基于數(shù)字孿生的離子型稀土礦水冶工藝數(shù)據(jù)動態(tài)可視化研究

吳傳松 ,高志江 ,楚金旺 ,郝亮鈞 ,王要武 ,邱海濤

(1.廣東風(fēng)華高新科技股份有限公司,廣東肇慶 526000;2.中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038;3.平遠(yuǎn)縣華企稀土實業(yè)有限公司,廣東平遠(yuǎn) 514600)

0 引言

離子型稀土礦采用原地浸采工藝,即用特定的浸礦液從自然賦存條件下的非均質(zhì)含礦層中把呈離子吸附態(tài)的稀土金屬元素置換浸出并進(jìn)一步分離、回收稀土元素的采礦方式[1]。通過在礦體表面布置注液孔,形成注液管網(wǎng)來完成浸礦劑的持續(xù)注入。產(chǎn)出的稀土浸出母液,通過提前建設(shè)的集液系統(tǒng)進(jìn)行收集,包括:集液巷道、導(dǎo)流孔和集液溝,然后通過管網(wǎng)將收集到的浸出母液輸送至水冶車間進(jìn)行相應(yīng)的富集處理[2]。

因此,可以將水冶車間簡化為離子型稀土礦開采過程中生產(chǎn)稀土產(chǎn)品的一個工段。離子型稀土礦水冶車間浸出母液處理過程的工藝流程相對較短、操作運行直接明了、勞動強(qiáng)度較低。主要的特點是由于離子型稀土礦含礦層的水文地質(zhì)參數(shù)和礦石的賦存形態(tài)存在一定差異,導(dǎo)致收集到的浸出母液中稀土離子的濃度存在差異,所以水冶車間各個工段的工藝參數(shù)的控制對經(jīng)驗具有較強(qiáng)的依賴性[3]。而且,水冶車間的自動化程度較低,無法實現(xiàn)相關(guān)生產(chǎn)數(shù)據(jù)的精準(zhǔn)統(tǒng)計、高效處理和實時共享。

目前,數(shù)字孿生技術(shù)的應(yīng)用可以突破眾多復(fù)雜物理條件限制,通過模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動,以數(shù)字化的形式在虛擬空間中構(gòu)建與物理車間一對一映射的孿生車間[4]。一方面,通過孿生車間與物理車間的雙向真實映射,實現(xiàn)從設(shè)計到運維的全要素、全流程、全生命周期數(shù)字化仿真,推進(jìn)工程管理、流程控制、決策驗證等,從而大大提升設(shè)計、生產(chǎn)、運維等各環(huán)節(jié)的質(zhì)量與效率[5]。另一方面,通過孿生車間與物理車間的雙向?qū)崟r交互,對物理車間的運行狀態(tài)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化調(diào)控,使生產(chǎn)過程持續(xù)優(yōu)化,實現(xiàn)具有自感知、自學(xué)習(xí)、自決策、自執(zhí)行、自適應(yīng)等功能的新型生產(chǎn)方式,最終完成以虛仿實、以虛映實、以虛控實、以虛預(yù)實、以虛優(yōu)實、虛實共生,通過與物理車間不間斷的閉環(huán)信息交互反饋與數(shù)據(jù)融合,能夠模擬物理生產(chǎn)過程,監(jiān)控生產(chǎn)過程變化,反映生產(chǎn)運行狀況,評估生產(chǎn)運行狀態(tài),診斷異常故障,預(yù)測生產(chǎn)趨勢[6]。

1 水冶車間工藝流程

離子型稀土礦采用特定的浸礦劑實現(xiàn)原地浸礦,通過沉淀富集的生產(chǎn)工藝實現(xiàn)對浸出母液的處理,母液處理工藝過程主要包括母液預(yù)處理除雜、沉淀、壓濾脫水三個工序。

原地浸出的稀土母液,經(jīng)過收液系統(tǒng)進(jìn)入中轉(zhuǎn)池,調(diào)節(jié)母液的質(zhì)量和流量,再通過泵打入除雜池。向除雜池中加入對應(yīng)的化學(xué)藥劑進(jìn)行除雜反應(yīng)后,上清液自流進(jìn)入沉淀池,渣頭自流進(jìn)入沉渣池。進(jìn)入沉淀池的上清液經(jīng)過進(jìn)一步的沉淀反應(yīng)后,上清液返回浸礦劑配液池,而沉淀物進(jìn)入孵化池,經(jīng)過壓濾機(jī)壓濾脫水處理后,廢水進(jìn)行廢水處理,而產(chǎn)品被運送至分離廠進(jìn)一步進(jìn)行分離加工。配液池中的清液,通過進(jìn)一步調(diào)配保證其維持在一定濃度范圍和pH 范圍內(nèi),然后泵入高位池,再通過注液孔注入礦體中。

圖1 水冶車間工藝流程圖

2 數(shù)字孿生水冶車間

數(shù)字孿生水冶車間采用機(jī)理模型、數(shù)據(jù)模型耦合迭代的方法,實現(xiàn)水冶流程全要素、全過程、全生命周期的數(shù)字化建模[7]。其中,機(jī)理模型為基于內(nèi)在化學(xué)反應(yīng)和水冶機(jī)理的建模方法,該類方法與先驗知識相結(jié)合,具有可解釋性。數(shù)據(jù)模型為基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的建模方法,包括深度學(xué)習(xí)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、集成學(xué)習(xí)、強(qiáng)化深度學(xué)習(xí)、遷移學(xué)習(xí)等,該類方法適用于非線性、多約束、復(fù)雜的生產(chǎn)系統(tǒng)[8]。通過兩種建模方法的耦合迭代,實現(xiàn)數(shù)字孿生水冶車間不同層級、不同功能系統(tǒng)的數(shù)字化建模。

按照離子型稀土礦水冶車間生產(chǎn)工藝流程,包括:母液-除雜中轉(zhuǎn)-除雜-沉淀中轉(zhuǎn)-沉淀-孵化-壓濾,將相關(guān)的全部生產(chǎn)過程數(shù)字化,建立離子型稀土礦水冶車間全流程動態(tài)模型,實現(xiàn)物質(zhì)流、信息流等多要素數(shù)字化無縫連接。

2.1 設(shè)備智能體構(gòu)建

根據(jù)離子型稀土礦水冶車間各個工序所用設(shè)備的能力、屬性、運行操作機(jī)制、能耗、故障規(guī)律等特點,建立除雜中轉(zhuǎn)池、除雜池、沉淀中轉(zhuǎn)池、沉淀池、孵化池、壓濾機(jī)、配液中轉(zhuǎn)池、配液池等主要環(huán)節(jié)的智能體模型。同時,基于已有的物性數(shù)據(jù)庫、工藝數(shù)據(jù)庫、生產(chǎn)信息庫等,實現(xiàn)物理水冶車間各種生產(chǎn)要素在數(shù)字孿生工廠的全面集成和融合。

2.2 生產(chǎn)全流程建模

基于所構(gòu)建的設(shè)備智能體和工藝流程邏輯,建立從浸出母液輸入到稀土產(chǎn)品輸出整個離子型稀土礦水冶車間生產(chǎn)過程的數(shù)字化工藝模型,將物質(zhì)流、信息流等多要素數(shù)字化耦合銜接,并針對生產(chǎn)監(jiān)控需求和過程優(yōu)化目標(biāo),在流程模型上設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)控制器,實現(xiàn)對物理生產(chǎn)全過程的一對一虛擬數(shù)字化映射,為水冶車間數(shù)字孿生功能應(yīng)用提供底層數(shù)字化模型,將離子型稀土礦水冶車間數(shù)據(jù)動態(tài)可視化以“一張圖”的方式呈現(xiàn)[9],如圖2 所示。

圖2 水冶車間生產(chǎn)全流程建模

2.3 工藝參數(shù)數(shù)據(jù)讀取和展示

立足于離子型稀土礦水冶車間的生產(chǎn)工藝流程,以及基礎(chǔ)自動化改造,通過對接和讀取DCS 系統(tǒng)的各類檢測數(shù)據(jù),包括:母液中轉(zhuǎn)池的母液流速、稀土離子濃度、雜質(zhì)濃度,除雜池的液位值、pH 值、稀土濃度數(shù)據(jù),沉淀池的液位值、pH 值、稀土離子濃度,孵化池的液位值、稀土產(chǎn)品質(zhì)量以及配液池的液位值、pH 值,形成相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫。通過設(shè)備智能體模型和數(shù)據(jù)雙驅(qū)動,以數(shù)字化的形式構(gòu)建了與物理設(shè)備一對一映射的監(jiān)測模型。

2.4 工藝參數(shù)數(shù)據(jù)動態(tài)監(jiān)測

1)生產(chǎn)輔助分析

對水冶生產(chǎn)過程中,主要生產(chǎn)設(shè)備(除雜池、沉淀池、配液池、孵化池等)的關(guān)鍵工藝控制參數(shù),主要包括:液位和酸堿度,設(shè)定相應(yīng)的上限值和下限值,進(jìn)行實時監(jiān)控和預(yù)測預(yù)警,如圖3 所示。通過此功能模塊,能夠?qū)ιa(chǎn)異常情況,如反應(yīng)池異常排液、酸堿度超出閾值等進(jìn)行預(yù)警分析,輔助生產(chǎn)穩(wěn)定運行。基于數(shù)據(jù)的動態(tài)交互,可準(zhǔn)確監(jiān)控各個工段生產(chǎn)設(shè)備的實時運行狀態(tài),各關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)的變化情況,設(shè)備的啟停情況、設(shè)備儀表實時數(shù)據(jù)等。匯總相關(guān)信息生成設(shè)備運行記錄,按預(yù)設(shè)規(guī)則可自動生成報表。

圖3 生產(chǎn)輔助分析界面-沉淀池

2)稀土產(chǎn)品監(jiān)測

對水冶生產(chǎn)過程中,任一生產(chǎn)階段(設(shè)定起始時間、終止時間)內(nèi)的浸出母液輸入、稀土產(chǎn)品輸出進(jìn)行統(tǒng)計分析計算,進(jìn)而得到稀土的母液注入、產(chǎn)物產(chǎn)量以及回收率的動態(tài)變化分析值,如圖4 所示。通過此功能模塊,能夠?qū)λ鄙a(chǎn)過程中,任一時間階段內(nèi)的稀土生產(chǎn)情況進(jìn)行分析掌握。通過匯總稀土產(chǎn)品的實際生產(chǎn)結(jié)果,進(jìn)行自動數(shù)據(jù)統(tǒng)計,并與實際生產(chǎn)排班計劃進(jìn)行對比,為后續(xù)生產(chǎn)計劃的制定和安排提供數(shù)據(jù)支撐。同時對收集到的數(shù)據(jù),進(jìn)一步進(jìn)行量化、衡量、跟蹤、統(tǒng)計,實現(xiàn)生產(chǎn)計劃與浸采工序、中間物料、原輔料、庫存的數(shù)據(jù)交互。

圖4 稀土產(chǎn)品監(jiān)測界面

3)原料消耗監(jiān)測

對水冶生產(chǎn)過程中,各種輔助原料的動態(tài)消耗狀況,以及每種原料在各種生產(chǎn)設(shè)備的動態(tài)消耗占比等進(jìn)行計算分析,同時對任一時間階段內(nèi)的各種原料的消耗總量進(jìn)行統(tǒng)計分析,如圖5 所示。通過此功能模塊,能夠?qū)ι蛇^程中的各種輔助原料消耗情況進(jìn)行動態(tài)實時掌握,同時對任一時間階段內(nèi)的累計消耗情況進(jìn)行統(tǒng)計分析。統(tǒng)計分析以趨勢、條形圖、餅圖、報表等方式表現(xiàn),及時、準(zhǔn)確、全面地反應(yīng)各種輔助原料的存貨狀況和存貨資源占用情況。

圖5 原料消耗監(jiān)測界面

3 結(jié)論

通過應(yīng)用數(shù)字孿生技術(shù)構(gòu)建離子型稀土礦水冶車間動態(tài)數(shù)據(jù)可視化展示系統(tǒng),基于工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)平臺應(yīng)用,鏈接設(shè)備傳感器,對接自動化數(shù)據(jù),實現(xiàn)對水冶車間各個工序/工段進(jìn)行全方位、多種類立體數(shù)據(jù)監(jiān)測,進(jìn)一步促進(jìn)多源數(shù)據(jù)的互通融合,包含由生產(chǎn)數(shù)據(jù)、傳感器數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)等為主的基礎(chǔ)數(shù)據(jù),形成龐大的、可復(fù)用的數(shù)據(jù)資產(chǎn)庫,解決由于缺少數(shù)字化賦能而導(dǎo)致的數(shù)據(jù)采集碎片化、數(shù)據(jù)內(nèi)容不完整、數(shù)據(jù)格式不一致、數(shù)據(jù)傳輸孤島化等問題。通過構(gòu)建水冶車間生產(chǎn)運營“一張圖”,實現(xiàn)水冶時空動態(tài)監(jiān)測,融合浸采、除雜、沉淀、壓濾四大生產(chǎn)流程,一張圖繪到底,支撐對多個工序/工段的業(yè)務(wù)實時全局管理,實現(xiàn)多要素的動態(tài)場景監(jiān)測。通過數(shù)據(jù)來驅(qū)動動態(tài)場景,映射物理水冶車間,形成有效的、精細(xì)化的管理模式,賦能離子型稀土礦水冶車間實現(xiàn)生產(chǎn)、設(shè)備、物流、質(zhì)量全數(shù)字化管控,讓動態(tài)數(shù)據(jù)產(chǎn)生價值,輔助智能決策。