混合澄清槽铀萃取控制系统

李景莹

中国电子科技集团公司第八研究所

混合澄清槽铀萃取控制系统

李景莹

中国电子科技集团公司第八研究所

李景莹，女，汉族，皖淮南人，单位名称：中国电子科技集团公司第八研究所，2012年毕业于安徽理工大学，硕士学位，助工，从事技术设计工作。

介绍了利用混合澄清槽的方法对铀进行萃取分离，简述了铀萃取过程的总体方案，分析了系统设计中的关键技术以及硬件、软件的设计。本文针对铀提取工程的工艺，设计出了一套完整的澄清槽法铀萃取控制系统，从目前运行效果证明该系统能够实现有机相和水相的进料、搅拌、澄清、分相等过程。

概述

根据传统的稀土萃取原理，将混合澄清槽中的有机相和水相进行全逆流混合，通过串级萃取分离工艺，设计了16级萃取澄清槽、8级反萃取澄清槽，铀的萃取效率可以达到95%以上。在混合澄清槽中，每一级都需通过控制恒流泵的流量和搅拌电机的转速使有机相和水相充分混合，接着将混合液流入澄清室，混合液在澄清室中产生密度差，乳状混合液澄清分相。

总体设计方案

本系统采用分布式控制网络，通过组态王上位机监控系统，实时监视下位机现场设备的运行状况。质量流量计测量平流泵的输出流量，保证其准确性。通过PLC闭环控制，将平流泵输出的流量信号进行反馈，达到精确控制平流泵流量。通过PLC与上位机通讯，进行指令接收与发送，采用PID调节，控制电机转速。根据组态王设定的转速值和电机反馈的电机转速信号，即将给定转速与电机实际转速进行比较，产生的差值经过PID算法，实现对电机转速的控制与调节。串口服务器用于将平流泵、搅拌电机等设备通过RS485/232通讯集成到控制系统中，下发至各个部件，并将各个部件的反馈数据通过以太网上传给工业控制计算机系统，其中串口服务器提供多达8个RS-232/422/485串口，满足本系统通讯要求、易于扩展。组态王监控软件提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。总体控制方案如图1所示。

图1　系统原理图

硬件设计

PLC控制系统硬件设计

包含一套西门子PLC控制系统及低压电器，用于质量流量计的信号采集和控制，并与平流泵组成流量闭环控制系统，提供高精度的流量控制。通过上位机组态软件设置给定流量值，由PLC对流量值进行信号采集，下位机恒流泵则根据上位机的给定流量调节泵液的速度，再根据闭环PID控制料液的流速。其中，平流泵为TBP1002型中压柱塞泵，质量流量计则选用BRONKHORST LIQUI-FLOW L23I数字式质量流量计。搅拌电机选择了带有编码器的FAULHABER 2224SR系列024SR直流微电机。

直流电机调速控制系统

直流电机调速系统采用数控方式，避免了模拟电路系统的繁琐、通用性差、器件温漂影响小的缺点。选用STC12C5410AD单片机作为主控制芯片，具有通用性、稳定性、软件易更新等优点，STC12C5410AD单片机带有4个PWM输出端口，具备集成看门狗，8路高速10位A/D转换器，串口（P3.0和P3.1）用于烧写程序端口，更改程序方便、可靠。

电机调速控制系统的硬件电路主要由单片机最小系统、电源、485通信模块、编码器光电隔离装置、直流电机驱动电路等组成。电机控制器的电路板如图2所示。

系统软件设计

图2　电机控制器的电路板

PLC控制系统软件设计

在混合澄清槽系统中，通过比较上位机给定流量值与实际流量反馈的流量值，产生偏差，再将偏差值送入到PLC中，在PLC内部通过PID算法，来控制恒流泵流量，达到精确比例混合澄清槽液体，如图3所示。

电机控制设备软件设计

在混合澄清槽内，通过直流电机对混合液体进行搅拌，采用PWM脉宽调制来控制电机的转速。外围光电编码器通过通讯控制器将速度信号反馈给电机及通讯控制器，电机及通讯控制器实现电机转速PID调节，并接收、执行上位机的控制指令，如图4所示。

电机控制设备与上位机的通信设计

3 PLC控制系统图

图4　电机控制流程图

图5　组态王主界面

在组态系统上进行二次开发，来满足系统控制要求。变量点数余量不小于10%，支持通过网络在线技术服务。监控软件提供了适用于工业的图形显示、消息、归档以及报表的功能模板。高性能的过程藕合、快速的画面更新、以及可靠的数据使其具有高度的实用性。除了这些系统功能外，系统监控软件还提供了开放的界面用于用户解决方案。可以通过ODBC和SQL方式对归档数据访问。

在该控制系统中，上位机采用组态王监控软件。设置通讯连接、变量定义，控制下位机恒流泵、直流电机等现场设备，用户可在监控软件上查询、设置所需参数值。监控界面设置了主监控画面，显示料液、流速、搅拌、1A槽和1C槽进出料情况等，还可以显示恒流泵的压力值，流量计流量，电机的转速以及系统运行情况。另外，还具备数据存储、日报表和历史数据查询等功能。监控画面如图5所示。

结束语

铀提取过程对搅拌电机的转速要求很高，所以必须精确地对搅拌电机的转速进行精确地控制，保证电机控制系统可以达到无静差、无超调、避免过流等。系统中采用了闭环直流调速，PID控制电机转速，对启动、停止、过载电流保持在最大允许值上，保证最短调节时间。当转速在给定值范围波动时，能够通过PID调控转速在允许的偏差范围内。组态王监控界面，为用户提供了很好的人机界面，形象地展现了模拟现场的实时情况。操作人员可以通过控制按钮设置所需参数，保证了操作人员安全性和工作环境。

10.3969/j.issn.1001-8972.2015.06.051