量， 但精度要求不高，可根据液位计和槽的截面积间接 计算得到。 需要对液位进行检测的位置有预浸槽、盐酸储 槽、浆化槽、还原后液槽、阳极液槽以及阴极补液槽。 检测的作用主要是1 掌握物料储备情况；2 通过与 泵、阀门的配合实现物料输送和循环的自动运行；3 过程实时监控，防止冒槽、浆叶露出等状况发生；4 维持高位补液槽液位的稳定，可减少因压力变化导 致的补液流量波动问题；5 估算系统中溶液总量的 变化，对水膨胀、蒸发损失等作出迅速响应。 合适的反应条件是确保矿浆电解稳定运行的前 提，除对配液和取样分析环节严格把控外，还需对槽 电压、电解槽温度、矿浆氧化还原电位等过程参数进 行实时检测。槽压能反映出极板与导电铜排的接触 情况；槽内温度过低或波动太大，都将影响浸出率和 系统的稳定；矿浆的氧化还原电位能在一定程度上 反映电化学反应状况，也需要定时检测。 2 ．3 逻辑控制 逻辑控制是自动化的重要内容，包括顺序控制 和联锁控制等，直接关系自动化程度的高低和生产 安全。在矿浆电解工业试验中，曾因操作失误发生 多次冒槽事故。如果在物料输送和循环中应用自动 控制技术，不但可以节省人力，降低劳动强度，还能 大大减少生产中的人为错误，提高生产效率。 3控制方法 3 ．1 顺序控制 系统中矿浆过滤设备选用的都是X M Y Z ／1 0 0 0 一 U K 型板状压滤机，其洗涤、吹扫时需反复调整两侧 数十个排液龙头的开闭状态，另外压滤机虽有自动 拉板功能，但卸板、压板时还需随时暂停，人工清理 粘在滤布上的物料或整理滤布，暂不具备自动化作 业的条件。这样一来，生产过程就被割裂开来，难以 实现全流程的自动控制。 设计中，可将物料输送和循环细分为预浸、压 滤、浆化、进浆、补液、排浆、压滤等部分，虽然两个液 固分离工段难以实现自动化操作，但在其他环节分 段自动控制并进行合理衔接，仍可有效降低劳动强 度，并且与全局自动控制相比，具有配置灵活、检修 方便的优势。各工段自动控制流程如图2 ～4 所示。 3 ．2 联锁控制 矿浆电解中需要进行联动控制的有泵与阀的 联动；液位与泵阀的联动；反应时间与生产操作的联 动；紧急停车联动。 安全联锁能在动作执行顺序和优先级层面避免 事故发生，并且一旦有异常情况，可按预定条件将生 产过程带入安全状态。安全联锁在矿浆电解中可应 用在状态监控 运行状态、工艺参数 、报警 槽压突 变、液位超限等 、设备保护 泵启动按钮强制失效、 压缩空气自动泄压等 三个方面。 3 ．3 回路控制 锑金矿矿浆电解工艺中有必要进行闭环精确控 万方数据 5 8 有色金属 冶炼部分 h t t p ] ／y s y l ．b g r i m m ．c n 2 0 1 3 年第1 2 期 制的有3 个回路进浆流量、阴极补液流量、补液高 位槽温度。其中阴极补液采用的是高位槽自流的方 式，通过底阀和1 8 路管道输送到各隔膜袋中，若采 用电／气动调节阀 流量计反馈的形式，用总阀控制 无法解决单路通断对其他管路影响问题，而分路控 制成本将大大增加。实践发现，当高位槽液位稳定 时，各分路在手阀不动情况下流量基本保持不变，故 可通过控制高位槽液位来间接控制流量。 图2 预浸自动控制流程 F i g ．2 A u t o m a t i cc o n t r o lf l o wo fp r e - l e a c h i n g 图3 浆化进浆自动控制流程 F i g ．3 A u t o m a t i cc o n t r o lf l o wo fs l u r r y i n ga n dt r a n s p o r t 图4 排浆自动控制流程 F i g ．4 A u t o m a t i cc o n t r o lf l o w o fs l u r r yd i s c h a r g i n g 闭环回路控制由被控对象、执行器、反馈3 部分 组成，流量、液位、温度控制的执行机构均为变频泵， 反馈分别来自流量计、液位计和热电阻，通常采用的 控制算法为P I D 控制，其中位置式P I D 控制的一般 形式为 K u 忌 一K P P 五 K i ∑P 歹 J 0 K d [ P 是 一e k 一1 ] 1 式中【， 忌 为第k 次采样时控制器的输出，K P 、 K ，、K 。分别为比例、积分、微分的系数，∑e 歹 为采 样开始到第k 次采样时刻之间偏差的累积。 可以看出，P I D 控制器工作原理就是依据设置 的K ，、K ，、K 。值，对采样偏差进行比例、积分、微分 运算，输出控制值，系统的稳定与否在很大程度上取 决于系数K ，、K i 、K 。这3 个参数。矿浆电解中，进 浆流量的控制可采用常规P I D 控制，液位、温度控 万方数据 2 0 1 3 年第1 2 期 有色金属 冶炼部分 h t t p H y s y l ．b g r i m m ．o n 5 9 制受迟滞、非线性、时变等因素影响 比如温度变化 的热水源 ，采用定参数的P I D 控制易产生超调和 大波动。为此，可采用模糊一P I D 方式进行控制[ 1 ] ， 通过人工P I D 整定的专家经验，对K ，、K i 、K 。值进 行即时在线修改，兼具了模糊控制的快速性和P I D 控制的精确性。下面以高位槽液位控制为例对模 糊一P I D 的具体控制方法和效果进行介绍。 如图5 所示，模糊P I D 系统的输入是误差E 和 误差变化率E 。，模糊推理输出是P I D 参数的增量 △K 。、△K i 、z a K 。最终经P I D 控制器输出控制量【，。 首先将对象模糊化，描述输入输出量的模糊语言值 均取7 个，即{ N B 、N M 、N S 、Z E 、P S 、P M 、P B ，含义 分别为负大、负中、负小、零、正小、正中、正大；模糊 论域均设为[ 一3 ，3 ] ，基本论域液位误差E E 一3 0 0 ， 3 0 0 J ，单位m m ；误差变化率E 。[ 一1 0 ，1 0 3 ，单位 m m ／m i n 。则量化因子K 。、K 。。分别为0 ．0 1 、0 ．3 0 。 图5 液位F u z z y - P I D 控制原理图 F i g ．5 C o n t r o ls k e t c hm a po fF u z z y ‘P I Do fl i q u i dl e v e l 这里模糊规则的制定依据是P I D 参数整定的 专家经验，基本思想是在偏差较大时调节控制上升 时间的参数处于主导地位，偏差较小时调节超调量 的参数占优。据推导[ 2 ‘3 ] ，单容水箱的液位控制是个 一阶惯性环节，为对模糊P I D 控制算法进行仿真验 证，在实验室条件下将补液高位槽等比例缩小，对不 同稳态液位和流量数据进行记录并在m a t l a b 系统 辨识工具箱中辨识，得出系统传递函数为 G ㈤ 黑 图6 和图7 是在K 。一2 ．5 、K i 0 ．7 、K d 一8 条 件下在m a t l a b 的s i m u l i n k 工具箱中进行仿真的系 统图和阶跃响应曲线，其中P I D 初始设定参数为试 凑法得到的理想值，B o d e 图中两曲线分别为P I D 和 F u z z y P I D 控制在给定值为1 5 0m m 时的阶跃响 应，可以看出，模糊P I D 控制的响应时间、超调量控 制、到达稳态时间等指标均优于传统P I D 控制。 图6 液位F u z z y - P I D 控制S i m u l i n k 仿真系统图 F i g ．6 S i m u l a t i o nd i a g r a mo fF u z z y - P I Df o rl i q u i dl e v e lc o n t r o l 万方数据 6 0 有色金属 冶炼部分 h t t p ／／y s y l ．b g r i m m ．o n 2 0 1 3 年第1 2 期 图7P I D 和F u z z y - P I D 控制的阶跃响应曲线 F i g ．7S t e pr e s p o n s ec u r v e so fP I D a n dF u z z y - P I D 进浆流量的P I D 控制可利用P L C 内部或变频 器本身自带的P I D 控制器来实现，高位槽液位和温 度的F u z z y - P I D 控制由于涉及到模糊化和模糊推理 过程，P L C 本身进行隶属度函数和解模糊的在线运 算比较困难，为提高P L C 运行效率，可利用离线模 糊查询表的形式来解决。对每次采样的E 和E 。进 行超限和取整处理，查询模糊规则表，直接输出对应 的控制量，而离线模糊规则表很容易在M a t l a b 的模 糊规则查看器中获取。 4 主要设备的选型 中控据初步统计，控制系统有A I 点3 4 个， A O 点4 个，D I ／D O 点2 3 0 余个，总的来看规模较 小，选用P L C 来替代D C S 集散控制系统，是一种既 经济又切合实际的解决方案。根据控制点数，可选 用西门子S 7 3 0 0 系列的C P U 3 1 4 或同级别的其它 品牌P L C ，实际使用中可采用仪表现场层控制 层以太网通信层的架构形式，方便系统配置和 后续升级。 称重给料称重给料装置目前工业上应用最广 泛的是电子皮带称和核子秤皮带，两者价格相当，精 度经校准后电子式的能达到0 ．5 ％，核子秤能控制 在1 ％以内[ 4 巧] 。从矿浆电解工业现场来看，矿含 水较高，出料多黏结成大小、形状不规则的块状，且 不同批次物料的含水量、成分、密度均有变化。由于 不同物质对射线的吸收率也不同，核子秤测量精度 受物料类型、断面形状、密度影响比较大，需不断标 定吸收系数。另外申办许可证、防辐射安全措施这 些在仅需1 台设备时，显得比较麻烦。综合以上因 素，矿浆电解称重给料机选用电子皮带秤为宜，但鉴 于接触式测量的固有缺点，一方面应使用耐腐蚀性 好的传感器，另一方面选择张力小、运转相对平稳的 安装位置，并定期校准。 流量计矿浆电解进浆流量检测输送介质为固 液两相的酸性矿浆，腐蚀性强，雷诺系数低；矿浆输 送距离较远，应尽量减少压力损失；需闭环控制，流 量计要有信号输出功能。满足以上需求的矿浆流量 计有电磁式、超声波式和科里奥利质量式3 种[ 6 ] ，其 中超声波式 多普勒 流量计受介质传声性能影响较 大，对矿浆悬浮物和气泡含量敏感，而科里奥利质量 式流量计价格昂贵，是电磁流量计的2 ～8 倍。电磁 流量计不受介质密度、黏度、温度、电导率变化等因 素影响，是矿浆计量的理想选择。针对酸性矿浆，可 选用耐酸碱、耐磨的可熔性聚四氟乙烯 P F A 作为 电磁流量计衬里材料。 液位计液位检测的介质为酸性矿浆和溶液，工 业试验中采用的是内浮筒外标尺的人工检测方式，发 现由于矿浆浓度较大，经搅拌后在残余浮选药剂作用 下，在矿浆表面形成一层黏稠的漂浮物，经常造成浮 筒卡死和虚液位，再考虑强酸腐蚀，液位的自动控制 应首选非接触式液位计。溶液槽里无搅拌，介质是清 液，可采用价位稍低的超声波液位计，矿浆槽受搅拌 挥发、泡沫等影响，选用穿透能力更好的雷达液位计。 为确保安全万无一失，可采用液位计和机械液位开关 相结合的控制方式，在液位计故障时不发生冒槽事故。 5结论 基于物料特性，锑金矿的计量输送宜采用电子 皮带秤，矿浆的计量选用电磁式流量计，液位选用雷 达液位计，溶液的流量显示可采用玻璃转子流量计， 液位选用超声波液位计。控制系统采用P L C 现 场仪表 执行机构 工控机 组态软件的模式，实 现状态监控和逻辑控制等功能。 参考文献 [ 1 ] 刘金琨．先进P I D 控制及其M A T L A B 仿真I - M ] ．北京 电子工业出版社，2 0 1 1 6 7 7 0 ． [ 2 ] 王再英．过程控制系统及仪表[ M ] ．北京机械工业出版 社，2 0 0 5 1 0 9 1 1 2 ． E 3 ] 胡开明，李跃忠，钱敏．基于模糊P I D 与组态技术的液位 控制系统的研究[ J ] ．机床与液压，2 0 0 9 ，3 7 9 1 5 0 1 5 1 ． [ 4 ] 朱锦智．7 皮带秤现场应用及精度分析口] ．石油化工自 动化，2 0 0 5 5 8 3 8 5 ． [ 5 ] 邱祥禹，张健，史红军．电子秤和核子秤在新庄选煤厂 的应用[ J ] ．广西轻工业，2 0 0 9 2 3 6 ． E 6 ] 张羽．浅谈流量计的选型及其应用[ J ] ．自动化与仪表， 2 0 0 7 。2 2 1 2 4 2 7 ． 万方数据