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(tǒng)

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(yè)于安徽理工大學(xué)，碩士學(xué)位，助工，從事技術(shù)設(shè)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(tǒng)設(shè)計中的關(guān)鍵技術(shù)以及硬件、軟件的設(shè)計。本文針對鈾提取工程的工藝，設(shè)計出了一套完整的澄清槽法鈾萃取控制系統(tǒng)，從目前運行效果證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有機相和水相的進料、攪拌、澄清、分相等過程。

概述

根據(jù)傳統(tǒng)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(shè)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(zhuǎn)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(chǎn)生密度差，乳狀混合液澄清分相。

總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)采用分布式控制網(wǎng)絡(luò)，通過組態(tài)王上位機監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)視下位機現(xiàn)場設(shè)備的運行狀況。質(zhì)量流量計測量平流泵的輸出流量，保證其準(zhǔn)確性。通過PLC閉環(huán)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(fā)送，采用PID調(diào)節(jié)，控制電機轉(zhuǎn)速。根據(jù)組態(tài)王設(shè)定的轉(zhuǎn)速值和電機反饋的電機轉(zhuǎn)速信號，即將給定轉(zhuǎn)速與電機實際轉(zhuǎn)速進行比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過PID算法，實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的控制與調(diào)節(jié)。串口服務(wù)器用于將平流泵、攪拌電機等設(shè)備通過RS485/232通訊集成到控制系統(tǒng)中，下發(fā)至各個部件，并將各個部件的反饋數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳給工業(yè)控制計算機系統(tǒng)，其中串口服務(wù)器提供多達8個RS-232/422/485串口，滿足本系統(tǒng)通訊要求、易于擴展。組態(tài)王監(jiān)控軟件提供了適用于工業(yè)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(tǒng)原理圖

硬件設(shè)計

PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

包含一套西門子PLC控制系統(tǒng)及低壓電器，用于質(zhì)量流量計的信號采集和控制，并與平流泵組成流量閉環(huán)控制系統(tǒng)，提供高精度的流量控制。通過上位機組態(tài)軟件設(shè)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(jù)上位機的給定流量調(diào)節(jié)泵液的速度，再根據(jù)閉環(huán)PID控制料液的流速。其中，平流泵為TBP1002型中壓柱塞泵，質(zhì)量流量計則選用BRONKHORST LIQUI-FLOW L23I數(shù)字式質(zhì)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(diào)速控制系統(tǒng)

直流電機調(diào)速系統(tǒng)采用數(shù)控方式，避免了模擬電路系統(tǒng)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(wěn)定性、軟件易更新等優(yōu)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(zhuǎn)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(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機最小系統(tǒng)、電源、485通信模塊、編碼器光電隔離裝置、直流電機驅(qū)動電路等組成。電機控制器的電路板如圖2所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計

圖2　電機控制器的電路板

PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

在混合澄清槽系統(tǒng)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(chǎn)生偏差，再將偏差值送入到PLC中，在PLC內(nèi)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(shè)備軟件設(shè)計

在混合澄清槽內(nèi)，通過直流電機對混合液體進行攪拌，采用PWM脈寬調(diào)制來控制電機的轉(zhuǎn)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(xiàn)電機轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)，并接收、執(zhí)行上位機的控制指令，如圖4所示。

電機控制設(shè)備與上位機的通信設(shè)計

3 PLC控制系統(tǒng)圖

圖4　電機控制流程圖

圖5　組態(tài)王主界面

在組態(tài)系統(tǒng)上進行二次開發(fā)，來滿足系統(tǒng)控制要求。變量點數(shù)余量不小于10%，支持通過網(wǎng)絡(luò)在線技術(shù)服務(wù)。監(jiān)控軟件提供了適用于工業(yè)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(shù)據(jù)使其具有高度的實用性。除了這些系統(tǒng)功能外，系統(tǒng)監(jiān)控軟件還提供了開放的界面用于用戶解決方案?？梢酝ㄟ^ODBC和SQL方式對歸檔數(shù)據(jù)訪問。

在該控制系統(tǒng)中，上位機采用組態(tài)王監(jiān)控軟件。設(shè)置通訊連接、變量定義，控制下位機恒流泵、直流電機等現(xiàn)場設(shè)備，用戶可在監(jiān)控軟件上查詢、設(shè)置所需參數(shù)值。監(jiān)控界面設(shè)置了主監(jiān)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(zhuǎn)速以及系統(tǒng)運行情況。另外，還具備數(shù)據(jù)存儲、日報表和歷史數(shù)據(jù)查詢等功能。監(jiān)控畫面如圖5所示。

結(jié)束語

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

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.051