黃德晟，李華杰，郭勇軍，鄭新瑜

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

離子吸附型稀土礦富含高價值的中、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，是一種戰(zhàn)略礦產資源[1]，礦產主要分布在我國南方的江西、廣東、廣西等省份[2]。目前工業(yè)上通常采用無機鹽原地浸取、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，進而焙燒獲得混合稀土氧化物。然而，碳酸氫銨的使用會導致礦區(qū)水系氨氮嚴重超標，水體富營養(yǎng)化[4]。為解決上述問題，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過程還停留在“人工經(jīng)驗操作，離線檢測”的手動操作方式，其中包括人工控制閥門的開與關、泵和攪拌電機的啟停，工人憑經(jīng)驗判斷加料的量和沉淀池的液位，而沉淀過程最為關鍵的pH值的檢測也是通過人工取樣分析完成的，其過程缺乏時效性、科學的控制和管理，導致出現(xiàn)了稀土資源的質量低、沉淀成本高等問題，以上問題都不利于我國稀土資源事業(yè)的長遠發(fā)展。

針對以上問題，設計了一種離子型稀土浸出液沉淀自動化控制系統(tǒng)。通過傳感器對關鍵參數(shù)進行采集，通過編寫PLC控制程序配置相應的控制設備，實現(xiàn)了沉淀過程的自動控制，同時設計了友好的人機交互界面，降低了操作難度，系統(tǒng)提高了控制的準確性，提高了沉淀稀土的產品質量和生產效率，對稀土開采生產實踐具有重要指導意義。

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，進行了無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，通過輸送泵M1，將稀土浸出液輸送至沉淀池，同時開啟攪拌器M2，當稀土浸出液總量達到設定的總量時，關閉輸送泵M1和截止閥V1；然后打工截止閥V2，通過變頻泵以v加料速度將氧化鈣消化液沉淀劑輸送到沉淀池。此時，在沉淀池內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，經(jīng)過一段時間后，檢測人員抽取反應溶液，測量反應溶液的pH值，當反應終點pH值達到最佳沉淀pH值后，停止氧化鈣消化液沉淀劑的加入，關閉變頻泵M3和截止閥V2；攪拌器攪拌一段時間后，停止攪拌器M2的動作。通過以上步驟后，完成了稀土浸出液的沉淀。

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

2 控制系統(tǒng)硬件設計

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

其中現(xiàn)場設備層包括傳感器、控制設備、外圍設備等，如輸送泵、變頻泵、攪拌電機、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，首先啟動控制系統(tǒng)，控制打開電磁閥V1，同時啟動輸送泵M1，將稀土浸出液輸送到沉淀池，同時流量傳感器檢測沉淀劑瞬時流量值，連接SM331模擬量模塊發(fā)送到PLC進行累計流量計算，當達到系統(tǒng)設定的量后先PLC控制關閉輸送泵M1，延時T浸出后關閉電磁閥V1，同時PLC控制啟動攪拌電機M2；然后PLC控制打開電磁閥V2，延時T沉淀劑后啟動變頻泵，按PLC設定速度將氧化鈣消化液沉淀劑輸?shù)匠恋沓兀瑫r流量傳感器檢測沉淀劑瞬時流量值，連接SM331模擬量模塊發(fā)送到PLC進行累計流量計算；沉淀劑和稀土浸出液在沉淀池中反應，沉淀池中的液位傳感器和pH傳感器實時的將數(shù)據(jù)信息傳送到PLC進行分析處理，當檢測最終pH值達到PLC系統(tǒng)設定值后，關閉變頻泵M3，延時T變頻后關閉電磁閥V2，攪拌繼續(xù)持續(xù)設定時間T攪拌后關閉攪拌電機M2；PLC分析處理后的數(shù)據(jù)信息與觸摸屏通過工業(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)設置和數(shù)據(jù)的保存。通過以上關鍵參數(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控制。

2.1 PLC控制系統(tǒng)

選用西門子S7 300 PLC，其模塊化結構、電磁兼容性強、抗震動沖擊性能好，能適應稀土礦山復雜惡劣的工作環(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PN口和1個DP口，其中PN口通過工業(yè)以太網(wǎng)與觸摸屏連接，DP口與變頻器連接。

PLC的模塊化結構[10]，可以靈活擴展其它模塊，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，包括電磁閥V1、電磁閥V2、動力泵和攪拌電機的運行狀態(tài)信號；SM322數(shù)字量輸出模塊信號，包括控制電磁閥V1、電磁閥V2、動力泵和攪拌電機的啟停；SM331輸入模擬信號，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。PLC的數(shù)字量輸出控制變頻器的啟停，PLC與變頻器進行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

工藝涉及介質具有一定的腐蝕性，選用傳感器應該具備防腐性。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計電極探頭傳感器，可以對溶

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

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產品的代表，適用于各種變速傳動裝置，軟件功能豐富，組態(tài)靈活，用于控制三相交流電動機速度的變頻器系列。西門子變頻器一般包括三個部分：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和復位實現(xiàn)變頻電機的啟動和停止，通過變頻器的P+和N-兩線做為DP口與PLC連接，采用 PROFIBUS-DP總線連接，通過PLC設定變頻器頻率大小改變變頻電機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型號的觸摸屏。觸摸屏通過工業(yè)以太網(wǎng)通訊與PLC連接，采用TCP/IP通信協(xié)議，實現(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)可以實現(xiàn)稀土浸出液沉淀關鍵參數(shù)的顯示、存儲、歷史數(shù)據(jù)查詢參數(shù)設定等功能。操作人員可以查看流量、液位、pH等參數(shù)及調閱歷史曲線、報警記錄等數(shù)據(jù)，還可以設定液位值、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編程軟件進行PLC程序的開發(fā)，威綸通EsayBuilder PRO V6.07軟件進行組態(tài)界面的開發(fā)。

3.1 PROFIBUS技術

PROFIBUS[10]技術本身是一種開放式的現(xiàn)場總線標準模式，其實際的傳送速度能達到9.6 K baud～12M baud，在總線系統(tǒng)啟動后，連接在總線上的相關裝置都能實現(xiàn)同速運行。因此，被廣泛應用在冶金等制造業(yè)自動化系統(tǒng)中。其本身依據(jù) RS485串口完成應用模式，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)，主要應用在總線周期在10ms以下的現(xiàn)場級處理環(huán)境中，滿足高速、低成本通信結構要求。

作為S7-300系列PROFIBUS的通信模塊CP342-5具備PROFIBUS的相應接口，并且作為主站單元或從站單元，在中央機架上完成應用對接，配合通信功能FC1和FC2實現(xiàn)主從站應用管理，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)自動化集團發(fā)布的一款自動化軟件。軟件程序設計簡單有效。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]指令將實際輸入的0-27648數(shù)字量轉為符合傳感器量程的物理量，如pH值、流量瞬時值、液位值等關鍵參數(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)值為瞬時流量，不是系統(tǒng)所需的累計流量，所以需要對瞬時流量進行處理，具體方法是使用OB35循環(huán)中斷組織塊[13]進行中斷處理，設置硬件循環(huán)中斷OB35組織塊的執(zhí)行時間為100mS，對瞬時流量進行單位換算為m3/S(DIV_R指令），通過自增指令（ADD_R指令)得到累計流量（DB2.DBD12和DB2.DBD16），程序如圖3所示。

圖3 流量檢測程序

稀土沉淀過程關鍵參數(shù)pH值達到pH設定值時，先關閉變頻電機，延時5S后關閉電磁閥V2，攪拌達到設定時間后，關閉攪拌電機，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]軟件是一款人機界面設計工具，可以提供數(shù)據(jù)信息可視化顯示、參數(shù)設定、報表系統(tǒng)等功能，管理人員不間斷地獲取沉淀過程設備的運行狀態(tài)、關鍵參數(shù)的監(jiān)測和報表的生成與查詢。組態(tài)開發(fā)主要有控制系統(tǒng)主界面、系統(tǒng)報表等界面，主界面通過設備模型加數(shù)據(jù)顯示的方式展示了稀土浸出液工藝過程的設備狀態(tài)和關鍵參數(shù)，在操作面可以定液位上限、下限以及pH設定值等。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)在生產中的應用測試

控制系統(tǒng)采用西門子PLC-SIM V5.5[15]仿真軟件進行系統(tǒng)測試，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)下實現(xiàn)無硬件模擬，可以替代西門子硬件PLC的仿真軟件，具有模擬PLC的寄存器、對硬件進行診斷、對變量進行監(jiān)控和對程序進行調試等功能。通過對PLC程序的仿真測試，測試對流量、pH、液位等關鍵模擬量參數(shù)通過FC105功能進行數(shù)/模轉換，得到需要的模擬量的實際值，通過OB35中斷組織塊實現(xiàn)流量累加得到流量累計值。終點pH值達到設定的pH范圍時可以關閉設備的動作，通過關聯(lián)設備的啟停達到自動控制的目的，測試系統(tǒng)結果符合系統(tǒng)設計要求，測試如圖6。

圖6 PLC-SIM控制系統(tǒng)測試

5 結束語

本文設計的控制系統(tǒng)通過感知技術對稀土浸出液沉淀關鍵設備狀態(tài)和參數(shù)信息進行采集，利用西門子S7 300 PLC控制系統(tǒng)進行分析處理和執(zhí)行設備的控制，通過觸摸屏實現(xiàn)生產過程關鍵設備狀態(tài)和參數(shù)的可視化和參數(shù)的設定，系統(tǒng)的集成實現(xiàn)了稀土浸出液沉淀過程的自動控制。自動控制系統(tǒng)的實現(xiàn)，保障了稀土浸出液沉淀的質量，提高了生產效率，對帶動我國稀土產業(yè)整體技術水平提升，為實現(xiàn)我國稀土產業(yè)綠色開采提供了技術支撐。