混合澄清槽鈾萃取控制系統(tǒng)

李景瑩

中國(guó)電子科技集團(tuán)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(guó)電子科技集團(tuán)公司第八研究所

李景瑩，女，漢族，皖淮南人，單位名稱：中國(guó)電子科技集團(tuán)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(jì)工作。

介紹了利用混合澄清槽的方法對(duì)鈾進(jìn)行萃取分離，簡(jiǎn)述了鈾萃取過程的總體方案，分析了系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)以及硬件、軟件的設(shè)計(jì)。本文針對(duì)鈾提取工程的工藝，設(shè)計(jì)出了一套完整的澄清槽法鈾萃取控制系統(tǒng)，從目前運(yùn)行效果證明該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)有機(jī)相和水相的進(jìn)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(jī)相和水相進(jìn)行全逆流混合，通過串級(jí)萃取分離工藝，設(shè)計(jì)了16級(jí)萃取澄清槽、8級(jí)反萃取澄清槽，鈾的萃取效率可以達(dá)到95%以上。在混合澄清槽中，每一級(jí)都需通過控制恒流泵的流量和攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速使有機(jī)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(jì)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(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)視下位機(jī)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況。質(zhì)量流量計(jì)測(cè)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(hào)進(jìn)行反饋，達(dá)到精確控制平流泵流量。通過PLC與上位機(jī)通訊，進(jìn)行指令接收與發(fā)送，采用PID調(diào)節(jié)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。根據(jù)組態(tài)王設(shè)定的轉(zhuǎn)速值和電機(jī)反饋的電機(jī)轉(zhuǎn)速信號(hào)，即將給定轉(zhuǎn)速與電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較，產(chǎn)生的差值經(jīng)過PID算法，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)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(jī)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(gè)部件，并將各個(gè)部件的反饋數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)上傳給工業(yè)控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，其中串口服務(wù)器提供多達(dá)8個(gè)RS-232/422/485串口，滿足本系統(tǒng)通訊要求、易于擴(kuò)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(bào)表的功能模板?？傮w控制方案如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)原理圖

硬件設(shè)計(jì)

PLC控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(jì)的信號(hào)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(jī)組態(tài)軟件設(shè)置給定流量值，由PLC對(duì)流量值進(jìn)行信號(hào)采集，下位機(jī)恒流泵則根據(jù)上位機(jī)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(jì)則選用BRONKHORST LIQUI-FLOW L23I數(shù)字式質(zhì)量流量計(jì)。攪拌電機(jī)選擇了帶有編碼器的FAULHABER 2224SR系列024SR直流微電機(jī)。

直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)

直流電機(jī)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(diǎn)。選用STC12C5410AD單片機(jī)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(diǎn)，STC12C5410AD單片機(jī)帶有4個(gè)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(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)的硬件電路主要由單片機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成。電機(jī)控制器的電路板如圖2所示。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

圖2　電機(jī)控制器的電路板

PLC控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在混合澄清槽系統(tǒng)中，通過比較上位機(jī)給定流量值與實(shí)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(lái)控制恒流泵流量，達(dá)到精確比例混合澄清槽液體，如圖3所示。

電機(jī)控制設(shè)備軟件設(shè)計(jì)

在混合澄清槽內(nèi)，通過直流電機(jī)對(duì)混合液體進(jìn)行攪拌，采用PWM脈寬調(diào)制來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。外圍光電編碼器通過通訊控制器將速度信號(hào)反饋給電機(jī)及通訊控制器，電機(jī)及通訊控制器實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速PID調(diào)節(jié)，并接收、執(zhí)行上位機(jī)的控制指令，如圖4所示。

電機(jī)控制設(shè)備與上位機(jī)的通信設(shè)計(jì)

3 PLC控制系統(tǒng)圖

圖4　電機(jī)控制流程圖

圖5　組態(tài)王主界面

在組態(tài)系統(tǒng)上進(jìn)行二次開發(fā)，來(lái)滿足系統(tǒng)控制要求。變量點(diǎn)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(bào)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(shí)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(duì)歸檔數(shù)據(jù)訪問。

在該控制系統(tǒng)中，上位機(jī)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(jī)恒流泵、直流電機(jī)等現(xiàn)場(chǎng)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(jìn)出料情況等，還可以顯示恒流泵的壓力值，流量計(jì)流量，電機(jī)的轉(zhuǎn)速以及系統(tǒng)運(yùn)行情況。另外，還具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、日?qǐng)?bào)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(yǔ)

鈾提取過程對(duì)攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速要求很高，所以必須精確地對(duì)攪拌電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行精確地控制，保證電機(jī)控制系統(tǒng)可以達(dá)到無(wú)靜差、無(wú)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(jī)轉(zhuǎn)速，對(duì)啟動(dòng)、停止、過載電流保持在最大允許值上，保證最短調(diào)節(jié)時(shí)間。當(dāng)轉(zhuǎn)速在給定值范圍波動(dòng)時(shí)，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(jī)界面，形象地展現(xiàn)了模擬現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)時(shí)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