[發(fā)明專利]濕法冶金萃取過程組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200910010295.X
• 申請日: 2009-02-03
• 公開（公告）號: CN101813932A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 常玉清;王福利;尤富強(qiáng);賈潤達(dá);趙露平;董偉威
• 申請（專利權(quán)）人: 東北大學(xué)
• 主分類號: G05B19/418
• 分類號: G05B19/418;C22B3/22;G05B13/04
• 代理公司: 沈陽利泰專利商標(biāo)代理有限公司 21209
• 代理人: 劉忠達(dá)

1.濕法冶金萃取過程組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作方法，是采用已知的多級萃 取槽的濕法冶金萃取工藝，其特征在于：通過對濕法冶金萃取過程的混合建模， 實現(xiàn)萃余液組分含量的實時預(yù)測，并對萃取過程提供在線優(yōu)化操作指導(dǎo)，包括 數(shù)據(jù)采集、輔助變量的選擇以及標(biāo)準(zhǔn)化處理、混合模型的建立、混合模型的校 正和優(yōu)化操作指導(dǎo)的確定步驟；

1)過程數(shù)據(jù)采集

硬件裝置包括萃取過程組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作系統(tǒng)、上位機(jī)、PLC、現(xiàn)場 傳感變送部分，其中現(xiàn)場傳感變送部分包括pH值、溫度和流量檢測儀表，在萃 取過程現(xiàn)場安裝檢測儀表，檢測儀表將采集的信號通過Profibus-DP總線送到 PLC，PLC將采集的信號實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換，并通過以太網(wǎng)定時將采集信號傳送到 上位機(jī)，上位機(jī)把接受的本地PLC數(shù)據(jù)傳到萃取過程組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作 系統(tǒng)，進(jìn)行萃余液組分含量的實時預(yù)測，并提供在線優(yōu)化操作指導(dǎo)；

2)輔助變量的選擇以及標(biāo)準(zhǔn)化處理

所選擇的輔助變量包括：

①料液中被萃組分的濃度x₁；

②料液的流量X₂；

③洗液的流量X₃；

④有機(jī)相的流量X₄

⑤萃余液的pH值X₅；

⑥料液的溫度X₆；

首先將采集到的傳感器測量數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理：

x~j(i)=xj(i)-xj(min)xj(max)-xj(min)]]>

式中-第i個數(shù)據(jù)樣本，第j個傳感器測量值的標(biāo)準(zhǔn)化值；

x_j(i)-第i個數(shù)據(jù)樣本，第j個傳感器測量值；

-第j個傳感器測量值的最小值；

-第j個傳感器測量值的最大值；

3)建立混合模型

采用并行混合模型的結(jié)構(gòu)，采用基于非線性PLS的并行混合模型結(jié)構(gòu)對機(jī) 理模型中的未建模動態(tài)進(jìn)行補(bǔ)償；

采用的機(jī)理模型由m+n級混合清澄器組成，其中m級用于萃取、n級用于洗 滌；通常，由于反萃、反鐵效率較高，經(jīng)過反萃段后的新鮮有機(jī)相中各金屬離 子的濃度可視為0，因此為簡化機(jī)理模型結(jié)構(gòu)，僅考慮對萃取段以及洗滌段進(jìn)行 建模，

依據(jù)物料衡算關(guān)系，對于萃取段第i級，i＝1，2，...，m-1，存在如下物料衡算關(guān) 系：

Vy‾i-1+(L+L′)x‾i+1=Vy‾i+(L+L′)x‾i]]>

而對于萃取段第m級即進(jìn)料級i＝m，存在如下物料衡算關(guān)系：

Vy‾m-1+Lx‾0+L′x‾m+1=Vy‾m+(L+L′)x‾m]]>

對于洗滌段第j級，j＝m+1，...，n-1，存在如下物料衡算關(guān)系：

Vy‾j-1+L′x‾j+1=Vy‾j+L′x‾j]]>

而對于洗滌段第n級，即j＝n，存在如下物料衡算關(guān)系：

Vy‾n-1+L′x‾0′=Vy‾n+L′x‾n]]>

式中?V-有機(jī)相流量；

L-料液流量；

L′-洗液流量；

-從第i級混合澄清器流出有機(jī)相中被萃組分的濃度；

-從第i級混合澄清器流出有機(jī)相中被萃組分的濃度；

-從第j級混合澄清器流出有機(jī)相中被萃組分的濃度；

-從第j級混合澄清器流出有機(jī)相中被萃組分的濃度；

-新鮮有機(jī)相中被萃組分的濃度；

-料液中被萃組分的濃度；

-洗液中被萃組分的濃度；

上述m+n個物料衡算關(guān)系組成了一個具有2(m+n)個未知數(shù)的方程組，為了 求解上述方程組，還需要引入萃取平衡關(guān)系方程：

y‾i=f(x‾i)]]>

為了建立理想情況下平衡時有機(jī)相中金屬離子的濃度與水相金屬離子濃度 之間的未知函數(shù)關(guān)系f(·)，需要進(jìn)行離線萃取平衡實驗以獲取用于辨識的樣本數(shù) 據(jù)；首先取出少量新鮮的有機(jī)相用于萃取平衡實驗，分別配制具有不同金屬離 子濃度的水相，用分液漏斗進(jìn)行萃取平衡實驗，有機(jī)相和水相按一定的相比加 入分液漏斗，振蕩混合、靜置分層，調(diào)節(jié)平衡后的水相pH值，分析水相金屬離 子濃度，記錄用于辨識的實驗數(shù)據(jù)；通過分析，可以將模型具體化為半經(jīng)驗?zāi)? 型：

y‾i=f(x‾i)=a1·x‾ia2+x‾i]]>

式中?a₁，a₂-待辨識參數(shù)；

從上述半經(jīng)驗?zāi)Ｐ偷奈锢硪饬x，可以判斷出a₁，a₂的值應(yīng)大于0；因為優(yōu)化計 算的結(jié)果往往不是惟一的，為了盡可能使計算結(jié)果符合實際情況，下面采用帶 約束的非線性優(yōu)化算法，可根據(jù)經(jīng)驗將a₁，a₂的值限制在一定的范圍之內(nèi)，對上 述半經(jīng)驗?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行反向優(yōu)化計算；具體步驟是：

①隨機(jī)產(chǎn)生一組大于0，小于a₁，a₂規(guī)定范圍的初始值；

②將a₁，a₂代入上式，計算的估計值

③將樣本值與估計誤差平方和

EMS=Σi=1n(y‾i-y‾^i)2]]>

作為優(yōu)化計算的目標(biāo)函數(shù)，判斷目標(biāo)函數(shù)是否符合要求，如滿足要求，則停止 計算，否則進(jìn)入下一步；

式中-為第i個樣本的觀測值；

-為第i個樣本的估計值；

n-為樣本的個數(shù)；

④用BFGS方法進(jìn)行帶約束條件的迭代計算，得到新的a₁，a₂；

⑤重復(fù)②～④步，直到目標(biāo)函數(shù)滿足要求；

采用RBF-PLS作為數(shù)據(jù)建模方法補(bǔ)償機(jī)理模型中的未建模動態(tài)，RBF-PLS 方法由RBF網(wǎng)絡(luò)與PLS算法結(jié)合而成，

優(yōu)化操作指導(dǎo)的確定

采用基于混合模型的系統(tǒng)為萃取過程提供在線優(yōu)化操作指導(dǎo)，通過現(xiàn)場與 操作者的交流，得到一系列操作經(jīng)驗，并結(jié)合混合模型，通過迭代運算給出各 操作變量的指導(dǎo)，其具體算法步驟如下：

①設(shè)定萃余液中各被萃組分的濃度要求；

②讀取料液中各被萃組分的濃度以及料液的流量；

③根據(jù)操作者的經(jīng)驗，選擇一個合適的有機(jī)相流量，以及與之相應(yīng)的洗液 流量作為初始值；

④在上述操作條件下，利用混合模型預(yù)測萃余液中各被萃組分的濃度，判 斷是否達(dá)標(biāo)；若有一不達(dá)標(biāo)，返回③步重新選擇一個初始化有機(jī)相流量；若均 達(dá)標(biāo)進(jìn)入⑤步；

⑤將有機(jī)相流量在上述初始值的條件下減小ΔV，洗液流量同時進(jìn)行相應(yīng)調(diào) 整，重新調(diào)用混合模型，對萃余液中各被萃組分的濃度進(jìn)行預(yù)測，判斷是否達(dá) 標(biāo)；若有一不達(dá)標(biāo)，則停止計算，前次求得的有價相流量與洗液流量為當(dāng)前時 刻的優(yōu)化操作指導(dǎo)；若均達(dá)標(biāo)，則⑤步重復(fù)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕法冶金萃取過程組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作方法， 是在銅萃除雜生產(chǎn)線上實施，其特征在于：

生產(chǎn)線上銅萃取共有5級串級萃取槽，2級用于萃取，1級用于洗滌，2級 用于反萃，共5臺攪拌電機(jī)，4個流量計，4臺泵，4臺變頻器，1個pH計，1 個溫度計組成；萃取過程檢測系統(tǒng)主要由流量檢測儀、pH值檢測儀、溫度檢測 儀構(gòu)成；

PLC控制器采用Simens?300系列的CPU?315-2DP，具有Profibus-DP口連 接分布式IO；為PLC配備以太網(wǎng)通訊模塊，用于上位機(jī)訪問PLC數(shù)據(jù)；PLC 控制器和以太網(wǎng)通訊模塊放置在中央控制室中的PLC柜中；

萃取過程的pH值是通過Cole-parmer公司生產(chǎn)的玻璃電極進(jìn)行pH值在線 檢測，將溶液pH值的變化轉(zhuǎn)化為mV信號的變化；玻璃電極PH測量系統(tǒng)將一 支對于pH敏感的玻璃膜的玻璃管端部吹成泡狀，管內(nèi)充填有含飽和AgCl的 3mol/l?KCL緩沖溶液，pH值為7；存在于玻璃膜二面的反映PH值的電位差用 Ag/AgCl傳導(dǎo)系統(tǒng)，導(dǎo)出電位差，然后用mA采集儀器將mA數(shù)換算成pH值顯 示出來；

采用Cole-parmer公司生產(chǎn)的pH200型酸度控制器進(jìn)行pH值的就地顯示以 及檢測信號的變送；pH200型酸度控制器利用pH電極對被測溶液中氫離子濃度 產(chǎn)生不同的直流電位，通過前置放大器輸入到A/D轉(zhuǎn)換器，以達(dá)到pH測量的 目的，然后由數(shù)字顯示pH值，同時把pH值轉(zhuǎn)換成電流信號輸出；

萃取過程料液的溫度是通過SOLUTION公司生產(chǎn)的鉑電阻溫度計來進(jìn)行檢 測的，鉑電阻溫度計是利用電氣參數(shù)隨溫度變化的特性來檢測溫度的；

由于有機(jī)相不導(dǎo)電，因此對于流量檢測采用不同的流量傳感器：

①水相流量檢測：料液、酸液、堿液都導(dǎo)電且具有腐蝕性，選用KROHNE 公司生產(chǎn)的具有聚四氟乙烯內(nèi)襯的電磁流量計進(jìn)行檢測；電磁流量計為無阻力 件檢測；電磁流量計配備的就地顯示儀表可以實現(xiàn)流量計就地顯示、流量信號 變送和流量累計功能；電磁流量計輸出的信號為標(biāo)準(zhǔn)的電流信號；

②有機(jī)相流量檢測：萃取段有機(jī)相不導(dǎo)電不能采用電磁流量計，流量的檢 測選用ELETTA公司生產(chǎn)的差壓流量計，差壓流量計的輸出的信號為標(biāo)準(zhǔn)的電 流信號；

上位機(jī)選用Core?2?DELL計算機(jī)，采用WINDOW?XP操作系統(tǒng)；

組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作系統(tǒng)運行在Core?2?DELL計算機(jī)上，采用C#?2005 編程軟件，混合模型算法采用Matlab?2007a編程軟件；

PLC與組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作系統(tǒng)的信號傳送軟件是采用C#?2005編程 軟件；

在萃取過程現(xiàn)場安裝檢測儀表，檢測儀表將采集的信號通過Profibus-DP傳 送到PLC中，PLC定時將采集信號通過以太網(wǎng)傳送給上位機(jī)，上位機(jī)把接受的 數(shù)據(jù)傳給組分含量預(yù)測與優(yōu)化操作系統(tǒng)進(jìn)行組分濃度在線實時預(yù)測，并提供在 線的優(yōu)化操作指導(dǎo)；

第一步、機(jī)理模型參數(shù)辨識：依據(jù)萃取平衡實驗確定機(jī)理模中的萃取平衡 關(guān)系：

①配置具有不同濃度被萃組分的水相，并記錄水相的體積；

②取一定體積的新鮮有機(jī)相，將水相與有機(jī)相按一定的相比在分液漏斗內(nèi) 混合，攪拌均勻，靜置分層；

③取出水相，化驗水相中被萃組分的濃度；

④用差減法計算有機(jī)相中被萃組分的濃度，重復(fù)上述步驟，并記錄實驗數(shù) 據(jù)；

⑤利用BFGS算法辨識萃取平衡關(guān)系中的未知參數(shù)；

第二步、收集數(shù)據(jù)：收集與離線化驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的傳感器測量數(shù)據(jù)，并記錄 離線化驗數(shù)據(jù)值y_lab(1)，...，y_lab(n)；

第三步、機(jī)理模型預(yù)測：利用機(jī)理模型對萃余液的被萃組分含量進(jìn)行預(yù)測， 并記錄與離線化驗數(shù)據(jù)對應(yīng)的預(yù)測結(jié)果y_mod(1)，...，y_mod(n)；

第四步、將預(yù)測結(jié)果與離線化驗值進(jìn)行比較，并計算預(yù)測值與真實值之間 的誤差值d(1)，...，d(n)，其中

d(i)＝y(tǒng)_lab(i)-y_mod(i)，i＝1，...，n

第五步、數(shù)據(jù)模型建立：將上述誤差值與其對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化后的檢測值，組 或輸入輸出數(shù)據(jù)對，利用RBF-PLS方法進(jìn)行訓(xùn)練，得到數(shù)據(jù)模型中的參數(shù)；

第六步、混合模型的預(yù)測：將所建立機(jī)理模型與數(shù)據(jù)模型的結(jié)構(gòu)組成并行 混合模型，利用混合模型對萃余液組分含量進(jìn)行實時預(yù)測；

第七步、混合模型的校正：利用校正算法對混合模型的預(yù)測值根據(jù)每天的 離線化驗值進(jìn)行在線校正，并輸出校正后的預(yù)測值；

第八步、優(yōu)化操作指導(dǎo)：利用優(yōu)化算法，根據(jù)操作變量值，提供在線的優(yōu) 化操作指導(dǎo)；

系統(tǒng)界面包括：A讀取各萃取工段離線化驗數(shù)據(jù)和實時顯示預(yù)測數(shù)據(jù)的主 界面；B提供在線優(yōu)化操作指導(dǎo)界面；C讀取模型中重要參數(shù)的界面；D實時顯 示預(yù)測數(shù)據(jù)并提供在線優(yōu)化操作指導(dǎo)的工藝流程界面。