王鳴山,王勝男
(核工業(yè)理化工程研究院,天津300180)
化學(xué)鍍形成鎳磷合金鍍層具有優(yōu)異的耐腐蝕性,其優(yōu)勢在于鍍液分散能力接近100%,無明顯的邊緣效應(yīng),鍍層均勻、孔隙率低、基底結(jié)合力強(qiáng),廣泛應(yīng)用于電工電子、石油機(jī)械、航空航天等領(lǐng)域[1]。但化學(xué)鍍過程對工藝參數(shù)要求較為嚴(yán)格,特別是主鹽離子濃度、pH值、溫度等條件對鍍層的沉積速度、結(jié)合力以及鍍后表面質(zhì)量均有顯著影響。通過過程控制技術(shù)將參數(shù)穩(wěn)定在較小波動的合理范圍內(nèi),可維持施鍍工藝過程鍍液參數(shù)的穩(wěn)定,提高產(chǎn)品質(zhì)量和鍍層表面一致性。目前,工業(yè)表面處理設(shè)備對pH值、溫度等參數(shù)的監(jiān)測和控制比較成熟[2],而主鹽離子濃度的測定多采用EDTA絡(luò)合滴定或電極電化學(xué)等離線分析方法[3],分析過程消耗時間較長,無法在線應(yīng)用。因此,主鹽溶液補(bǔ)充一般以離線的化學(xué)分析數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)結(jié)合經(jīng)驗進(jìn)行,補(bǔ)充量具有滯后性和主觀性,一定周期后工作液濃度誤差積累放大,偏離設(shè)計條件,進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量下降。
本研究通過快速非接觸光吸收法實現(xiàn)了溶液離子濃度在線監(jiān)測,結(jié)合在線pH值和工作液溫度,比較離子濃度差后利用蠕動泵補(bǔ)加消耗的物料,在補(bǔ)加過程中提出一種二次優(yōu)化控制(TOC)控制方法對帶有時滯特性的濃度穩(wěn)定系統(tǒng)進(jìn)行觀察和預(yù)測,解決了溶液補(bǔ)加系統(tǒng)因響應(yīng)滯后而導(dǎo)致添加不足或過量問題,滿足了化學(xué)鍍液在線分析、維護(hù)的要求,保證了鍍層一致性。
鎳離子水溶液在可見光波段內(nèi)存在三個吸收峰,分別為394 nm、656 nm、721 nm,且鎳離子的吸光度與其濃度成正比[4]。根據(jù)蘭伯特-比爾原理,當(dāng)一束平行的單色光通過含有均勻物質(zhì)溶液時,光的一部分被物質(zhì)吸收,一部分透過溶液,一部分被溶液表面反射。設(shè)入射光強(qiáng)度為Io,吸收光強(qiáng)度為Ia,透過光強(qiáng)度為It,反射光強(qiáng)度為Ir,則它們之間的關(guān)系為:
在溶液濃度c和液層厚度b相同的情況下,Ir保持不變,則有:
式中:ε為吸光系數(shù),L(/mol·cm)。定義為吸光率,單位無量綱。由式(2)可知,當(dāng)溶液層厚度b、入射光強(qiáng)Io一定時,吸光率D只有溶液濃度c相關(guān)。
硅光電池是一種直接把光能轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體器件,當(dāng)光子照射在器件上,電路中可產(chǎn)生電流。因此,通過硅光電池對透過光強(qiáng)It進(jìn)行測量便可知其濃度。又因鎳溶液在656 nm波長處有吸收峰,故選擇了龍信達(dá)的LXD23CV-R硅光電池,其響應(yīng)特性曲線如圖1所示,可見其在650 nm附近最為敏感,適合設(shè)計需求。
圖1 LXD23CV-R硅光電池光響應(yīng)特性曲線Fig.1 LXD23CV-R silicon photocell relative sensitivity
理想化學(xué)鍍鎳的反應(yīng)過程是連續(xù)加入反應(yīng)物,金屬離子沉積后形成鍍層,原料動態(tài)地消耗并補(bǔ)充,當(dāng)工藝達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時,反應(yīng)的物料組成、溫度狀態(tài)等參數(shù)不隨時間而變化。這一過程的反應(yīng)速率可由下式描述:
式中:k0和E為反應(yīng)活化能常數(shù),無量綱;T為反應(yīng)溫度,℃;CA為反應(yīng)物濃度,mol/L。
當(dāng)實施化學(xué)鍍時,反應(yīng)器內(nèi)尚未完全還原沉積的主鹽溶液與沉積產(chǎn)物分離后,與新鮮補(bǔ)加的物料一起再次參與反應(yīng)。設(shè)反應(yīng)器的體積為V,熱損失不計。令新進(jìn)入的物料流量速率為λF,初始濃度為CAf,濃度為CAt。建立系統(tǒng)的物料動態(tài)CA模型如下式:
其中,r為式(3)定義的反應(yīng)速率。為了保證離子沉積過程的穩(wěn)定性,需要對濃度進(jìn)行調(diào)控,因此確立CAt為被控制量,λF、CAf為控制量。對式(4)進(jìn)行泰勒展開,可獲得主鹽離子濃度的增量表達(dá):
對式(5)進(jìn)行拉普拉斯變換,滯后模型糾正后的系統(tǒng)傳遞函數(shù)如式(6)所示:
至此,構(gòu)建了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。
由于大時滯系統(tǒng)相較于自抗擾(PADRC)控制算法和比例微分積分(PID)控制算法,TOC算法系統(tǒng)具備快速響應(yīng),系統(tǒng)穩(wěn)定,魯棒性更好的特點,更加適用于濃度的控制[5]。因此,本設(shè)計中采用TOC優(yōu)化控動態(tài)響應(yīng)時滯搜索策略[6]尋找ki、kp、kd值。
化學(xué)鍍鎳在線維護(hù)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示,包括在線采樣分析系統(tǒng)、反饋控制系統(tǒng)、蠕動泵物料補(bǔ)充系統(tǒng)等。在進(jìn)樣泵控制下,待測工作液流入作為檢測器的石英比色皿中,采樣分析系統(tǒng)在此對溶液的主鹽離子濃度、pH值、工作液溫度等進(jìn)行測定。進(jìn)樣泵導(dǎo)液管連通鍍槽和比色皿,鍍液循環(huán)地從鍍槽抽至比色皿,再回到鍍槽中。
圖2 系統(tǒng)組成原理圖Fig.2 Schematic of system composition
其中,鍍液pH值、溫度通過帶有溫度測量功能的在線pH計進(jìn)行檢測,傳感器測定信號經(jīng)由模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊傳輸至采樣控制器中。在線pH計如圖3所示。
圖3 帶有溫度測量的在線pH計Fig.3 Online pH with temperature measurement
在石英比色皿中,鍍液的透射光被硅光電池檢測器檢出,光信號轉(zhuǎn)化為電信號。因硅光電池輸出的電流信號微弱,量級為nA,故需要經(jīng)過跨阻放大器將微弱信號放大后傳輸?shù)侥?shù)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量后,由采樣控制器計算得到Ni2+濃度。圖4所示為650 nm的紅色激光光源和硅光電池及硅光電池信號放大器。
圖4 硅光電池、激光光源及硅光電池放大器Fig.4 Silicon photocell,laser light source and amplifier of silicon photocell
物料補(bǔ)充系統(tǒng)主要是由蠕動泵、流量計組成。物料補(bǔ)充輸入管與溶液預(yù)混合槽接通,蠕動泵組在泵組控制器的驅(qū)動下運行,抽取主鹽、還原劑、氨水等物料,在溶液預(yù)混合槽混合均勻并達(dá)到一定溫度后輸送至鍍液工作槽。在此過程中,流量計對補(bǔ)充液流量實時反饋校正。管路中阻尼器對水錘效應(yīng)減幅、遲滯削去峰值,減小脈動;止回閥,截止管路液體倒流;背壓閥保持管路壓力,使蠕動泵能平穩(wěn)泵送物料,管路控制原理圖如圖5所示。
圖5 蠕動泵補(bǔ)料系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of feeding device system for peristaltic pump
2.3.1 標(biāo)準(zhǔn)鎳溶液測試標(biāo)定
在室溫20℃、相對濕度70%的條件下,保持激光光源入射光強(qiáng)恒定,進(jìn)樣系統(tǒng)以無水乙醇和去離子水清洗后,通入不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)鎳溶液測定其透過光的吸光率D,結(jié)果如表1。
將濃度與吸光度關(guān)系數(shù)據(jù)進(jìn)行一次線性回歸,擬合的關(guān)系表達(dá)式如下:
擬合的相關(guān)系數(shù)0.9946,置信區(qū)間>97.5%。
2.3.2 待測鎳溶液測試結(jié)果
在室溫20℃、相對濕度70%的條件下,保持激光光源入射光強(qiáng)恒定,進(jìn)樣系統(tǒng)以無水乙醇和去離子水清洗后,通入6組不同濃度的待測鎳溶液,通過激光-硅光電池方法測定待測鎳溶液中的主鹽離子濃度。同時,采用普通滴定法分別測量溶液中的主鹽離子濃度。兩種方法測試時,每組待測溶液均復(fù)測3次,結(jié)果如表2所示。
表2 待測鎳溶液測試結(jié)果Tab.2 Test result of pending nickel solution
以化學(xué)滴定方法作為標(biāo)準(zhǔn),激光-硅光電池法在線測量的測試誤差最大為1.44%。從實驗結(jié)果可看出,該在線自動測試方法可適用于化學(xué)鍍鎳生產(chǎn)線上主鹽離子濃度自動測試。
通過窮舉法可知大時滯系統(tǒng)采用四階最優(yōu)值收斂最好,但計算復(fù)雜,不易工程實際運用。張建新[5]、王杭州[6]提出了二階控制器算法,即可滿足工程需求又能保證求解速度快。分別取參數(shù)Kc=0.95,k1=120,Ku+1=400,由圖6可見,系統(tǒng)不出現(xiàn)濃度超調(diào)(超過閾值)和波動的情況,響應(yīng)上升過程平滑、快速。
圖6 TOC控制響應(yīng)Fig.6 Diagram of TOC control response
補(bǔ)加溶液過程中將影響反應(yīng)環(huán)境溫度、pH值等條件。為了確定瞬變擾動對濃度值的影響,仿真時在某時刻加載-100%的階躍干擾信號,由圖7可見,系統(tǒng)波動0.24%,近似忽略。
圖7 TOC控制階躍擾動響應(yīng)Fig.7 Diagram of TOC control response in Step disturbance
可見TOC控制方法較適合化學(xué)鍍鎳溶液的濃度控制系統(tǒng)。
為了驗證系統(tǒng)功能的可靠性,某公司化學(xué)鍍車間連續(xù)運行了該系統(tǒng)6個月。以2020年5月為例,取該月份檢測數(shù)據(jù)60組,其中主鹽離子、pH值、溫度自動在線檢測,人工每4 h取樣化驗一次。繪制主鹽離子、pH值、溫度曲線,如圖8所示。從圖8的變化趨勢中可見,以主鹽離子濃度、pH值、溫度為指標(biāo)對鍍液自動維護(hù)系統(tǒng)的可靠性及穩(wěn)定性進(jìn)行考察,證實該系統(tǒng)可將化學(xué)施鍍過程控制在工藝范圍要求內(nèi),實現(xiàn)了穩(wěn)定鍍液的作用。
圖8 主鹽離子、pH值和溫度變化曲線Fig.8 Metallic main salt concentration,pH value,temperature variation curve
系統(tǒng)實現(xiàn)了在線檢測主鹽離子濃度和pH值并及時補(bǔ)充各反應(yīng)物料并維持pH值,保證了工作液的穩(wěn)定性,保證化學(xué)施鍍工藝的一致性。獲得了如下結(jié)論:
(1)采用650 nm激光光源和硅光電池得到了離子濃度與吸光度之間的擬合關(guān)系,測量誤差<1.5%,滿足實際應(yīng)用需要。
(2)建立了濃度補(bǔ)加時滯系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,采用TOC最優(yōu)控制方法將濃度擾動偏差穩(wěn)定在1%以內(nèi),實現(xiàn)了自動補(bǔ)加控制。