锌液净化过程优化控制系统软件开发

　　锌液净化除钴过程反应机理复杂、工艺流程长，锌粉和砷盐的添加凭人工经验设定，造成锌粉的大量浪费，甚至导致净化后液中钴离子浓度超标。为此，从现场实际出发，深入研究净化过程的工艺机理，提出净过程优化操作系统的设计方案，软件开发优化操作指导软件，确保出口杂质离子浓度达标，并降低了锌粉添加量。

　　1引言

　　湿法炼锌是世界上主流的锌冶炼工艺。湿法炼锌工艺流程中，电解液中杂质离子浓度超标将会显著降低电解的电流效率与电锌质量、增大电能消耗，因此，净化除杂是锌电解前极为重要的工序。硫酸锌溶液净化过程主要由除铜、除钴和除镉三个工序组成。除钴过程是在温度为75℃以及有铜离子存在的条件下进行的。当锌液中加入三氧化二砷、锌粉及返回的底流晶种后，由于Cu-Zn微电池电位差大于CoZn微电池因而使钴易于在CuZn微电池阴极上放电还原，在溶液中形成稳定的AsCuCo(Zn)合金，从而使溶液中的Co2+以合金形式在溶液中沉淀分离出来。由于钴离子浓度无法实现在线检测，反应条件的控制和反应剂的添加通常按照人工经验进行，由于人工经验的主观性和不精确性，造成了锌粉过量添加以及除钴过程的波动。

　　国内某铅锌冶炼集团的湿法炼锌过程采用芬兰奥托昆普公司的锌液净化除钴系统，它能实现硫酸锌溶液中钴离子的深度净化。砷盐除钴过程由4个反应器串联而成。在高温条件下，1#反应器入口将添加砷盐和底流，1#～3#反应器入口则添加废酸，4个反应器中都添加锌粉。锌粉及砷盐与溶液中的钴离子及除铜工序残留的铜离子发生复杂的氧化还原反应，生成钴砷、铜钴金属化合物，逐渐去除硫酸锌溶液中的钴离子。钴砷、铜钴等金属化合物在浓密机中沉淀，作为晶种从浓密机底流返回到1#反应器，而净化后的锌液则通过浓密机溢流送往后续的除镉工段，达到净化锌液的目的。

　　然而，由于国内的矿源波动较大，锌液净化除钴系统不能较好的适用于现场的操作，导致目前锌粉、砷盐及晶种的添加由操作工人任经验设定。为了保证出口杂质离子浓度达标，现场操作人员往往过量添加锌粉，从而造成了除钴过程的不稳定和锌粉的浪费。

　　2系统需求分析

　　锌液净化除钴系统的最终目的是在保证出口杂质离子浓度达标的情况下，尽量减少锌粉添加量。因此，锌粉添加量的优化是我们这个系统至关重要的环节。

　　为了给杂质钴离子的除去创造更好的反应环境，砷盐、废酸以及底流返回量的优化添加也非常必要。这是因为砷盐在除钴过程中起稳定剂和活化剂的作用。若砷盐添加不够，除钴效果不好;若砷盐添加过量，则会导致锌粉消耗增加和增大剧毒砷化氢气体生成的可能，且除钴效果也将变差。 若反应器中废酸添加量不够，生成的碱式硫酸盐和不可溶硅胶将会阻碍除钴的进行，且会造成压滤困难;若废酸添加量过多，PH过低，锌粉会直接和酸反应生成氢气，浪费锌粉，且析氢和钴离子还原是竞争还原关系，会抑制除钴的反应。

　　另外，底流含固中的合金能促进除钴的反应，底流含固中未反应完的锌粉单质能降低锌粉消耗。然而当底流返回量过少时则会对除钴反应有促进作用的合金过少，导致除钴效果变差，增加了锌粉的消耗。底流返回量过多，则会使得除铜后液的停留时间缩短，从而导致反应器溶液粘稠度增加，影响钴离子的扩散，底流中的硅胶会促使可溶硅向硅胶转变，影响除钴和压滤。

　　综上所述，优化操作系统需要提供对锌粉、砷盐、废酸和底流返回量的添加进行优化操作指导。另外，综合考虑锌液净化除钴优化操作系统的工业应用需求，所开发的系统应该具备以下基本功能[3]：

　　1)优化控制砷盐，废酸，底流返回量以及锌粉添加量。

　　2)除钴过程相关关键参数的实时显示以及相关报警提示功能。

　　3)除钴过程相关关键参数的历史数据查询及其趋势图的绘制。

　　4)除钴过程相关关键参数的存储管理。

　　5)专家知识库管理。添加、修改或删除集成在系统中的专家知识。

　　6)用户管理功能，实现系统的安全运行。

　　3系统的总体设计

　　锌液净化除钴优化操作系统软件总体结构如图2所示，系统软件的主要工作流程如下：

　　1) 用户通过账户名和密码登录该系统后，在数据输入界面输入相应的化验值，并存储到参数存储数据库中。

　　2) 同时，系统启动后，在后台开辟一个OPC通讯线程来实时读取现场相关参数，并通过过程参数监控界面显示相关参数的值，并将读取的数据存储到参数存储数据库中。

　　3) 根据OPC通讯读取的现场相关参数及专家知识库中的报警信息，判断此时各个状态参数是否正常。若有不正常的数据，则弹出报警信息，并将报警信息的出现时间、故障位置、发生故障后是否采取措施等信息记录到参数存储数据库。

　　4) 根据参数存储数据库中输入的化验数据和OPC读取的实时参数，利用后台开辟的另一个优化线程实现该系统的优化计算，并将优化结果在屏幕上显示。

　　5) 数据查询界面可以分析参数存储库中存储的历史数据，并绘制成曲线。

　　6) 专家知识库更新界面收集操作人员输入的专家规则，写入专家知识库。4系统的详细设计

　　根据上述软件总体结构的设计，按照模块化程序设计思想，优化操作系统的主要功能如图3所示，包括数据采集模块、数据查询模块、优化控制模块、状态监测模块、用户管理模块及知识库更新模块，详细设计如下：

　　4.1数据的采集模块

　　优化操作系统采用标准Microsoft SQL Server 2000 数据库进行生产数据的存储，通过OPC客户端软件的编写，现场数据被实时采集并保存到存储数据库相关的表格中。通过OPC客户端软件，用户可以得到的实时数据主要包括废酸的添加量、砷盐的流量、底流的返回量、除铜后液的流量、各个反应器的锌粉添加量、电机的工作状态等信息。另外，在人工化验数据输入界面，相关钴离子浓度、除铜溢流铜离子、废酸浓度、相应BT值以及含固量等在输入后也存入相应数据库的表格中。

　　4.2数据查询模块

　　数据查询模块通过对存储数据库中相关表格的读取，提供了锌液净化除钴过程中相关参数的历史查询和实时跟踪功能。

　　在优化操作系统运行过程中，可通过监控画面中的曲线跟踪功能，得到最近一小时内一些重要参数的变化趋势。而且，可以通过数据查询与曲线查询功能，得到某段时间的重要生产数据及其变化趋势。

　　4.3优化控制模块

　　该模块是本系统的核心。根据系统的需求分析可知，需要优化的参数包括废酸的流量、底流返回流量、砷盐添加以及各个反应器锌粉添加量等。其中砷盐主要用于与杂质铜、钴离子进行反应。又由于溶液中需要一定浓度的铜离子，因此，根据入口铜离子浓度，钴离子浓度，砷盐浓度，我们利用上述离子与砷盐的反应公式和工艺要求来设定砷盐的添加。

　　废酸添加的主要目的是：酸化强碱性的砷盐溶液;降低底流返回液的BT值;添加锌粉除杂造成局部BT值上升等。由于废酸浓度和底流的BT值会发生变化，为此，需利用反应器化验后的BT值及知识库中关于废酸调整的专家规则调整废酸的添加量[4]。

　　反应器中的含固量是影响除钴过程的重要因素。理论上，反应器中的含固量取决于反应过程生成的合金量、锌粉添加量及返回底流中的含固量。由于反应过程生成的合金含量非常小，因此，实际生产中，主要是根据浓密机返回底流的含固量来调整底流返回流量，以实现反应器中的含固量。

　　对于锌液净化除钴过程来说，锌粉添加量的优化至关重要，也最为复杂。本系统根据选取的优化案例库，采用最小二乘法来辨识得到各个反应器锌粉的利用率;再根据目前各个反应器模型中相应的实际值来优化除钴率;最后，根据除钴率与锌粉添加量之间的关系，优化添加各个反应器中锌粉的添加量。

　　4.4状态监测模块

　　该模块包括过程参数的在线监视以及报警信息的设置与提示。过程参数的在线监视可以让现场操作人员很方便的从界面上看到相关关键参数的实时值，而报警信息功能的加入，可提醒现场操作人员相关反应状态值是否超过正常范围，从而在发生意外情况能及时的做出正确反应。

　　4.5用户管理模块

　　本系统对生产安全有着较高的要求。因此，工业控制计算机中数据的安全性及对过程操作的用户分派就显得尤为重要。针对这一需求，我们在优化操作系统中指定可操作的用户，并对用户分配相应的权限，每个权限对应相关的操作。通过对用户访问权限的设置可以有效防止非操作员对系统的访问以及操作员跨权的误操作，从而确保系统的安全运行。

　　4.6知识库更新模块

　　该模块包含专家知识库和优化案例库。其中专家知识库包含了报警信息的设置、更新和废酸调节的专家规则更新，优化案例库的更新则实现了系统模型的更新。

　　5结论

　　本文介绍了锌液净化除钴优化操作系统的需求分析和系统软件的设计过程。开发出的系统结合了机理模型和专家知识等，实现了锌液净化除钴过程的过程优化。优化操作系统实现了生产工艺过程监控、过程关键参数的优化设定、历史数据的查询以及故障报警。系统保证了锌液净化过程的高效作业，实现了整个生产过程的智能化，减轻了劳动强度，提高了工作效率。

　　作者：林天水　李勇刚　伍铁斌　孙备 来源：计算技术与自动化 2013年2期