鋅液凈化過程優(yōu)化控制系統(tǒng)軟件開發(fā)

摘要：鋅液凈化除鈷過程反應(yīng)機(jī)理復(fù)雜、工藝流程長，鋅粉和砷鹽的添加憑人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定，造成鋅粉的大量浪費(fèi)，甚至導(dǎo)致凈化后液中鈷離子濃度超標(biāo)。為此，從現(xiàn)場實(shí)際出發(fā)，深入研究凈化過程的工藝機(jī)理，提出凈過程優(yōu)化操作系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，開發(fā)優(yōu)化操作指導(dǎo)軟件，確保出口雜質(zhì)離子濃度達(dá)標(biāo)，并降低了鋅粉添加量。

關(guān)鍵詞：鋅液；凈化過程；優(yōu)化操作系統(tǒng)；軟件開發(fā)

中圖分類號：TP273 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1引言

濕法煉鋅是世界上主流的鋅冶煉工藝[1]。濕法煉鋅工藝流程中，電解液中雜質(zhì)離子濃度超標(biāo)將會顯著降低電解的電流效率與電鋅質(zhì)量、增大電能消耗，因此，凈化除雜是鋅電解前極為重要的工序[2]。硫酸鋅溶液凈化過程主要由除銅、除鈷和除鎘三個工序組成。除鈷過程是在溫度為75℃以及有銅離子存在的條件下進(jìn)行的。當(dāng)鋅液中加入三氧化二砷、鋅粉及返回的底流晶種后，由于Cu-Zn微電池電位差大于CoZn微電池因而使鈷易于在CuZn微電池陰極上放電還原，在溶液中形成穩(wěn)定的AsCuCo（Zn）合金，從而使溶液中的Co2+以合金形式在溶液中沉淀分離出來。由于鈷離子濃度無法實(shí)現(xiàn)在線檢測，反應(yīng)條件的控制和反應(yīng)劑的添加通常按照人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，由于人工經(jīng)驗(yàn)的主觀性和不精確性，造成了鋅粉過量添加以及除鈷過程的波動[3]。

國內(nèi)某鉛鋅冶煉集團(tuán)的濕法煉鋅過程采用芬蘭奧托昆普公司的鋅液凈化除鈷系統(tǒng)，它能實(shí)現(xiàn)硫酸鋅溶液中鈷離子的深度凈化。其工藝流程圖如圖1所示。砷鹽除鈷過程由4個反應(yīng)器串聯(lián)而成。在高溫條件下，1#反應(yīng)器入口將添加砷鹽和底流，1#～3#反應(yīng)器入口則添加廢酸，4個反應(yīng)器中都添加鋅粉。鋅粉及砷鹽與溶液中的鈷離子及除銅工序殘留的銅離子發(fā)生復(fù)雜的氧化還原反應(yīng)，生成鈷砷、銅鈷金屬化合物，逐漸去除硫酸鋅溶液中的鈷離子。鈷砷、銅鈷等金屬化合物在濃密機(jī)中沉淀，作為晶種從濃密機(jī)底流返回到1#反應(yīng)器，而凈化后的鋅液則通過濃密機(jī)溢流送往后續(xù)的除鎘工段，達(dá)到凈化鋅液的目的。

然而，由于國內(nèi)的礦源波動較大，鋅液凈化除鈷系統(tǒng)不能較好的適用于現(xiàn)場的操作，導(dǎo)致目前鋅粉、砷鹽及晶種的添加由操作工人任經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。為了保證出口雜質(zhì)離子濃度達(dá)標(biāo)，現(xiàn)場操作人員往往過量添加鋅粉，從而造成了除鈷過程的不穩(wěn)定和鋅粉的浪費(fèi)。

2系統(tǒng)需求分析

鋅液凈化除鈷系統(tǒng)的最終目的是在保證出口雜質(zhì)離子濃度達(dá)標(biāo)的情況下，盡量減少鋅粉添加量。因此，鋅粉添加量的優(yōu)化是我們這個系統(tǒng)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

為了給雜質(zhì)鈷離子的除去創(chuàng)造更好的反應(yīng)環(huán)境，砷鹽、廢酸以及底流返回量的優(yōu)化添加也非常必要。這是因?yàn)樯辂}在除鈷過程中起穩(wěn)定劑和活化劑的作用。若砷鹽添加不夠，除鈷效果不好；若砷鹽添加過量，則會導(dǎo)致鋅粉消耗增加和增大劇毒砷化氫氣體生成的可能，且除鈷效果也將變差。 若反應(yīng)器中廢酸添加量不夠，生成的堿式硫酸鹽和不可溶硅膠將會阻礙除鈷的進(jìn)行，且會造成壓濾困難；若廢酸添加量過多，PH過低，鋅粉會直接和酸反應(yīng)生成氫氣，浪費(fèi)鋅粉，且析氫和鈷離子還原是競爭還原關(guān)系，會抑制除鈷的反應(yīng)。

另外，底流含固中的合金能促進(jìn)除鈷的反應(yīng)，底流含固中未反應(yīng)完的鋅粉單質(zhì)能降低鋅粉消耗。然而當(dāng)?shù)琢鞣祷亓窟^少時(shí)則會對除鈷反應(yīng)有促進(jìn)作用的合金過少，導(dǎo)致除鈷效果變差，增加了鋅粉的消耗。底流返回量過多，則會使得除銅后液的停留時(shí)間縮短，從而導(dǎo)致反應(yīng)器溶液粘稠度增加，影響鈷離子的擴(kuò)散，底流中的硅膠會促使可溶硅向硅膠轉(zhuǎn)變，影響除鈷和壓濾。

綜上所述，優(yōu)化操作系統(tǒng)需要提供對鋅粉、砷鹽、廢酸和底流返回量的添加進(jìn)行優(yōu)化操作指導(dǎo)。另外，綜合考慮鋅液凈化除鈷優(yōu)化操作系統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用需求，所開發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)該具備以下基本功能[3]：

1）優(yōu)化控制砷鹽，廢酸，底流返回量以及鋅粉添加量。

2）除鈷過程相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)顯示以及相關(guān)報(bào)警提示功能。

3）除鈷過程相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)查詢及其趨勢圖的繪制。

4）除鈷過程相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的存儲管理。

5）專家知識庫管理。添加、修改或刪除集成在系統(tǒng)中的專家知識。

6）用戶管理功能，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

3系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

鋅液凈化除鈷優(yōu)化操作系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)如圖2所示，系統(tǒng)軟件的主要工作流程如下：

1） 用戶通過賬戶名和密碼登錄該系統(tǒng)后，在數(shù)據(jù)輸入界面輸入相應(yīng)的化驗(yàn)值，并存儲到參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫中。

2） 同時(shí)，系統(tǒng)啟動后，在后臺開辟一個OPC通訊線程來實(shí)時(shí)讀取現(xiàn)場相關(guān)參數(shù)，并通過過程參數(shù)監(jiān)控界面顯示相關(guān)參數(shù)的值，并將讀取的數(shù)據(jù)存儲到參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫中。

3） 根據(jù)OPC通訊讀取的現(xiàn)場相關(guān)參數(shù)及專家知識庫中的報(bào)警信息，判斷此時(shí)各個狀態(tài)參數(shù)是否正常。若有不正常的數(shù)據(jù)，則彈出報(bào)警信息，并將報(bào)警信息的出現(xiàn)時(shí)間、故障位置、發(fā)生故障后是否采取措施等信息記錄到參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫。

4） 根據(jù)參數(shù)存儲數(shù)據(jù)庫中輸入的化驗(yàn)數(shù)據(jù)和OPC讀取的實(shí)時(shí)參數(shù)，利用后臺開辟的另一個優(yōu)化線程實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的優(yōu)化計(jì)算，并將優(yōu)化結(jié)果在屏幕上顯示。

5） 數(shù)據(jù)查詢界面可以分析參數(shù)存儲庫中存儲的歷史數(shù)據(jù)，并繪制成曲線。

6） 專家知識庫更新界面收集操作人員輸入的專家規(guī)則，寫入專家知識庫。4系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述軟件總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，按照模塊化程序設(shè)計(jì)思想，優(yōu)化操作系統(tǒng)的主要功能如圖3所示，包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)查詢模塊、優(yōu)化控制模塊、狀態(tài)監(jiān)測模塊、用戶管理模塊及知識庫更新模塊，詳細(xì)設(shè)計(jì)如下：

4.1數(shù)據(jù)的采集模塊

優(yōu)化操作系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)Microsoft SQL Server 2000 數(shù)據(jù)庫進(jìn)行生產(chǎn)數(shù)據(jù)的存儲，通過OPC客戶端軟件的編寫，現(xiàn)場數(shù)據(jù)被實(shí)時(shí)采集并保存到存儲數(shù)據(jù)庫相關(guān)的表格中。通過OPC客戶端軟件，用戶可以得到的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)主要包括廢酸的添加量、砷鹽的流量、底流的返回量、除銅后液的流量、各個反應(yīng)器的鋅粉添加量、電機(jī)的工作狀態(tài)等信息。另外，在人工化驗(yàn)數(shù)據(jù)輸入界面，相關(guān)鈷離子濃度、除銅溢流銅離子、廢酸濃度、相應(yīng)BT值以及含固量等在輸入后也存入相應(yīng)數(shù)據(jù)庫的表格中。

4.2數(shù)據(jù)查詢模塊

數(shù)據(jù)查詢模塊通過對存儲數(shù)據(jù)庫中相關(guān)表格的讀取，提供了鋅液凈化除鈷過程中相關(guān)參數(shù)的歷史查詢和實(shí)時(shí)跟蹤功能。

在優(yōu)化操作系統(tǒng)運(yùn)行過程中，可通過監(jiān)控畫面中的曲線跟蹤功能，得到最近一小時(shí)內(nèi)一些重要參數(shù)的變化趨勢。而且，可以通過數(shù)據(jù)查詢與曲線查詢功能，得到某段時(shí)間的重要生產(chǎn)數(shù)據(jù)及其變化趨勢。

4.3優(yōu)化控制模塊

該模塊是本系統(tǒng)的核心。根據(jù)系統(tǒng)的需求分析可知，需要優(yōu)化的參數(shù)包括廢酸的流量、底流返回流量、砷鹽添加以及各個反應(yīng)器鋅粉添加量等。其中砷鹽主要用于與雜質(zhì)銅、鈷離子進(jìn)行反應(yīng)。又由于溶液中需要一定濃度的銅離子，因此，根據(jù)入口銅離子濃度，鈷離子濃度，砷鹽濃度，我們利用上述離子與砷鹽的反應(yīng)公式和工藝要求來設(shè)定砷鹽的添加。

廢酸添加的主要目的是：酸化強(qiáng)堿性的砷鹽溶液；降低底流返回液的BT值；添加鋅粉除雜造成局部BT值上升等。由于廢酸濃度和底流的BT值會發(fā)生變化，為此，需利用反應(yīng)器化驗(yàn)后的BT值及知識庫中關(guān)于廢酸調(diào)整的專家規(guī)則調(diào)整廢酸的添加量[4]。

反應(yīng)器中的含固量是影響除鈷過程的重要因素。理論上，反應(yīng)器中的含固量取決于反應(yīng)過程生成的合金量、鋅粉添加量及返回底流中的含固量。由于反應(yīng)過程生成的合金含量非常小，因此，實(shí)際生產(chǎn)中，主要是根據(jù)濃密機(jī)返回底流的含固量來調(diào)整底流返回流量，以實(shí)現(xiàn)反應(yīng)器中的含固量。

對于鋅液凈化除鈷過程來說，鋅粉添加量的優(yōu)化至關(guān)重要，也最為復(fù)雜。本系統(tǒng)根據(jù)選取的優(yōu)化案例庫，采用最小二乘法來辨識得到各個反應(yīng)器鋅粉的利用率；再根據(jù)目前各個反應(yīng)器模型中相應(yīng)的實(shí)際值來優(yōu)化除鈷率；最后，根據(jù)除鈷率與鋅粉添加量之間的關(guān)系，優(yōu)化添加各個反應(yīng)器中鋅粉的添加量。

4.4狀態(tài)監(jiān)測模塊

該模塊包括過程參數(shù)的在線監(jiān)視以及報(bào)警信息的設(shè)置與提示。過程參數(shù)的在線監(jiān)視可以讓現(xiàn)場操作人員很方便的從界面上看到相關(guān)關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)值，而報(bào)警信息功能的加入，可提醒現(xiàn)場操作人員相關(guān)反應(yīng)狀態(tài)值是否超過正常范圍，從而在發(fā)生意外情況能及時(shí)的做出正確反應(yīng)。

4.5用戶管理模塊

本系統(tǒng)對生產(chǎn)安全有著較高的要求。因此，工業(yè)控制計(jì)算機(jī)中數(shù)據(jù)的安全性及對過程操作的用戶分派就顯得尤為重要。針對這一需求，我們在優(yōu)化操作系統(tǒng)中指定可操作的用戶，并對用戶分配相應(yīng)的權(quán)限，每個權(quán)限對應(yīng)相關(guān)的操作。通過對用戶訪問權(quán)限的設(shè)置可以有效防止非操作員對系統(tǒng)的訪問以及操作員跨權(quán)的誤操作，從而確保系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

4.6知識庫更新模塊

該模塊包含專家知識庫和優(yōu)化案例庫。其中專家知識庫包含了報(bào)警信息的設(shè)置、更新和廢酸調(diào)節(jié)的專家規(guī)則更新，優(yōu)化案例庫的更新則實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)模型的更新。

5結(jié)論

本文介紹了鋅液凈化除鈷優(yōu)化操作系統(tǒng)的需求分析和系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)過程。開發(fā)出的系統(tǒng)結(jié)合了機(jī)理模型和專家知識等，實(shí)現(xiàn)了鋅液凈化除鈷過程的過程優(yōu)化。優(yōu)化操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)工藝過程監(jiān)控、過程關(guān)鍵參數(shù)的優(yōu)化設(shè)定、歷史數(shù)據(jù)的查詢以及故障報(bào)警。系統(tǒng)保證了鋅液凈化過程的高效作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了整個生產(chǎn)過程的智能化，減輕了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)

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