金濕法冶金過程運行狀態在線評價方法
【專利摘要】金濕法冶金過程運行狀態在線評價方法，包括浸出、洗滌、置換等工藝構成，其特征在于通過計算在線數據與各個性能等級過程特征的相似度，實時評價濕法冶金生產過程的運行狀態，并且在過程運行狀態不優時，自動識別其原因，為實際生產過程提供有價值的指導建議。算法包括離線建模數據的模態識別、評價模型的建立、過程操作模態的在線識別、過程運行狀態的在線評價、運行狀態非優原因追溯等步驟。本發明能夠提供實時的評價結果，避免人工評價的滯后問題，自動追溯非優原因，為操作工提供合理可靠的操作指導建議，以便及時對過程運行狀態進行適當調整，確保企業經濟效益和生產效率。
【專利說明】金濕法冶金過程運行狀態在線評價方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于金濕法冶金運行狀態評價領域，提供一種有效的過程運行狀態在線評 價方法。
【背景技術】
[0002] 隨著高品位礦石的逐漸減少，濕法冶金工業已經開始受到世界各國的高度重視。 與傳統的火法冶煉相比，濕法冶金技術具有高效、清潔、適用于低品位復雜金屬礦產資源回 收等優勢。特別是針對我國金礦品位低，復雜共生，雜質含量高的特點，濕法冶金工藝工業 化對于提高金礦的綜合利用率，降低固體廢棄物產量，減少環境污染，都有著重大意義。黃 金濕法冶金全流程包括磨礦、浮選、氰化浸出、壓濾洗滌、鋅粉置換以及精煉等主要工序。由 于黃金的經濟價值和實用價值極高，不理想的生產運行狀態將為企業經濟效益、設備維護 等方面帶來嚴重的影響。因此，在線評價濕法冶金生產過程運行狀態則更具有實際意義。本 文以某黃金濕法冶金過程為研究背景，對其中氰化浸出、壓濾洗滌和鋅粉置換三個主要工 序的生產運行狀態進行評價。黃金濕法冶金主要工序如圖1所示。
[0003] 氰化浸出工序是決定最終黃金產量的重要生產過程之一。將浮選后的礦漿送往氰 化浸出工序，同時向每個浸出槽內添加氰化鈉并充入空氣，使金與所添加試劑充分反應。其 中，氰化鈉是濕法冶金的重要反應試劑，充入的空氣則為反應提供攪拌動力和適當的氧化 還原電位，推進反應進行。另外，為防止氰化鈉發生水解，放出劇毒的氰化氫氣體，需要向礦 漿中添加氧化鈣以調節pH值。壓濾洗滌工序的主要任務是將含金貴液從礦漿中分離出來， 所用設備為具有固液分離功能的立式壓濾機。該工序以追求最大固液分離效率為目標，而 壓濾機的進料壓力、擠壓壓力和液壓壓力則是影響固液分離效率的關鍵參數。分離出來的 貴液被送往鋅粉置換工序。由于貴液中所含雜質和氧分子會嚴重影響置換效果，因此在貴 液與鋅粉反應之前需經過凈化和脫氧。向脫氧后的貴液中添加適量鋅粉，將貴液中的金置 換出來。最后，通過板框擠壓將置換后的貧液排出，金留在濾餅(金泥)中。達到一定重量的 濾餅被送往精煉工序進一步提金。
[0004] 合理的濕法冶金工藝流程是確保礦石中金有效回收利用、企業獲得高收益回報的 基本前提。然而，在實際生產過程受到外部環境干擾及不確定因素的影響時，操作變量(如， 氰化鈉流量，鋅粉流量等）將逐漸偏離生產初期設定的最優工作范圍，導致過程運行狀態發 生退化。過程運行狀態的優劣與企業綜合經濟指標密切相關。較好的過程運行狀態意味著， 生產過程保持在當前生產操作條件下運行，企業將獲得較高的綜合經濟收益。另外，由于初 始條件(礦石中各個金屬的品位、礦石粒徑、礦石處理量等）的差異，操作變量的工作范圍也 不同，即濕法冶金過程具有多模態特性，每種初始條件對應著一種模態，每種模態的最優綜 合經濟指標也不盡相同。由于黃金的經濟價值極高，識別濕法冶金過程操作模態，并及時、 準確的掌握該模態下生產過程的運行狀態，對于提高企業生產效率和經濟效益、便于生產 調整具有重要的實際意義。
[0005] 目前，國內外對濕法冶金工業的研究較少，自動化水平也不高，理論研究也只停留 在對工藝研究及動力學研究的層面上，未見針對濕法冶金過程運行狀態在線評價的研究報 道。工廠所采用的評價方法是根據離線分析、化驗及測量數據，確定操作模態，在一個生產 周期(通常以天、月、年等為單位）結束后，根據各項生產指標(氰化鈉消耗總量、鋅粉消耗總 加量、浸出率、置換率、礦石處理量、金泥品位等）統計出一個綜合經濟指標，以此衡量在該 操作模態下這一生產周期內過程運行狀態的優劣，并根據此評價結果對下一個生產周期進 行適當的調整，以獲得更好的經濟收益。這種做法的缺點是，評價結果嚴重滯后與實際生 產，且只能為下一生產周期提供操作指導，對已經完成的生產周期卻無能為力；操作模態的 識別通常依賴于一些離線測量化驗等手段，無法在線實施；另外，操作工主要依靠各自的生 產經驗調節操作點，難以確保下一生產周期過程運行狀態的改進。因此必須尋求適當的方 法，本發明提供了適用于濕法冶金過程運行狀態在線評價的方法。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的，是提供一種濕法冶金過程運行狀態在線評價方法，根據過程特性 在線識別過程所屬的操作模態，并實時評價過程運行狀態，當運行狀態不優時，結合非優原 因及生產經驗給出操作指導。
[0007] 本發明的目的是提供一種用于金濕法冶金生產過程運行狀態在線評價的方法，能 解決如下問題： ① 利用可測過程信息在線識別生產過程所屬的操作模態，為獲得準確可靠的在線評價 結果提供保障； ② 為實際生產操作及管理人員實時提供濕法冶金生產過程運行狀態信息，確保企業 生產效率和經濟效益； ③ 在生產過程運行狀態不優時，自動追溯其原因，為操作工提供合理可靠的操作指導 建議； ④ 提供實時的評價結果，避免人工評價的滯后問題，并及時對當前生產周期過程運行 狀態做出適當調整。
[0008] 本發明采用的裝置包括濕法冶金過程運行狀態評價系統、上位機、PLC、現場傳感 變送部分。其中現場傳感變送部分包括濃度、壓力、流量等檢測儀表。在濕法冶金過程現場 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通過以太網定時 將采集信號傳送到上位機，上位機把接受的數據傳到濕法冶金過程運行狀態評價系統，進 行過程運行狀態實時評價，并提供生產操作指導建議。
[0009] 本發明裝置的各部分功能： ① 現場傳感變送部分：包括濃度、壓力、流量等檢測儀表由傳感器組成，負責過程數據 的采集與傳送； ② PLC :負責把采集的信號A/D轉換，并通過以太網把信號傳送給上位機； ③ 上位機：收集本地PLC數據，傳送給濕法冶金過程運行狀態評價系統，并提供生產操 作指導建議； 本發明所提供的濕法冶金過程運行狀態在線評價方法包括：（1)離線數據的模態識 別、（2)評價模型的建立、（3)過程操作模態的在線識別、（4)過程運行狀態的在線評價、（5) 運行狀態非優原因追溯等步驟。
[0010] (1)離線數據的模態識別 本發明選擇的能夠影響過程運行狀態的過程變量包括： 4 : 一浸氰化鈉流量； :-浸氰根離子濃度1 ; A :-浸氰根離子濃度2 ; A : -浸空氣流量； :-浸溶解氧濃度； A :二浸氰化鈉流量； % :二浸氰根離子濃度1 ; A :二浸氰根離子濃度2 ; 4 :二浸空氣流量； :二浸溶解氧濃度； Αι :-次壓濾板框壓濾機液壓壓力； :二次壓濾板框壓濾機液壓壓力； :鋅粉添加量； :貧液中金離子濃度； 本發明采用長度固定的切割窗口作為分析的基本單元。首先選取長度為//的窗口，變 量//定義為"最小穩定模態長度"，是根據經驗選取的可以涵蓋相同穩定模態過程特性的最 短運行時間長度。將離線數據劃分成一系列長度為//的窗口，提取每個窗口的負載矩陣Λ 通過定量評估各窗口矩陣/7與穩定模態的代表/7的相似度，從中揭示過程潛在特性沿著時 間方向的發展變化，進而判斷每一個穩定模態的范圍。如果兩個窗口特征矩陣的相似度大 于給定的穩定模態閾值，認為這兩個窗口內的數據屬于同一個穩定模態；反之，如果窗口 的相似度小于定義的閾值，則認為這兩個窗口的數據蘊含的過程特性不可以用一個模型描 述，過程模態發生變化。
[0011] 將建模數據表示為最常用的二維矩陣形式
【權利要求】
1.金濕法冶金過程運行狀態在線評價方法，包括浸出、洗滌、置換工藝，其特征在于： 通過計算在線數據與各個性能等級過程特征的相似度，實現金濕法冶金過程運行狀態的在 線評價，并且在過程運行狀態不優時，自動識別其原因，為實際生產過程提供有價值的指導 建議，算法包括離線數據的模態識別、評價模型的建立、過程操作模態的在線識別、過程運 行狀態的在線評價、運行狀態非優原因追溯步驟； 1)離線數據的模態識別 采用長度固定的切割窗口作為分析的基本單元；提取每個窗口的負載矩陣 P，通過定量評估各窗口矩陣J*與穩定模態的代表p的相似度，從中揭示過程潛在特性沿 時間方向的發展變化； 將建模數據表示為二維矩陣形式X,對I·沿采樣方向采用滑動窗口//進行分割；窗 口的滑動步長為仏得到
利用PCA提取每個窗口內過程變量之間的相關性信 息，以第一個窗口的負載矩陣瑪作為穩定模態的參考負載矩陣;通過比較每個窗口與 參考窗口過程特性的相似度來識別穩定模態；定義負載矩陣與參考窗口負載矩陣的相似 度：
其中，和·Pj-Ja?分別是矩陣A和*的第列向量； 假設從第尤個窗口開始，負載矩陣在與上一個參考窗口的相似度小于閾值時，表示過 程進入下一個穩定模態，令巧為新的參考負載矩陣，重復上述過程直至完成所有離線數據 的歸類； 假設初步識別出穩定模態的種類有種，分別對應的負載矩陣為
，利 用相似度/1作為度量兩種穩定模態相似程度的指標，利用聚類算法對G種負載矩陣黑進 行聚類；具體聚類步驟如下： ① 選擇瑪作為聚類的第一個中心，計算其余每一個穩定模態負載矩陣與乓的相似度 /1 ;如果第c個負載矩陣巧與的相似度，則第c類穩定模態數據與第一類穩定模 態數據為同一種穩定模態；如果，則第c類穩定模態數據與第一類穩定模態數據不 是同一類穩定模態；依次計算每一類穩定模態與第一類穩定模態的相似度后，得到第一類 穩定模態新的建模數據不； ② 除去4以及與瑪相似的負載矩陣，順次從剩下的負載矩陣中選出一個負載矩陣作 為聚類的第二個中心，依此判斷剩余每一個穩定模態負載矩陣與新聚類中心的相似度，與 相似度閾值α比較以后，得到第二類穩定模態新的建模數據; ③直至所有的負載矩陣重新歸類到新的穩定模態后，聚類算法結束，e種負載矩陣聚 類得到&種新的穩定模態，對應每一種新穩定模態的建模數據是
2) 評價模型的建立 本發明利用T-PLS在提取過程數據特征的同時去除冗余過程信息，建立評價模型； 利用過程知識從穩定模態
中選取表征不同性能等級的過程數據 和與其對應的綜合經濟指標Z，構成性能等級建模數據
，其中為性 能等級數；利用T-PLS算法分別建立每個性能等級的評價模型：
其中，<y, 分別為模態e中性能等級s的主元得分向量或矩陣，jC. y, J匕， 尤為負載矩陣，t為殘差矩陣；且有：
其中
；將
作為模態￡中性能 等級s的評價模型，用于過程運行狀態的在線評價； 3) 過程操作模態的在線識別 采用模態轉換頻度的概念，對應最大轉換頻度的模態被認為是最可能出現的穩定模 態；綜合在線連續《個采樣數據的識別結果，即從第個采樣到第A個采樣，對在 線模態進行識別判斷；在線模態識別包括5步： 第一步：在線初步識別；采用第仏-?)時刻的模型對從第采樣時刻到第左采 樣時刻的連續《個在線數據進行過程監測； 第二步：初步識別結果分析；如果《個在線數據并沒有連續出現故障報警，說明第 (左-?+1)采樣時刻過程運行正常，并且該時刻過程的模態類型與第仏-?)時刻一致；否 貝1J，說明模態在第認-ω+l)時刻發生改變，過程進入新的操作模態； 第三步：模型選擇過程；過程從第認-ω+l)時刻進入新模態，分析仏-?)時刻的模態 類型，重新選擇認-ω+l)時刻對應的模型對過程進行監測；因為模態轉換頻度由大到小代 表了模型轉換可能性的由高到低，所以根據轉換頻度的從大到小依次選擇對應的穩定模態 模型，并利用該模型依次對從采樣時刻到第Α個采樣時刻的連續《個在線數據 重新進行過程監測； 第四步：在線模態識別結果；如果《個在線數據并沒有連續出現故障報警，說明實際 生產過程恰好運行于該模態；否則，如果連續《個在線數據全部超出統計量控制限，說明 當前模型不能描述新模態的過程特性，按照概率順序繼續選擇下一類模態模型進行過程監 測；依次選擇所有可能的模型對過程進行監測，如果所有模型都不能涵蓋新模態的過程特 性，說明過程進入的新模態是無法識別的模態，需要人工經驗來支持進一步的區分；如果匹 配成功，選用新的模型繼續對過程進行監測，并且認為過程運行于該操作模態； 4) 過程運行狀態的在線評價 在線評價時，通過計算在線數據信息與當前操作模態各個性能等級的相似度，以評價 當前生產過程的運行狀態；在線評價步驟如下： ① 在時刻fc時，構造在線數據窗口.
② 利用模態e中各個性能等級離線建模數據的均值和標準差分別對標準化處 理，并將標準化后的數據記為1=; ③ 計算的得分向量：
④ 計算在線數據與性能等級$的距離：
其中，
的樣本數；由T-PLS性質 可知，ζτ=〇 ·因此，
⑤ 計算在線數據與性能等級的過程特征相似度: 如果
如果
并且有
⑥ 評價規則： 情形1:如果 _ ，表示當前過程運行于性能等級
為相
似度閾值； 情形2 :如果情形1不滿足，但存在連續^個相似度遞減，S卩
說明生 產過程正處于從一個性能等級向另一個性能等級的漸變過程；如果在線數據同時與多個性 能等級均滿足上述條件，則按如下方式確定實際生產過程最有可能到達的性能等級：
表示當前過程正在向性能等級P漸變； 情形3 :如果上述兩種情形都不滿足，則生產過程可能受到一些不確定因素干擾，評價 結果與前一時刻的結果一致； 5)運行狀態非優原因追溯 本發明提供一種基于變量貢獻的非優原因識別方法；通過計算過程變量對相似度指標 的貢獻，找出貢獻相對較大的過程變量，那么這些變量就是最有可能導致過程運行狀態不 優的原因變量；在原因追溯結果的基礎上，操作工可以結合自身的生產經驗選擇合適的調 整策略； 將在線數據到最優性能等級的距離進行如下分解：
其中，*表示最優性能等級，#是《?的第』個元素；為在線數據第個變量 的均值；那么，變量_/對<^的貢獻定義為：
2.根據權利要求1所述的金濕法冶金過程運行狀態在線評價方法，在金濕法冶金過程 中實施，其特征在于： 該流程包括浸出、洗滌和置換工序；過程檢測系統主要由濃度檢測、壓力檢測、流量檢 測構成； PLC控制器采用Simens 400系列的CPU 414-2,具有Profibus DP 口連接分布式10 ;為 PLC配備以太網通訊模塊，用于上位機訪問PLC數據；PLC控制器和以太網通訊模塊放置在 中央控制室中的PLC柜中； 上位機選用i7聯想計算機，采用WINDOW XP操作系統； 運行狀態評價系統運行在i7聯想計算機上，采用C# 2008編程軟件，運行狀態評價算 法米用Matlab 2010a編程軟件； PLC與運行狀態評價系統的信號傳送軟件是采用C# 2008編程軟件； 在濕法冶金過程現場安裝檢測儀表，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傳送給上位機，上位機把接受的數據傳給過程運行 狀態評價系統進行運行狀態的實時評價，并提供操作指導建議； 第一步、離線數據的模態識別：將離線數據切割成多個等長的數據窗口，提取每個窗口 的負載矩陣，通過比較每個窗口與參考窗口過程特性的相似度來識別穩定模態，并將同一 穩態數據進行歸類； 第二步、評價模型的建立：根據過程知識，從每個穩定數據中選取對應不同性能等級的 建模數據，利用T-PLS算法建立每個性能等級的評價模型； 第三步、過程操作模態的在線識別：利用模態轉換頻度的概念，從最有可能的操作模態 開始，對在線模態進行識別判斷； 第四步、過程運行狀態的在線評價：采集實時生產數據，通過計算在線數據特征與各個 性能等級特征的相似度：T，實時評價過程運行狀態； 第五步、運行狀態非優原因追溯：統計各個過程變量對相似度距離的貢獻
,貢獻較大的那些變量被認為是導致運行狀態非優的原因變量； 第六步、根據定量的原因追溯結果，并結合操作工人及生產管理者的生產經驗，選擇合 適的操作調整策略，改善過程運行狀態。
【文檔編號】G06Q50/04GK104062953SQ201410258092
【公開日】2014年9月24日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】王福利, 常玉清, 劉妍, 王姝 申請人:東北大學