稀土串级萃取分离智能控制系统及方法专利名称：稀土串级萃取分离智能控制系统及方法技术领域：本发明属于稀土金属的提取特别是通过使用有机化合物溶液对稀土萃取的技术领域.具体地说，本发明提供一种稀土串级萃取分离的智能控制系统背景技术： 稀土金属族包括17种元素，其化学性质极为相似，在自然界中又总以共生矿的形态存在，故将其分离和纯化极为困难上世纪七十年代以来，发明了采取串级萃取的方法来分离稀土金属的技术，即利用稀土族金属元素之间存在性能上的微小差异，进行多次重复地萃取，以获得纯净的产品稀土串级萃取分离过程工艺流程如图1所示，整条萃取生产线由多级萃取槽串联组成，自左至右依次为由n级萃取槽构成的萃取段、m级萃取槽构成的洗涤段和L级萃取槽构成的反萃段组成图1中T为储罐，用于存储有机、氨水、料液、洗酸、反酸以及出口产品；M为搅拌电机，安置在混合室内，通过搅拌作用使水相与有机相充分接触萃取槽由混合室和澄清室组成，在稀土萃取分离过程中，通过对萃取槽体独特的结构设计和萃取过程混合室内搅拌电机的动力作用，使得有机相和水相在混合室、澄清室并流，而整体却产生逆向流动即有机相总体是从左向右流动，水相总体是从右向左流动，如图2所示。
澄清室中的溶液根据有机萃取剂与水互不相溶原理分为两层上层为有机相，下层为水相根据稀土组成元素萃取率不同的特点，将稀土元素分为易萃组分A和难萃组分B操作者根据串级萃取原理，按照一定平衡比例关系，控制储罐T中的有机、氨水、料液、洗酸、反酸等液体按照一定的流量连续注入萃取生产线萃取段的作用是把水相料液中的绝大部分A和少部分B萃入有机相得到负载有机相；洗涤段的作用是通过洗涤液与有机相多级接触，把负载有机相中B的绝大部分洗入水相由于有机相和水相比重不同且互不混溶，借助于萃取槽独特的结构设计和多级混合室内搅拌电机M的作用，使得有机相和水相逐级充分接触，溢流后进入澄清室澄清分离经过有机相和水相的逆向流动(水相从右向左，有机相从左向右)，以及萃取段和洗涤段各级的交换和纯化，使得水相中难萃组分B纯度逐级提高，最后达到工艺指标要求，由萃取段水相产品出口输出而稀土中易萃组分A被有机相带走，在反萃段经洗涤液作用从有机相中分离出来，由洗涤段有机相产品出口输出为保证产品纯度，生产过程中需要对萃取生产线水相出口中产品浓度和控制级稀土浓度进行化验，并在萃取生产线上选取灵敏度高、响应快、最能反应萃取过程信息的级点作为检测点，进行组分纯度化验。
操作者根据浓度化验值和组分纯度化验值来调整流量设定值，以保证生产目标所规定的产品纯度和料液处理量更多的控制上的问题，也会出现控制上的新的难点稀土串级萃取分离技术的发展，一方面由于生产规模极大，要求实现生产过程的自动化控制面很大；另一方面由于其参数较多，控制过程极为复杂，故控制难度很大这些综合起来形成了我国稀土工业发展的极大障碍为此，国家科技部批准立项对稀土萃取分离过程分析与闭环控制产业化技术进行攻关，要求开发具有自主产权的稀土分离关键自动化技术及设备，并应用研究成果在示范基地建立稀土萃取分离自动化生产线，逐步在各稀土生产厂家推广应用，促进我国稀土工业跨越式发展发明内容本发明是上述攻关项目中的“开展高纯度稀土生产新设备和自控技术及稀土萃取分离过程监控系统和自动控制研究”的主要内容之一，其目的是提供一种稀土串级萃取分离智能控制系统本发明设计了两套相互配合的控制方案，其中之一是负责生产过程正常回路闭环控制，另一个是用优化模型作依据监督生产过程进行的智能优化控制，两者配合确保稀土串级萃取分离生产的高效率、稳定的适行，产品质量符合标准本发明所提供的稀土串级萃取分离智能控制系统，它包含有操作站和由至少一个变频器、至少一台计量泵、至少一个流量计、至少一台液位计以及至少一台搅拌电机等部件组成的现场执行系统，其特征在于(1)另安有模型站。
操作站和模型站以符合对象连接和嵌入过程控制标准的(OPC)通讯模块连接2)操作站和模型站及可编程序逻辑控制器(以下简称PLC)通过工业以太网和专用于分散设备间的高速数据传输的现场总线(简称Profibus-DP总线)网络同现场执行系统进行通讯连接本发明还提供了一种用于实施稀土串级萃取分离智能控制系统的方法，其特征在于(1)模型站将根据经验所得出的优化参数同现场实测参数之间的偏差值反馈到操作站，作为操作站下达指令的依据；(2)操作站和模型站分别采用控制软件和优化软件执行程序操作站所采用的控制软件由主程序模块、液位检测模块、设备逻辑启停模块、设备运行故障诊断模块、流量值检测模块、流量回路控制模块、计量泵频率设定模块和通讯模块组成，其主程序执行流程如下(1)开始，首先调用液位和流量值检测模块，将现场传感器采集的模拟信号转换成实际液位值或流量值；(2)判断断电重启标志位，若为重启标志则初始化PLC与变频器之间的通讯模块建立连接，同时清除掉重启标志位；(3)判断电机启停状态，调用设备逻辑启动模块；(4)判断流量(反馈)值是否读取完毕，若尚未读完，则提前结束程序，回到程序开关重新循环执行；(5)若流量值已读取完毕则调用流量回路控制模块，直到程序结束，返回程序起始重新执行。
上述所说的流量回路控制模块，系由流量故障预报子模块、流量智能控制子模块和延时模块组成，它有流量设定和频率设定两种控制方式，其控制程序执行流程如下(1)直接输入流量设定值，判断流量设定值是否发生了变化，若发生了变化则调用延时模块，若届时流量值不再变化，则直接跳到流量智能控制模块返回程序初始重新执行；(2)若延时过程中流量值仍在变化，则调用流量故障预极子模块并判断是否有故障，若无无故障则调用流量智能控制子模块，返回程序初始重新执行；(3)若有故障，再次调用延时模块，延时过程中，故障消除(无故障)，则调用流量智能控制子模块，返回程序初始重新执行；若延时后仍有故障则调用设备逻辑启停控制模块停泵并结束程序模型站所采用的优化软件由流量优化计算模块和软测量模块组成，输出信号连接到流量回路控制模块输入端，其程序的执行流程如下(1)首先根据产量、产品纯度指标、产品回收率要求及工况参数等，调用流量优化计算模块，对流量初次设定，将设定的流量信号输入到流量控制回路中；(2)定期调用软测量模块对重要级点处的元素组分情况进行分析，确定其是否在规定的范围值内；(3)若无偏差，说明流量设定合理，否则以该偏差值作为流量控制回路控制模块的输入信号。
为了更好实施本发明的稀土串级萃取分离智能控制系统确保不会发生故障，而一旦发生故障也能及时地为操作人员发现，迅速、有效地得到处治本发明还另安有一套多媒体监控系统，它采用监控软件控制，由图像处理、摄像镜头控制、远程图像传输三个部分组成，并由微机室监控，实时地显示现场执行系统(萃取车间)的工作画面，包括参数设定和记录；自动或手动控制；运行状态和故障报警，监控软件的程序的执行流程如下(1)监控系统启动；(2)启动生产控制系统；(3)启动生产工艺参数界面；(4)启动萃取车间显示界面；(5)依次调取参数设定、参数记录、自动控制、手动控制、运行状态和故障报警界面其中参数设定主要有频率设定；流量设定和频流比设定，参数记录包括频率值记录、流量值记录、流量累加值记录、流量设定值记录和流量故障报警记录故障报警则包括电机故障报警、计量泵故障报警和流量故障报警多媒体监控系统使操作人员可在微机室内实时地监视萃取槽分相、生产线设备运行等情况，从而及时发现并排除故障，减少操作人员的工作强度、提高效率为生产线稳定运行提供了极为有效的保障本发明的稀土串级萃取分离智能控制系统具有如下优点(1)本系统经济、实用、安全并且可靠；(2)本系统具有良好的适应性和开放性；(3)由于系统采用分布式结构，具有良好的通讯能力；(4)本系统具有良好的人机界面和良好的后备能力；(5)本系统具有良好的故障诊断功能和报警记录功能；(6)系统还具有良好的网络结构。
图1是稀土萃取分离过程的工艺流程图；图2为萃取槽内流体流向示意图；图3为本发明的硬件结构图，其中1-操作站；2-模型机；3-PLC；4以太网；5-Profibus-DP总线；6-变频器；7-泵；8-流量计；9-液位计；10搅拌电机；图4为控制软件程序结构图；图5为控制软件的主程序模块程序执行流程图；图6为流量回路控制模块程序执行流程图；图7为流量控制系统硬件结构图；图8为流量回路控制结构图；图9为优化软件模型原理框图；图10为本发明的带多媒体监控系统的硬件结构图，其中1-操作站；2-模型机；3-PLC；4以太网；5-Profibus-DP总线；6-变频器；7-泵；8-流量计；9-液位计；10搅拌电机；11-多媒体监控系统；图11为监控软件结构图；图12为流量记录曲线图(a未用本系统前；b应用本系统后)；图13为流量实时控制效果图；图14镧产品纯度曲线记录图具体实施例方式下面结合具体的实施例对本发明的内容作好了充分的技术保密的前提在稀土生产工厂的车间里得到了实际应用并取得了显著的效果实施例1在萃取分离提取钇的生产线上实施该生产线上共有54级串级萃取槽，12组共68台搅拌电机，5个流量计，5台计量泵和5台变频器等，这些构成了现场执行系统。
本发明设计了操作站和模型站，两者用以符合对象连接和嵌入过程控制标准的(以下简称OPC)通讯模块连接，并由1台可编程序逻辑控制器(以下简称PLC)通过工业以太网和专用于分散设备间的高速数据传输的现场总线网络同现场执行系统各部件相连接操作站和模型站都设置在萃取生产车间的集中控制室内操作站的计算机将PLC控制器通过Profibus-DP传来的流量检测值经OPC通讯模块传送给模型站计算机；而将从模型机接收到流量优化结果下达给PLC控制器如图3所示PLC控制器对流量闭环控制，通过变频调速电机实现对回路流量的动态调整，使其稳定在设定值上先将主程序模块(包括流量回路控制程序模块)和液位检测模块、设备逻辑启停控制模块、设备运行故障诊断模块、流量值检测模块、计量泵频率设定模块和通讯模块等软件组装进操作站的控制计算机中，并且把程序再综合起来依次一一调整好再将软测量模型和流量优化设定模块等软件组装入模型站的计算机中，调整程序，使得其与操作站的计算机建立OPC通讯连接，实现对流量回路控制模块中的流量变量进行正常读写操作，操作站计算机的软件结构如图4所示调整模型站的计算机，安装并运行软测量软件，其主模块的程序流程如下(1)初始化算法模块；(2)创建组分含量软测量模型；(3)读取输入数据；(4)启动时钟；(5)监测点组分含量软测量；(6)储存数据至数据库文件；(7)关闭数据库文件；(8)结束一次软测量。
其算法模块中的各种模块，包括(1)数据采集模块；(2)数据处理模块；(3)模型参数辨识模块；(4)软测量计算模块；(5)参数校正模型；(6)数据判别模块；(7)异常工况处理模块；(8)运行支援模块模型站计算机的流量优化设定模块软件使用基于案例推理和专家知识的流量优化设定方案，其与同操作站的计算机协同运行，并与软测量模型组合起来使用用本发明的系统实施对钇的串级分离萃取智能控制，先由模型站用软测量模型求得历史数据的聚类中心并确定其模型参数，见表1表1聚类中心及模型参数(δa取值4.2)将聚类中心及模型参数代入软测量模型，计算得到监测点处钇的元素组分百分含量的预测值调用流量优化设定计算模块得出萃取槽的有机(萃取液)流量、氨水流量、料液流量和酸液流量的优化设定值，并以此作为基本流量回路的设定值，并将此设定值通过OPC传送给操作站计算机，然后操作站算机将设定值下载到PLC控制器中，PLC主程序执行流程如图5所示，即(1)开始，首先调用液位和流量值检测模块，将现场传感器采集的模拟信号转换成实际液位值或流量值；(2)判断断电重启标志位，若为重启标志则初始化PLC与变频器之间的通讯模块建立连接，同时清除掉重启标志位。