混合澄清槽鈾萃取控制系統

李景瑩

中國電子科技集團公司第八研究所

混合澄清槽鈾萃取控制系統

李景瑩

中國電子科技集團公司第八研究所

李景瑩，女，漢族，皖淮南人，單位名稱：中國電子科技集團公司第八研究所，2012年畢業于安徽理工大學，碩士學位，助工，從事技術設計工作。

介紹了利用混合澄清槽的方法對鈾進行萃取分離，簡述了鈾萃取過程的總體方案，分析了系統設計中的關鍵技術以及硬件、軟件的設計。本文針對鈾提取工程的工藝，設計出了一套完整的澄清槽法鈾萃取控制系統，從目前運行效果證明該系統能夠實現有機相和水相的進料、攪拌、澄清、分相等過程。

概述

根據傳統的稀土萃取原理，將混合澄清槽中的有機相和水相進行全逆流混合，通過串級萃取分離工藝，設計了16級萃取澄清槽、8級反萃取澄清槽，鈾的萃取效率可以達到95%以上。在混合澄清槽中，每一級都需通過控制恒流泵的流量和攪拌電機的轉速使有機相和水相充分混合，接著將混合液流入澄清室，混合液在澄清室中產生密度差，乳狀混合液澄清分相。

總體設計方案

本系統采用分布式控制網絡，通過組態王上位機監控系統，實時監視下位機現場設備的運行狀況。質量流量計測量平流泵的輸出流量，保證其準確性。通過PLC閉環控制，將平流泵輸出的流量信號進行反饋，達到精確控制平流泵流量。通過PLC與上位機通訊，進行指令接收與發送，采用PID調節，控制電機轉速。根據組態王設定的轉速值和電機反饋的電機轉速信號，即將給定轉速與電機實際轉速進行比較，產生的差值經過PID算法，實現對電機轉速的控制與調節。串口服務器用于將平流泵、攪拌電機等設備通過RS485/232通訊集成到控制系統中，下發至各個部件，并將各個部件的反饋數據通過以太網上傳給工業控制計算機系統，其中串口服務器提供多達8個RS-232/422/485串口，滿足本系統通訊要求、易于擴展。組態王監控軟件提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。總體控制方案如圖1所示。

圖1　系統原理圖

硬件設計

PLC控制系統硬件設計

包含一套西門子PLC控制系統及低壓電器，用于質量流量計的信號采集和控制，并與平流泵組成流量閉環控制系統，提供高精度的流量控制。通過上位機組態軟件設置給定流量值，由PLC對流量值進行信號采集，下位機恒流泵則根據上位機的給定流量調節泵液的速度，再根據閉環PID控制料液的流速。其中，平流泵為TBP1002型中壓柱塞泵，質量流量計則選用BRONKHORST LIQUI-FLOW L23I數字式質量流量計。攪拌電機選擇了帶有編碼器的FAULHABER 2224SR系列024SR直流微電機。

直流電機調速控制系統

直流電機調速系統采用數控方式，避免了模擬電路系統的繁瑣、通用性差、器件溫漂影響小的缺點。選用STC12C5410AD單片機作為主控制芯片，具有通用性、穩定性、軟件易更新等優點，STC12C5410AD單片機帶有4個PWM輸出端口，具備集成看門狗，8路高速10位A/D轉換器，串口（P3.0和P3.1）用于燒寫程序端口，更改程序方便、可靠。

電機調速控制系統的硬件電路主要由單片機最小系統、電源、485通信模塊、編碼器光電隔離裝置、直流電機驅動電路等組成。電機控制器的電路板如圖2所示。

系統軟件設計

圖2　電機控制器的電路板

PLC控制系統軟件設計

在混合澄清槽系統中，通過比較上位機給定流量值與實際流量反饋的流量值，產生偏差，再將偏差值送入到PLC中，在PLC內部通過PID算法，來控制恒流泵流量，達到精確比例混合澄清槽液體，如圖3所示。

電機控制設備軟件設計

在混合澄清槽內，通過直流電機對混合液體進行攪拌，采用PWM脈寬調制來控制電機的轉速。外圍光電編碼器通過通訊控制器將速度信號反饋給電機及通訊控制器，電機及通訊控制器實現電機轉速PID調節，并接收、執行上位機的控制指令，如圖4所示。

電機控制設備與上位機的通信設計

3 PLC控制系統圖

圖4　電機控制流程圖

圖5　組態王主界面

在組態系統上進行二次開發，來滿足系統控制要求。變量點數余量不小于10%，支持通過網絡在線技術服務。監控軟件提供了適用于工業的圖形顯示、消息、歸檔以及報表的功能模板。高性能的過程藕合、快速的畫面更新、以及可靠的數據使其具有高度的實用性。除了這些系統功能外，系統監控軟件還提供了開放的界面用于用戶解決方案。可以通過ODBC和SQL方式對歸檔數據訪問。

在該控制系統中，上位機采用組態王監控軟件。設置通訊連接、變量定義，控制下位機恒流泵、直流電機等現場設備，用戶可在監控軟件上查詢、設置所需參數值。監控界面設置了主監控畫面，顯示料液、流速、攪拌、1A槽和1C槽進出料情況等，還可以顯示恒流泵的壓力值，流量計流量，電機的轉速以及系統運行情況。另外，還具備數據存儲、日報表和歷史數據查詢等功能。監控畫面如圖5所示。

結束語

鈾提取過程對攪拌電機的轉速要求很高，所以必須精確地對攪拌電機的轉速進行精確地控制，保證電機控制系統可以達到無靜差、無超調、避免過流等。系統中采用了閉環直流調速，PID控制電機轉速，對啟動、停止、過載電流保持在最大允許值上，保證最短調節時間。當轉速在給定值范圍波動時，能夠通過PID調控轉速在允許的偏差范圍內。組態王監控界面，為用戶提供了很好的人機界面，形象地展現了模擬現場的實時情況。操作人員可以通過控制按鈕設置所需參數，保證了操作人員安全性和工作環境。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.051