CC BY
33
УДК 658.52.011.56
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-5-80-86
КОНЦЕПЦИЯ ТРЕНАЖЕРНОЙ МОДЕЛИ УСТАНОВКИ НЕПРЕРЫВНОЙ ДЕСОРБЦИИ ЗОЛОТА ИЗ АКТИВНЫХ УГЛЕЙ
© С.А. Мельник1
Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Рассмотрен процесс разработки тренажерной модели установки непрерывной десорбции из активных углей. Предложена концепция компьютерного тренажера оператора установки непрерывной десорбции. На основании опыта эксплуатации и экспериментальных данных показаны основные параметры, характеризующие технологический процесс и определяющие выходные показатели. Рассмотрен аппарат непрерывной десорбции золота как объект управления. Разработана и описана модульная структура имитационной модели процесса десорбции, составляющая основу этого тренажера. Предложенная структура тренажерной модели разработана с учетом возможности имитации основных ситуаций, возникающих в технологическом процессе и системе управления в условиях реальной эксплуатации. Это позволит разработать модель обучения, охватывающую максимальный спектр эксплуатационных вопросов для повышения качества обучения оперативного персонала. Ключевые слова: компьютерный тренажер, автоклавная десорбция, золото, активные угли, имитационная модель, технологический процесс, SCADA.
SIMULATION MODEL CONCEPT OF THE INSTALLATION FOR GOLD CONTINUOUS DESORPTION FROM ACTIVATED CARBONS S.A. Melnik
Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article discusses the development of a simulator model of the installation of gold continuous desorption from activated carbons. It proposes the concept of a computer simulator for the operator of the continuous desorption installation. Based on operating experience and experimental data it shows the main parameters characterizing the technological process and identifying the output parameters. The unit of gold continuous desorption is considered as a controlled object. The modular structure of the simulation model of the desorption process, which forms the basis of the simulator is developed and described. The design of the proposed structure of the simulator model allows to simulate the main situations arising in the technological process and control system in real operation that will enable the development of a training model covering the maximum range of operational issues in order to improve the training quality of operating personnel.
Keywords: computer simulator, autoclave desorption, gold, activated carbons, simulation model, technological process, SCADA
Введение
Обучение новых работников, а также оценка и повышение квалификации персонала в производственных условиях является важнейшим направлением повышения эффективности работы и, как следствие, увеличения экономических показателей производства. На практике применяются различные образовательные технологии: тренинги, инструктажи, мастер-классы, обучение с применением стендов и компьютерных тренажеров. В последнее время для отработки навыков управления каким-либо процессом, аппаратом используют
компьютерные тренажеры. Особенно актуально применение компьютерных тренажеров при внедрении в производство нового оборудования и технологических процессов.
Сегодня ведутся работы по внедрению в производство технологического процесса непрерывной автоклавной десорбции золота из активных углей. Десорбция по предложенной схеме является наиболее перспективной для повышения производительности и автоматизации производства [1]. В частности, на ЗИФ ГОК «Березняков-ский» произведен монтаж и испытания
1
Мельник Сергей Александрович, программист кафедры автоматизации производственных процессов, e-mail: [email protected]
Melnik Sergey, Programmer of the Department of Automation of Production Processes, e-mail: [email protected]
установки непрерывной десорбции (УНД), после проведения опытно-промышленных испытаний планируется передача установки в промышленную эксплуатацию с включением в технологическую линию ЗИФ. Установка оснащена автоматизированной системой управления технологическим процессом (АСУ ТП) с выводом оперативной информации на верхний уровень. Овладение навыками эффективного управления и безопасной эксплуатации УНД возможно в результате многолетней наработки опыта при эксплуатации или с помощью специального компьютерного тренажера, что более безопасно и выгодно.
Компьютерный тренажер позволит обучать оперативный персонал ЗИФ работе по оптимальному ведению технологического процесса на установке, повышать и поддерживать необходимый уровень навыков и знаний за счет отработки действий в аварийных и нештатных ситуациях без ущерба для персонала и производства. Кроме
того, компьютерный тренажер может быть использован в учебном процессе для обучения студентов. Таким образом, разработка компьютерного тренажера для установки непрерывной десорбции является актуальной.
Разработка тренажерной модели
В справочной и учебной литературе накопился достаточно большой опыт разработки компьютерных тренажеров [2-4]. Анализ этого опыта позволяет выбрать концепцию и определить обобщенную структуру тренажера для оператора УНД (рис. 1).
Структура тренажера включает: автоматизированное рабочее место (АРМ) оператора, АРМ инструктора, тренажерную модель установки (ТМУ), базу данных тренажерной модели установки (БД ТМУ), базу данных (БД) сценариев, базу данных технологического процесса (БД ТП), модуль редактирования БД и модуль сопряжения.
Рис. 1. Структурная схема тренажера для оператора УНД Fig. 1. Simulator block diagram for a continuous desorption installation operator
АРМ оператора решает задачи визуализации и архивации данных моделируемого технологического процесса установки. Для удобства обучения интерфейс АРМ оператора должен максимально соответствовать интерфейсу АСУ ТП, действующего на установке.
АРМ инструктора содержит программный комплекс, состоящий из модуля организации обучения, виртуального инструктора и БД сценариев. Модуль организации обучения предназначен для формирования и реализации обучения в режиме реального времени. Виртуальный инструктор - программа, позволяющая проводить обучение в автоматическом режиме в отсутствие инструктора.
Модуль редактирования БД используется для выполнения операций записи и редактирования базы данных ТМП, необходимой для хранения информации об элементах АСУ и ТП. Тренажерная модель установки включает модели системы управления (МСУ) и технологического процесса (МТП), предназначенные для имитации работы системы управления и технологических процессов.
База данных ТП предназначена для сбора данных о моделируемом технологическом процессе в режиме обучения и контроля знаний, которые будут использоваться при анализе и составлении отчетов по действиям обучаемого оператора.
Модуль сопряжения необходим для обеспечения обмена данными между компонентами тренажера.
В процессе создания тренажера наиболее сложным и важным является разработка тренажерной модели установки. Рассмотрим основные особенности разработки тренажерной модели гидрометаллургического производства на примере тренажера оператора установки непрерывной десорбции золота из активных углей.
Технологическая схема цепей и аппаратов линии непрерывной десорбции представлена на рис. 2. Ранее была реализована система управления макетом установки непрерывной десорбции [5].
Элюент (водный раствор NaOH) из емкости приготовления (ЕПЭ) насосом (Н) под давлением 1 МПа подается в теплооб-менное устройство (ТУ), где он забирает часть тепла у прошедшего процесс десорбции богатого элюата. Далее элюент подогревается в высокоэффективном индукционном нагревателе до температуры 170-175оС и отправляется в аппарат непрерывной десорбции (АНД). После проведения процесса десорбции богатый элюат охлаждается в ТУ и холодильнике (Х) и попадает в емкость товарного элюата, откуда часть элюата отправляется на реконцен-трацию угля в бункер-дозатор (БД), а часть - в электролизер (ЭР) для осаждения золота. Бедный элюат из БД отправляется в сорбционную колонну (СК), а затем - в процесс сорбции золота из пульпы. Уголь, прошедший стадию сорбции золота из пульпы, подается в СК для донасыщения. Насыщенный уголь из СК перекачивается в БД на операцию рецикла. Из БД уголь вторичного концентрирования загружается в АНД для проведения процесса десорбции. Отработанный уголь выгружается в приемник-накопитель отработанного угля (ПНОУ), откуда он отправляется на стадию регенерации.
На основании опыта эксплуатации [6-8] и экспериментальных данных [9-13] можно систематизировать основные параметры процесса автоклавной десорбции золота по признаку: входные и выходные переменные, возмущающие воздействия. На рис. 3 показан аппарат непрерывной десорбции золота как объект управления.
Основными параметрами, характеризующими технологический процесс автоклавной десорбции золота из активных углей и определяющими выходные показатели, являются:
- температура Тыаон и расход Рыаон элюента, подаваемого в аппарат непрерывной десорбции;
- соотношение расхода раствора Еыа0Н к расходу угля Руг, подаваемых в АНД.
Уголь сорбции Уголь вторичного концентрирования
Отработанный уголь
Бедный элюат Богатый элюат Элюент
Рис. 2. Технологическая схема цепей и аппаратов линии непрерывной десорбции Fig. 2. Technological scheme of circuits and devices of a continuous desorption line
Tv.
V2
ck
уг
С
NaOH
U
уг
FNQOH ь. V 1 V ir
Аппарат непрерывной десорбции -F cue h
w Tnüoh
w (Ули
w Суг Ли
r^oem <-- Au hi
FyS -►
w
Рис. 3. Аппарат непрерывной десорбции золота как объект управления: FNaOH - расход раствора NaOH; TNaOH - температура раствора NaOH; Сугли - содержание Au(CN)2 в угле; Fyr - расход угля; Туг - температура угля; dyr - крупность угля; CNaOH - концентрация раствора NaOH; Lуг - уровень угля в аппарате; Рсис - давление в системе; СрАи - остаточное содержание Au(CN)2 в растворе; СостАи - остаточное содержание Au(CN)2
в угле
Fig. 3. Gold continuous desorption installation as an object of control: FNaOH -NaOH solution consumption; TNaOH - temperature of NaOH solution; C;Au - composition of Au(CN)'2 in carbon; F^ - carbon consumption; Туг - carbon temperature; dуг - carbon coarseness; CNaOH -NaOH solution concentration; Lуг - carbon level in the installation; Рсис - pressure in the system; CPAu - residual content of Au(CN)'2 in the solution; С- residual content of Au(CN)'2 in coal
Регулирование температуры раствора NaOH, подаваемого в АНД, является неотъемлемой частью интенсификации технологического процесса десорбции золота, что влияет на эффективность ведения процесса. Тем самым константа равновесия системы «уголь - раствор» смещается вправо с увеличением температурного режима проведения процесса. Регулирование соотношения расхода элюента Рма0Н и загрузки насыщенного активного угля Руг в АНД необходимо для оптимального ведения процесса десорбции. Регулирование расхода элюента в АНД необходимо для эффективного отвода десорбата (Аи(С^-2)) от поверхности угля. Регулирование соотношения расхода элюента Р^а0Н и подачи насыщенного активного угля Руг в АНД необходимо для равномерного элюирова-
ния поверхности угля раствором NaOH.
Для безаварийного ведения технологического процесса десорбции необходимо контролировать и регулировать давление в АНД (Рсис не должно превышать 1,2 МПа). Давление в АНД необходимо поддерживать на более высоком уровне, чем давление паров, тем самым увеличивается реакционная способность десорбирующих агентов за счет сдерживания газов в реакционной зоне (1 МПа>Рсист>1,2 МПа). Контроль концентрации NaOH в растворе осуществляется для поддержания показателя щелочности элюента на уровне рН=12-13.
На основе анализа работы технологической схемы установки непрерывной десорбции была разработана структура тренажерной модели установки (рис. 4).
Модуль имитации системы управления
Рис. 4. Структура тренажерной модели установки непрерывной десорбции: МСЭ - модель системы электроснабжения; МСВ - модель системы водоснабжения, МСОВ - модель системы обеспечения воздухом; МАНД - модель аппарата непрерывной десорбции; МВИН - модель высокоэффективного индукционного нагревателя; МТО - модель теплообменного оборудования (ТУ и Х); МЕ - модель емкостей (ЕТЭ и ЕПЭ); МИК1 - МИК 4 - модели измерительных каналов; МАУ1 - МАУ 4 - модели алгоритмов управления; МИМ и РО 1 - МРО и РО 4 - модели исполнительных механизмов
и регулирующих органов Fig. 4. Structure of the continuous desorption model simulator: МСЭ - a model of the power supply system;
МСВ - a model of the water supply system, МСОВ - a model of the air supply system; МАНД - a model of continuous desorption installation; МВИН - a model of high-performance induction heater; МТО - a model of heat exchange equipment (ТУ и Х); МЕ - a model of reservoirs (ЕТЭ и ЕПЭ); МИК 1 - МИК 4 - models of measurement channels; МАУ1 - МАУ 4 - models of control algorithms;
МИМ and РО 1 - МРО and РО 4 - models of actuators and regulators
Тренажерная модель установки представлена двумя взаимосвязанными модулями имитации технологических процессов и системы управления. Модуль имитации технологических процессов состоит из имитационной модели аппарата непрерывной десорбции, нагревателя, теп-лообменного оборудования, емкостей и насосов. Модуль имитации системы управления включает имитационные модели измерительных каналов, алгоритмов управления, исполнительных механизмов, регулирующих органов.
Все перечисленные модели представляются в виде систем дифференциальных и алгебраических уравнений с применением численных методов для их решения.
Предложенная структура тренажерной модели разработана с учетом возможности имитации основных ситуаций, возникающих в технологическом процессе и системе управления в условиях реальной эксплуатации. Это позволит разработать
модель обучения, охватывающую максимальный спектр эксплуатационных вопросов для повышения качества обучения оперативного персонала.
Заключение
На основе анализа, накопленного в справочной и учебной литературе, опыта разработки компьютерных тренажеров предложена концепция компьютерного тренажера для оператора установки непрерывной десорбции. Для реализации предложенной концепции разработана структура и дано описание тренажерной модели установки непрерывной десорбции. Полученные результаты будут использованы при разработке модулей тренажерной модели с использованием программного комплекса SCADA.
Работа выполнена при финансовой поддержке проекта № 02.G25.31.0075 в рамках постановления Правительства Российской Федерации № 218 от 09.04.2010 г.
Статья поступила 04.03.2016 г.
Библиографический список
1. Ёлшин В.В., С.А. Мельник. Современное состояние и перспективы развития технологии десорбции золота из насыщенных активированных углей // Austrian Journal of Technical and Natural Sciences. 2014. № 9-10. С. 114-118.
2. Дозорцев В.М. Компьютерные тренажеры для обучения операторов технологических процессов. М.: Синтег. 2009. 372 с.
3. Нагайцева О.В., Ливенцова Н.В., Ливенцов С.Н. Концепция тренажерной модели электрохимического производства // Известия Томского политехнического университета. 2009. Т. 315. № 5. С. 89-93.
4. Ершов П.Р., Батищев Д.В. Разработка тренажеров на базе SCADA Trace Mode 6 // Наука и образование в современной конкурентной среде: материалы Междунар. науч.-практ. конф. Уфа, 2014. С. 96-99.
5. Ёлшин В.В., С.А. Мельник, Блинов Н.И. Разработка системы управления макетом установки непрерывной десорбции золота из активных углей // Южно-Сибирский научный вестник. 2014. № 2. С. 35-37.
6. Ёлшин В.В., Колодин А.А., Овсюков А.Е. Внедрение автоматизированной системы управления циклом десорбции золота из активных углей на Кочкар-ской ЗИФ // Вестник ИрГТУ. 2011. № 5 (52). С. 115-120.
7. Ёлшин В.В., Колодин А.А., Овсюков А.Е. Внедрение автоматизированной системы управления циклом измельчения и классификации на Коммунаров-ской золотоизвлекательной фабрике // Цветная ме-
таллургия. 2008. № 4. С. 24-31.
8. Пат. на полезную модель RUS 155026. Аппарат для обработки зернистого материала жидкостью /
B.В. Ёлшин, В.П. Кольцов, С.А. Мельник. 2015. Бюл. 26.
9. Баев А.В., Мельник А.А. Идентификация промышленных объектов по данным их нормального функционирования (часть 1) // Вестник ИрГТУ. 2014. № 8 (91). С. 130-137.
10. Ёлшин В.В., Колодин А.А., Овсюков А.Е. Измерение концентрации золота в цианистых растворах // Вестник ИрГТУ. 2010. № 5 (45). С. 187-194.
11. Ёлшин В.В., Шагун В.А., Колодин А.А., Овсюков А.Е. Исследование влияния гидроксил-ионов на механизм взаимодействия цианистых соединений золота с активной поверхностью углеродных сорбентов // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2011. № 3. С. 13-16.
12. Ёлшин В.В., Минеев Г.Г., Голодков Ю.Э. Исследование процесса автоклавной десорбции золота из активных углей // Известия высших учебных заведений. Цветная металлургия. 2005. № 2. С. 29-32.
13. Ястребов К.Л., Дружинина Т.Я., Ершов В.А. Параметры механического и технологического режима работы мельниц, методы и аппаратурное оформление исследований // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 2 (46).
C. 56-64.
References
1. Elshin V.V., S.A. Mel'nik. Sovremennoe sostoianie i perspektivy razvitiia tekhnologii desorbtsii zolota iz nasyshchennykh aktivirovannykh uglei [Current state and development prospects of the technology of gold desorption from saturated activated carbons]. Austrian Journal of Technical and Natural Sciences, 2014, no. 9-10, pp. 114-118.
2. Dozortsev V.M. Komp'iuternye trenazhery dlia obucheniia operatorov tekhnologicheskikh pro-tsessov [Computer simulators for training operators of technological processes]. Moscow, Sinteg Publ., 2009, 372 p.
3. Nagaitseva O.V., Liventsova N.V., Liventsov S.N. Kontseptsiia trenazhernoi modeli elektro-khimicheskogo proizvodstva [Concept of training model of electrochemical production]. Izvestiia Tomskogo politekhnicheskogo universiteta - Bulletin of the Tomsk Polytechnic University, 2009, vol. 315, no. 5, pp. 89-93.
4. Ershov P.R., Batishchev D.V. Razrabotka trena-zherov na baze SCADA Trace Mode 6 [SCADA Trace Mode 6-based simulator development]. Materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf. "Nauka i obrazovanie v sovremennoi konkurentnoi srede" [Materials of International scientific and practical conference.Science and education in today's competitive environment]. Ufa, 2014, pp. 96-99.
5. Elshin V.V., S.A. Mel'nik, Blinov N.I. Razrabotka sis-temy upravleniia maketom ustanovki nepreryvnoi desorbtsii zolota iz aktivnykh uglei [Development of a control system of a model set of continuous gold desorption from activated carbons]. Iuzhno-Sibirskii nauchnyi vest-nik - South-Siberian Scientific Bulletin, 2014, no. 2, pp. 35-37.
6. Elshin V.V., Kolodin A.A., Ovsiukov A.E. Vnedrenie avtomatizirovannoi sistemy upravleniia tsiklom desorbtsii zolota iz aktivnykh uglei na Kochkarskoi ZIF [Implementation of an automated control system of the cycle of gold desorption from activated carbons at Kochkarskaya gold mill]. Vestnik IrGTU - Proceeding of Irkutsk State Technical University, 2011, no. 5 (52), pp. 115-120.
7. Elshin V.V., Kolodin A.A., Ovsiukov A.E. Vnedrenie avtomatizirovannoi sistemy upravleniia tsiklom iz-mel'cheniia i klassifikatsii na Kommunarovskoi zolo-
toizvlekatel'noi fabrike [Implementation of an automated control system of the cycle of grinding and classification at Kommunarovskaya gold mill]. Tsvetnaia metallurgiia - Non-ferrous Metallurgy, 2008, no. 4, pp. 24-31.
8. Elshin V.V., Kol'tsov V.P., Mel'nik S.A. Apparat dlia obrabotki zernistogo materiala zhidkost'iu [Device for granular material treatment with liquid]. The patent for utility model RF no. 155026. 2015.
9. Baev A.V., Mel'nik A.A. Identifikatsiia promyshlen-nykh ob"ektov po dannym ikh normal'nogo funktsion-irovaniia (chast' 1) [Identification of industrial facilities by their normal operation data (part 1)]. Vestnik IrGTU -Proceeding of Irkutsk State Technical University, 2014, no. 8 (91), pp. 130-137.
10. Elshin V.V., Kolodin A.A., Ovsiukov A.E. Izmerenie kontsentratsii zolota v tsianistykh rastvorakh [Measurement of gold concentration in cyanic solutions]. Vestnik IrGTU - Proceeding of Irkutsk State Technical University, 2010, no. 5 (45), pp. 187-194.
11. Elshin V.V., Shagun V.A., Kolodin A.A., Ovsiukov A.E. Issledovanie vliianiia gidroksilionov na mekhanizm vzaimodeistviia tsianistykh soedinenii zolota s aktivnoi poverkhnost'iu uglerodnykh sorbentov [Investigation of the hydroxyl ion effect on the interaction mechanisms of gold cyanides and the active surface of carbon sorbents]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Tsvetnaia metallurgiia - Universities' Proceedings. Non-ferrous Metallurgy, 2011, no 3, pp. 13-16.
12. Elshin V.V., Mineev G.G., Golodkov Iu.E. Issledo-vanie protsessa avtoklavnoi desorbtsii zolota iz ak-tivnykh uglei [Investigation of gold autoclave desorption from activated carbons]. Izvestiia vysshikh uchebnykh zavedenii. Tsvetnaia metallurgiia - Universities' Proceedings. Nonferrous Metallurgy, 2005, no. 2, pp. 29-32.
13. Iastrebov K.L., Druzhinina T.Ia., Ershov V.A. Para-metry mekhanicheskogo i tekhnologiche-skogo rezhima raboty mel'nits, metody i apparaturnoe oformlenie issle-dovanii [Parameters of mechanical and technological modes of mill operation, research methods and hardware implementation]. Sovremennye tekhnologii. Sis-temnyi analiz. Modelirovanie - Modern technologies. System analysis. Modeling, 2015, no. 2 (46), pp. 56-64.
