案例研究: Mogale金礦 OPTO 控制系統(tǒng)在南非尾礦處理系統(tǒng)中的應(yīng)用
背景
尾礦是礦石開采后被碾磨的余渣。這些尾礦必須以符合成本的環(huán)保要求存儲(chǔ)處理。尾礦庫和尾礦壩以及其他堆放方式都是如今比較常見用的堆放方式。 然而， 這些都構(gòu)成了嚴(yán)重的環(huán)境問題，這是由于尾礦經(jīng)常含有微量的、有時(shí)甚至是大量的只能在主礦中找到的金屬， 以及含有大量的化學(xué)品、和在采礦過程中所使用的大量的化合物 。因此，建立和維護(hù)尾礦堆放場(chǎng)對(duì)于礦業(yè)公司是重要的支出成本。
一種新的策略： 尾礦再加工
從以往來看，由于要求粉碎、研磨和冶金處理， 選礦工藝效率低下，有些有價(jià)值的金屬物質(zhì)會(huì)殘留在余渣中。 但最近， 改進(jìn)的開采技術(shù)和不斷增長(zhǎng)的黃金價(jià)格已經(jīng)打開了市場(chǎng)機(jī)遇，使許多礦業(yè)公司收購老的礦場(chǎng)、并在尾礦上使用冶金技術(shù)來得到殘余的黃金。
南非的Mintail礦業(yè)有限公司目前重點(diǎn)研究，評(píng)估和處理位于Witwatersrand的成千上億噸的含金的尾礦。在該地區(qū)，據(jù)專家稱，已開產(chǎn)的金礦占全世界開采量的40%。黃金回收利用的方法從來沒有100%的有效，因此自動(dòng)化和控制技術(shù)在提高冶金制作工藝上正起著重要的作用。在Opto控制系統(tǒng)集成商的幫助下，每月該地區(qū)都能在尾礦中收集到大量的有價(jià)值的金屬。 同時(shí)，通過這種處理， 公司正在減少土地的消耗和有礙觀瞻的垃圾場(chǎng)來積極改善環(huán)境。
尾礦堆的整個(gè)外景
Opto 控制
Opto 控制公司是一個(gè)已經(jīng)超過10年的，且在工業(yè)自動(dòng)化，遠(yuǎn)程監(jiān)控，及數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用方面的硬件及軟件的供應(yīng)商和集成商。專業(yè)于解決使用Opto 22 的部件和系統(tǒng)， Opto 控制涉足廣泛的項(xiàng)目和工業(yè)解決方案，包括過程控制和安全，印刷生產(chǎn)監(jiān)控，及工廠自動(dòng)化。 公司總裁Mike Harrison和過程控制及編程工程師Adam Carless率領(lǐng)一個(gè)小組，為Mintails’ Mogale Sands Plant (“Mogale Gold.”)的尾礦處理構(gòu)建自動(dòng)化系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)與現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及儀器儀表進(jìn)行通訊，監(jiān)測(cè)，控制和采集數(shù)據(jù)， 同時(shí)也管理一些機(jī)械和化學(xué)的處理，從而從尾礦中分離出黃金 。Opto 控制系統(tǒng)的重要組成部分包括Opto 22基于機(jī)架式的獨(dú)立可編程自動(dòng)化控制（PAC）和處于各地區(qū)金礦的尾礦庫處理廠現(xiàn)場(chǎng)的I/O站。
Harrison解釋說“起初，這些控制器將通過光纖電纜進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)，但是Mintails管理層最后決定為Mikro Tik設(shè)計(jì)一套無線解決方案，以此避免挖掘地溝及鋪設(shè)電纜。”
MikroTik的平臺(tái)特征包括基于Linux的操作系統(tǒng)、全方位天線、和802.11（a/b/g/n）在工業(yè)頻率范圍、科學(xué)及醫(yī)用頻段（ISM）內(nèi)的無線通信能力。系統(tǒng)也具備網(wǎng)絡(luò)劃分力，數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)350Mbps，傳輸范圍輕松的覆蓋了Mogale站點(diǎn)與控制器間的平均距離（約150米）。
尾礦處理
尾礦處理先從從礦井泵水送至尾礦堆放場(chǎng)，那里作沖洗及制造泥漿。
Opto 控制系統(tǒng)管控泵每小時(shí)抽取約600立方米的水，控制器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)字輸出模塊，用于啟停水泵、以及改變管道內(nèi)的閥門驅(qū)動(dòng)器狀態(tài)；而輸入模塊采集流量反饋情況、水位開關(guān)、和差分壓力傳感器的數(shù)字，以保證水泵正常工作。
Harrison說：“我們也用電磁流量計(jì)檢測(cè)與監(jiān)控流量，模擬輸入模塊得到從流量計(jì)反饋的數(shù)據(jù)”，“這些流量計(jì)沒有運(yùn)動(dòng)機(jī)件（故障率性低且適用于抽取臟水）。
多數(shù)I/O模塊是8、16、32通道的高密度模塊，可顯著節(jié)省成本并節(jié)省機(jī)架的空間。然而在一些案例中，Harrison決定實(shí)用Opto 22 I/O產(chǎn)品較早期的G4系列，它的每個(gè)模塊都可導(dǎo)通更高額定電流（達(dá)3安培），事實(shí)證明對(duì)于驅(qū)動(dòng)大型任務(wù)的電動(dòng)機(jī)及水泵，這是個(gè)更好的選擇，就像在Mogale金礦區(qū)一樣。
當(dāng)水被抽取上來，大型噴水口噴射水，所形成的泥漿重回礦井。泥漿通過一系列的篩選，過濾掉殘屑及其他礦物。
炭浸法與洗脫
“溶浸”指的是冶金提取，它是種化學(xué)處理，通過邊溶解邊從固體變?yōu)橐后w的轉(zhuǎn)移中分離尾礦。接著，融化的金子轉(zhuǎn)變成濃縮的固態(tài)。在吸收并融化金子成為活性炭后處理被完成。這種炭的形式非常易于滲透（一克炭的表面積可以達(dá)到小型停車場(chǎng)大小），這使它更適合吸收金子。
在洗脫階段，通過腐蝕性物質(zhì)及氰化物的化學(xué)混合去除金子表面的炭。通過操作人員的指令，Opto Controls系統(tǒng)打開了必要的閥門，啟動(dòng)一系列進(jìn)水泵，開始輸送水，腐蝕性物質(zhì)（氫氧化鈉）及氰化鈉進(jìn)入洗脫罐。啟動(dòng)大型柴油燃燒機(jī)，氰化物解決方案是通過熱量交換不斷循環(huán)，溫度控制在80-90°C，這套解決方案為洗脫罐提供原料。Opto Controls系統(tǒng)在這些過程中占據(jù)重要的角色。
Harrison解釋道：“在這個(gè)工程中有多種設(shè)備及許多類型的儀器，我們的系統(tǒng)連接到監(jiān)測(cè)器和（或者）控制器，幾乎包括所有的這些東西：提供腐蝕性物質(zhì)及氰化物原料供給泵的電動(dòng)機(jī)、壓力指示器、存儲(chǔ)罐溫度探針、空氣閥、流量計(jì)”。變速器（VSD）是特別重要的環(huán)節(jié)，它是調(diào)控泵的電動(dòng)機(jī)。為了確保設(shè)備運(yùn)行在最佳狀態(tài)，保持適當(dāng)流量，Carless已設(shè)立了許多PID回路。
PID 控制
通過PID回路控制，過程變量與設(shè)定的期望值之間的誤差能被計(jì)算出來，控制器通過調(diào)節(jié)程控制輸出，將誤差最小化。Mogale金礦項(xiàng)目中，之間所需的流速和實(shí)際流速的誤差被測(cè)量，兩者的不一致可通過控制器校正，然后通過連續(xù)調(diào)節(jié)VSD速度的模擬輸出模塊通信，調(diào)節(jié)泵的運(yùn)作。
人機(jī)界面屏幕詳細(xì)介紹了尾礦再加工洗脫過程
工程師Adam Carless設(shè)計(jì)在Mogale金礦過程編程中處理PID調(diào)節(jié)的溫度和流量。
分布式架構(gòu)
顯而易見，PID回路控制無需Opto 22控制器控制其運(yùn)算，但是可遠(yuǎn)程控制眾多分散于Mogale的多機(jī)架式I/O。PID不斷進(jìn)行著運(yùn)算，并做適當(dāng)調(diào)整，從而分擔(dān)控制器的一些功能到分布式架構(gòu)的I/O，這將有眾多好處。最重要的是，顯著減少了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的故障率，因?yàn)榧词怪鱌AC控制器故障，獨(dú)立的I/O處理器將不中斷地繼續(xù)工作。
“對(duì)于Mogale金礦，這意味著如果一個(gè)中央控制器因某種原因掉線了，所有從PID控制的流程將繼續(xù)工作，像泥漿溢出等潛在事故將被有效避免”，Carless解釋道。PID控制在Mogale金礦的氰化物相關(guān)的工程中擔(dān)當(dāng)重任。
氰化物
在炭漿浸出與洗脫過程中，如何避免轉(zhuǎn)化與釋放氰化氫液體成為氰氣是關(guān)鍵的，它是有劇毒的。氰化物通過獲得自由質(zhì)子轉(zhuǎn)化為氣態(tài)。因此，在通過Mogale金礦工程中， 通過外加堿性物質(zhì)，確保氰化物質(zhì)子低濃度，如添加生石灰（氧化鈣），可確保PH值超10.5。
“氰化物是極其危險(xiǎn)的，我們必須設(shè)計(jì)一些特定的工程，在無人操作下全自動(dòng)運(yùn)作”，Carless說道。
Opto 控制系統(tǒng)放置于如圖的大型儲(chǔ)油罐邊上
氰化物分析儀及PH傳感器與模擬輸入模塊相連接，它提供連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，PID回路控制計(jì)算出所需的化學(xué)量，增加適量的石灰。為了確保安全，如果PH值低于10，氰化物將不再增加，洗脫也將自動(dòng)暫停直到問題被糾正。
Opto Control系統(tǒng)也控制燃燒爐和用作腐蝕性物質(zhì)/氰化物洗脫加熱的溫度監(jiān)控儀，與泵一同通過CIL提取炭漿及泥漿，并計(jì)算補(bǔ)料。液位探頭通過模擬輸入模塊連接到控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，當(dāng)計(jì)量滿了，炭漿輸送會(huì)自動(dòng)停止。
炭漿接著從料斗輸送到脫洗罐。這一步的起停是手動(dòng)的，但Harrison說最終目標(biāo)是使這個(gè)過程完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化（其他大部分工藝都是人工）。
洗脫時(shí)，腐蝕性物質(zhì)/氰化物洗脫金子表層，使它容易提取。用電解的方法使金子分離。該解決方案先是被測(cè)試，目的是為下一爐運(yùn)作所需的腐蝕性物質(zhì)及氰化物的容量作參考。氧氣幫助清潔洗脫管道，殘余的液體被送回洗脫罐。固體炭漿接著通過流動(dòng)的水流運(yùn)送到可計(jì)量的加料斗中。隨著洗脫管道水流盡了，就準(zhǔn)備下一爐運(yùn)作了。
歷史上，尤其是遍及南非及Rand地區(qū)，礦業(yè)對(duì)環(huán)境造成了不義的影響，在這方面Mogale項(xiàng)目具有糾正、彌補(bǔ)這種負(fù)面影響的額外優(yōu)勢(shì)，Mogale金礦尾礦堆除了不雅觀，更是塵埃和水污染的源頭。也是潛在的易泄漏流入地下水的污染物，有可能影響陸地水資源的質(zhì)量。Mintails移除這些尾礦堆將減少塵埃，也可降低對(duì)地表及地下水的污染。通過清洗，Mintails有效地為遍及西蘭德的土地發(fā)展提供幫助。
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