離子型稀土浸出液沉淀控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

黃德晟，李華杰，郭勇軍，鄭新瑜

（1.江西離子型稀土工程技術(shù)研究有限公司，江西 贛州 341000；2.國(guó)家離子型稀土資源高效開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，江西 贛州 341000；3.江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院，江西 贛州 341000）

離子吸附型稀土礦富含高價(jià)值的中、重稀土(RE)元素，具有稀土配分齊全、放射性低、易采選等優(yōu)點(diǎn)，是一種戰(zhàn)略礦產(chǎn)資源[1]，礦產(chǎn)主要分布在我國(guó)南方的江西、廣東、廣西等省份[2]。目前工業(yè)上通常采用無(wú)機(jī)鹽原地浸取、碳酸氫銨沉淀[3]富集的方式回收離子吸附型稀土礦中的稀土，進(jìn)而焙燒獲得混合稀土氧化物。然而，碳酸氫銨的使用會(huì)導(dǎo)致礦區(qū)水系氨氮嚴(yán)重超標(biāo)，水體富營(yíng)養(yǎng)化[4]。為解決上述問(wèn)題，黃小衛(wèi)、Xiao等[5,6]提出了用鎂鈣鹽代替硫酸銨作為浸取劑，用氧化鈣[7]替代碳酸氫銨作為沉淀劑，以綠色高效的提取離子吸附型稀土礦中的稀土。目前，離子型稀土浸出液沉淀的生產(chǎn)過(guò)程還停留在“人工經(jīng)驗(yàn)操作，離線檢測(cè)”的手動(dòng)操作方式，其中包括人工控制閥門的開與關(guān)、泵和攪拌電機(jī)的啟停，工人憑經(jīng)驗(yàn)判斷加料的量和沉淀池的液位，而沉淀過(guò)程最為關(guān)鍵的pH值的檢測(cè)也是通過(guò)人工取樣分析完成的，其過(guò)程缺乏時(shí)效性、科學(xué)的控制和管理，導(dǎo)致出現(xiàn)了稀土資源的質(zhì)量低、沉淀成本高等問(wèn)題，以上問(wèn)題都不利于我國(guó)稀土資源事業(yè)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展。

針對(duì)以上問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種離子型稀土浸出液沉淀自動(dòng)化控制系統(tǒng)。通過(guò)傳感器對(duì)關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行采集，通過(guò)編寫PLC控制程序配置相應(yīng)的控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了沉淀過(guò)程的自動(dòng)控制，同時(shí)設(shè)計(jì)了友好的人機(jī)交互界面，降低了操作難度，系統(tǒng)提高了控制的準(zhǔn)確性，提高了沉淀稀土的產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，對(duì)稀土開采生產(chǎn)實(shí)踐具有重要指導(dǎo)意義。

1 稀土浸出液沉淀工藝流程

本文采用氧化鈣作為沉淀劑，為保證稀土沉淀完全，氧化鈣加入量為理論加入量(OH：RE=3：1)的95%，攪拌速度為v攪拌，沉淀劑加料速度為v加料，進(jìn)行了無(wú)氨沉淀富集低濃度硫酸稀土溶液中稀土[4]，其工藝流程為：首先加入熱水至消化池，再加入氧化鈣固體至配液池，消化60min后，形成氧化鈣消化液；首先，打工截止閉V1，通過(guò)輸送泵M1，將稀土浸出液輸送至沉淀池，同時(shí)開啟攪拌器M2，當(dāng)稀土浸出液總量達(dá)到設(shè)定的總量時(shí)，關(guān)閉輸送泵M1和截止閥V1；然后打工截止閥V2，通過(guò)變頻泵以v加料速度將氧化鈣消化液沉淀劑輸送到沉淀池。此時(shí)，在沉淀池內(nèi)氧化鈣消化液和稀土浸出液在攪拌器的作用下發(fā)生反應(yīng)，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，檢測(cè)人員抽取反應(yīng)溶液，測(cè)量反應(yīng)溶液的pH值，當(dāng)反應(yīng)終點(diǎn)pH值達(dá)到最佳沉淀pH值后，停止氧化鈣消化液沉淀劑的加入，關(guān)閉變頻泵M3和截止閥V2；攪拌器攪拌一段時(shí)間后，停止攪拌器M2的動(dòng)作。通過(guò)以上步驟后，完成了稀土浸出液的沉淀。

地稀土浸出液沉淀生產(chǎn)過(guò)程中，稀土浸出液沉淀涉及氧化鈣消化液、稀土浸出液等介質(zhì)，氧化鈣消化液為堿性溶液，稀土浸出液為酸性介質(zhì)，都具有一定的腐蝕性。由人工控制的設(shè)備包括截止閥的開關(guān)、泵和攪拌器的啟停、變頻泵的速度調(diào)節(jié)等。稀土浸出液沉淀關(guān)鍵影響參數(shù)為變頻泵的速度和最終反應(yīng)pH值。

2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

稀土浸出液沉淀控制系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層、控制系統(tǒng)層和管理層組成。

其中現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備層包括傳感器、控制設(shè)備、外圍設(shè)備等，如輸送泵、變頻泵、攪拌電機(jī)、流量傳感器、液位傳感器、pH傳感器等；控制系統(tǒng)層包括西門子PLC[8]控制系統(tǒng)；管理層由觸摸屏、管理軟件等組成。其控制系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 稀土浸礦液沉淀控制系統(tǒng)圖

由稀土浸出液控制系統(tǒng)圖2可知，首先啟動(dòng)控制系統(tǒng)，控制打開電磁閥V1，同時(shí)啟動(dòng)輸送泵M1，將稀土浸出液輸送到沉淀池，同時(shí)流量傳感器檢測(cè)沉淀劑瞬時(shí)流量值，連接SM331模擬量模塊發(fā)送到PLC進(jìn)行累計(jì)流量計(jì)算，當(dāng)達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的量后先PLC控制關(guān)閉輸送泵M1，延時(shí)T浸出后關(guān)閉電磁閥V1，同時(shí)PLC控制啟動(dòng)攪拌電機(jī)M2；然后PLC控制打開電磁閥V2，延時(shí)T沉淀劑后啟動(dòng)變頻泵，按PLC設(shè)定速度將氧化鈣消化液沉淀劑輸?shù)匠恋沓?，同時(shí)流量傳感器檢測(cè)沉淀劑瞬時(shí)流量值，連接SM331模擬量模塊發(fā)送到PLC進(jìn)行累計(jì)流量計(jì)算；沉淀劑和稀土浸出液在沉淀池中反應(yīng)，沉淀池中的液位傳感器和pH傳感器實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)信息傳送到PLC進(jìn)行分析處理，當(dāng)檢測(cè)最終pH值達(dá)到PLC系統(tǒng)設(shè)定值后，關(guān)閉變頻泵M3，延時(shí)T變頻后關(guān)閉電磁閥V2，攪拌繼續(xù)持續(xù)設(shè)定時(shí)間T攪拌后關(guān)閉攪拌電機(jī)M2；PLC分析處理后的數(shù)據(jù)信息與觸摸屏通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)完成交換，在觸摸屏組態(tài)中可以完成工藝流程可視化、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)的保存。通過(guò)以上關(guān)鍵參數(shù)的采集、數(shù)據(jù)分析處理、上位管理等步驟，最終完成稀土浸出液沉淀的自動(dòng)控制。

2.1 PLC控制系統(tǒng)

選用西門子S7 300 PLC，其模塊化結(jié)構(gòu)、電磁兼容性強(qiáng)、抗震動(dòng)沖擊性能好，能適應(yīng)稀土礦山復(fù)雜惡劣的工作環(huán)境[9]。其中315-2PN/DP作為控制系統(tǒng)的中央處理器（CPU），有2個(gè)PN口和1個(gè)DP口，其中PN口通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)與觸摸屏連接，DP口與變頻器連接。

PLC的模塊化結(jié)構(gòu)[10]，可以靈活擴(kuò)展其它模塊，包括數(shù)字量輸入模塊SM321、數(shù)字量輸出模塊SM322和模擬量輸入模塊。其中SM331數(shù)字量輸入模塊信號(hào)，包括電磁閥V1、電磁閥V2、動(dòng)力泵和攪拌電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)信號(hào)；SM322數(shù)字量輸出模塊信號(hào)，包括控制電磁閥V1、電磁閥V2、動(dòng)力泵和攪拌電機(jī)的啟停；SM331輸入模擬信號(hào)，包括1#流量傳感器、2#流量傳感器、1#液位傳感器、2#液位傳感器和pH傳感器輸出的4～20mA模擬信號(hào)。PLC的數(shù)字量輸出控制變頻器的啟停，PLC與變頻器進(jìn)行PROFIBUSDP[11]通訊，讀取變頻器的其它參數(shù)，如頻率、電壓、電流等重要參數(shù)。

2.2 傳感器

工藝涉及介質(zhì)具有一定的腐蝕性，選用傳感器應(yīng)該具備防腐性。選用西門子MAG1100型電磁流量傳感器，襯里為聚四氟乙烯（PTFE）；選用GUY1礦用本安型投入式液位傳感器；選用梅特勒托利多pH計(jì)電極探頭傳感器，可以對(duì)溶

液中pH值或OR值進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。傳感器輸出4～20mA模擬信號(hào)。

2.3 變頻器

選用西門子MICROMASTER 440型變頻器，它是通用型變頻器中最先進(jìn)產(chǎn)品的代表，適用于各種變速傳動(dòng)裝置，軟件功能豐富，組態(tài)靈活，用于控制三相交流電動(dòng)機(jī)速度的變頻器系列。西門子變頻器一般包括三個(gè)部分：變頻器主體，BOP 面板，DP 接口，MM440型變頻器做為從站。PLC數(shù)字量輸出控制變頻器的正轉(zhuǎn)和復(fù)位實(shí)現(xiàn)變頻電機(jī)的啟動(dòng)和停止，通過(guò)變頻器的P+和N-兩線做為DP口與PLC連接，采用 PROFIBUS-DP總線連接，通過(guò)PLC設(shè)定變頻器頻率大小改變變頻電機(jī)速度從而改變輸送流量的大小。變頻器的接線如圖2所示。

圖2 變頻器接線圖

2.4 觸摸屏

選用威綸通MT6071ip型號(hào)的觸摸屏。觸摸屏通過(guò)工業(yè)以太網(wǎng)通訊與PLC連接，采用TCP/IP通信協(xié)議，實(shí)現(xiàn)觸摸屏與PLC之間的數(shù)據(jù)信息交換。觸摸屏組態(tài)的開發(fā)可以實(shí)現(xiàn)稀土浸出液沉淀關(guān)鍵參數(shù)的顯示、存儲(chǔ)、歷史數(shù)據(jù)查詢參數(shù)設(shè)定等功能。操作人員可以查看流量、液位、pH等參數(shù)及調(diào)閱歷史曲線、報(bào)警記錄等數(shù)據(jù)，還可以設(shè)定液位值、pH值等。

3 系統(tǒng)軟件開發(fā)

系統(tǒng)軟件開發(fā)包括PLC程序的開發(fā)和上位組態(tài)程序的開發(fā)，使用西門子STEP7 V5.5編程軟件進(jìn)行PLC程序的開發(fā)，威綸通EsayBuilder PRO V6.07軟件進(jìn)行組態(tài)界面的開發(fā)。

3.1 PROFIBUS技術(shù)

PROFIBUS[10]技術(shù)本身是一種開放式的現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)模式，其實(shí)際的傳送速度能達(dá)到9.6 K baud～12M baud，在總線系統(tǒng)啟動(dòng)后，連接在總線上的相關(guān)裝置都能實(shí)現(xiàn)同速運(yùn)行。因此，被廣泛應(yīng)用在冶金等制造業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)中。其本身依據(jù) RS485串口完成應(yīng)用模式，較為常見的通信行規(guī)分為DP、PA以及FMS。本系統(tǒng)采用DP通信行規(guī)，主要應(yīng)用在總線周期在10ms以下的現(xiàn)場(chǎng)級(jí)處理環(huán)境中，滿足高速、低成本通信結(jié)構(gòu)要求。

作為S7-300系列PROFIBUS的通信模塊CP342-5具備PROFIBUS的相應(yīng)接口，并且作為主站單元或從站單元，在中央機(jī)架上完成應(yīng)用對(duì)接，配合通信功能FC1和FC2實(shí)現(xiàn)主從站應(yīng)用管理，維持通信的發(fā)送緩沖和接收緩。

3.2 PLC程序開發(fā)

STEP7 V5.5是西門子工業(yè)自動(dòng)化集團(tuán)發(fā)布的一款自動(dòng)化軟件。軟件程序設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單有效。控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)地址分配表1所示。

表1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)地址表

據(jù)表1可知，傳感器的輸出模擬量PIW288-PIW296送入SM331模塊，使用FC105[11]指令將實(shí)際輸入的0-27648數(shù)字量轉(zhuǎn)為符合傳感器量程的物理量，如pH值、流量瞬時(shí)值、液位值等關(guān)鍵參數(shù)。其中，指令中的HI_LIM和LO_LIM[12]即為傳感器的量程。由于流量傳感器采集的數(shù)值為瞬時(shí)流量，不是系統(tǒng)所需的累計(jì)流量，所以需要對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行處理，具體方法是使用OB35循環(huán)中斷組織塊[13]進(jìn)行中斷處理，設(shè)置硬件循環(huán)中斷OB35組織塊的執(zhí)行時(shí)間為100mS，對(duì)瞬時(shí)流量進(jìn)行單位換算為m3/S(DIV_R指令），通過(guò)自增指令（ADD_R指令)得到累計(jì)流量（DB2.DBD12和DB2.DBD16），程序如圖3所示。

圖3 流量檢測(cè)程序

稀土沉淀過(guò)程關(guān)鍵參數(shù)pH值達(dá)到pH設(shè)定值時(shí)，先關(guān)閉變頻電機(jī)，延時(shí)5S后關(guān)閉電磁閥V2，攪拌達(dá)到設(shè)定時(shí)間后，關(guān)閉攪拌電機(jī)，完成稀土浸出液的沉淀。pH控制程序如圖4所示。

圖4 pH控制程序

3.3 組態(tài)程序開發(fā)

威綸通的EsayBuilder PRO V6.07[14]軟件是一款人機(jī)界面設(shè)計(jì)工具，可以提供數(shù)據(jù)信息可視化顯示、參數(shù)設(shè)定、報(bào)表系統(tǒng)等功能，管理人員不間斷地獲取沉淀過(guò)程設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測(cè)和報(bào)表的生成與查詢。組態(tài)開發(fā)主要有控制系統(tǒng)主界面、系統(tǒng)報(bào)表等界面，主界面通過(guò)設(shè)備模型加數(shù)據(jù)顯示的方式展示了稀土浸出液工藝過(guò)程的設(shè)備狀態(tài)和關(guān)鍵參數(shù)，在操作面可以定液位上限、下限以及pH設(shè)定值等。主要組態(tài)畫面如圖5所示。

圖5 主要組態(tài)畫面

4 控制系統(tǒng)在生產(chǎn)中的應(yīng)用測(cè)試

控制系統(tǒng)采用西門子PLC-SIM V5.5[15]仿真軟件進(jìn)行系統(tǒng)測(cè)試，PLC-SIM西門子公司開發(fā)的可編程控制器模擬軟件，它在 STEP7 集成狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)無(wú)硬件模擬，可以替代西門子硬件PLC的仿真軟件，具有模擬PLC的寄存器、對(duì)硬件進(jìn)行診斷、對(duì)變量進(jìn)行監(jiān)控和對(duì)程序進(jìn)行調(diào)試等功能。通過(guò)對(duì)PLC程序的仿真測(cè)試，測(cè)試對(duì)流量、pH、液位等關(guān)鍵模擬量參數(shù)通過(guò)FC105功能進(jìn)行數(shù)/模轉(zhuǎn)換，得到需要的模擬量的實(shí)際值，通過(guò)OB35中斷組織塊實(shí)現(xiàn)流量累加得到流量累計(jì)值。終點(diǎn)pH值達(dá)到設(shè)定的pH范圍時(shí)可以關(guān)閉設(shè)備的動(dòng)作，通過(guò)關(guān)聯(lián)設(shè)備的啟停達(dá)到自動(dòng)控制的目的，測(cè)試系統(tǒng)結(jié)果符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，測(cè)試如圖6。

圖6 PLC-SIM控制系統(tǒng)測(cè)試

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)通過(guò)感知技術(shù)對(duì)稀土浸出液沉淀關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)信息進(jìn)行采集，利用西門子S7 300 PLC控制系統(tǒng)進(jìn)行分析處理和執(zhí)行設(shè)備的控制，通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程關(guān)鍵設(shè)備狀態(tài)和參數(shù)的可視化和參數(shù)的設(shè)定，系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)了稀土浸出液沉淀過(guò)程的自動(dòng)控制。自動(dòng)控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，保障了稀土浸出液沉淀的質(zhì)量，提高了生產(chǎn)效率，對(duì)帶動(dòng)我國(guó)稀土產(chǎn)業(yè)整體技術(shù)水平提升，為實(shí)現(xiàn)我國(guó)稀土產(chǎn)業(yè)綠色開采提供了技術(shù)支撐。