CN113718298B - 一种稀土电解加料的分阶段控制方法及设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种稀土电解加料的分阶段控制方法，包括以下步骤，S1.将稀土电解过程划分为多个阶段；S2.获取电解槽中的电流和温度数据，并根据所述电流和温度数据判断当前稀土电解所处的所述阶段；S3.根据稀土电解所处的所述阶段，通过当前的电流、温度与预设PID参数信息计算获取当前应执行的加料速率；采用该方法可以在不同电解阶段实现不同的加料控制，进而能够适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化的特点。同时，本申请还提供一种与上述方法配套的稀土电解加料的分阶段控制设备。

Description

一种稀土电解加料的分阶段控制方法及设备

技术领域

本发明涉及稀土电解加料控制技术领域，具体而言，涉及一种稀土电解加料的分阶段控制方法及设备。

背景技术

我国稀土金属及合金产量占世界产量80％以上，其中90％以上稀土金属及合金是采用氧化稀土-氟化稀土熔盐电解法生产的。该电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化特点，各阶段电解反应对氧化稀土原料需求不同。

但是，当前在稀土电解过程中，加料一般采用人工手动加料或者加料机连续均匀加料两种方式。人工手动加料存在的不足：加料量、加料时间等指标完全人为操作控制对产品品质具有较大的波动性，对加料时间和料量精确度没有统一的标准，势必产生诸多缺陷，诸如产品质量均一性差、产品各项杂质指标控制困难，电解槽内缺料或多料等问题；采用加料机连续均匀加料方式的不足：在温度、电流、电压波动较大或者出炉、换板等操作时炉况发生变化后，均匀加料则无法判断和满足当前电解阶段变化对氧化稀土的需求量，则可能存在缺料或多料的情况，造成炉内造渣或者加速结炉的现象，降低电解效率。

基于上述依然存在的缺陷，当前也有学者在研究稀土熔盐电解智能控制，通过在线实时采集熔盐溶解度、熔盐温度、电解电流、电压参数，建立数据模型，反馈给加料机，实现实时加料量的控制，达到精确的加料量和实现标准化操作；但是，因熔盐池具有较强的腐蚀性，对传感器材质具有特殊的要求，目前传感器材质不能满足在熔盐池中连续使用的要求，无法实现熔盐溶解度快速检测和熔盐温度的实时检测。当前温度测量有非接触式测量,但是测量值波动范围大，约10～20℃误差，数据精确度不够，不满足控制要求。

以及于2020年6月23日申请的中国发明专利CN111674950A一种稀土自动称重加料装置、加料方法及稀土自动称重加料系统中记载有“接收到温度信号大于T1和/或电流信号大于I1时，控制器21控制拨料驱动装置加快驱动速度；接收到温度信号小于T2和/或电流信号小于I2时，控制器21控制拨料驱动装置降低驱动速度或停止”。即通过获取温度和电流情况来控制加料；但是该专利所记载的方案并未针对电解过程中的非稳态多阶段性提出更利于精确加料的方法，因此其依然难以适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化的特点，导致加料存在精确度不高的问题，难以保证产品的均一性和稀土回收率。

综上可知，现有的加料控制方法依然存在不足，本申请期望提出一种新的稀土电解加料控制方法以及与该方法配套的设备，其通过分阶段控制的思想结合PID自动控制实现不同阶段不同的加料控制，通过分阶段控制进而能够适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化的特点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种稀土电解加料的分阶段控制方法及设备，其通过分阶段控制的思想结合PID自动控制实现不同阶段不同的加料控制，通过分阶段控制进而能够适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化的特点。

本发明通过以下技术方案实现：

第一方面，提供一种稀土电解加料的分阶段控制方法，包括步骤：

S1.将稀土电解过程划分为多个阶段；

S2.获取电解槽中的电流和温度数据，并根据所述电流和温度数据判断当前稀土电解所处的所述阶段；

S3.根据稀土电解所处的所述阶段，通过当前的电流、温度与预设PID参数信息计算获取当前应执行的加料速率。

进一步的，所述S1中的所述阶段至少包括快速升温阶段、换板补电解质阶段、恒温反应阶段和出炉阶段。

进一步的，所述快速升温阶段的电流为0-A₁、温度为0-T₁；

所述换板补电解质阶段的电流为A₁-A₂、温度为T₁-T₂；

所述恒温反应阶段的电流为A₂、温度为T₂；

所述出炉阶段的电流为A₂-0、温度为T₂-T₃；

其中，电流的计量单位为安培，温度的计量单位为摄氏度；

进一步的，所述S2具体为，从获取的所述电流和温度数据中，取时间段x作为当前电解所处阶段的依据，将时间段x内的获取的电流数据和温度数据的变化情况带入各阶段的参数中来判断当前电解过程所属的所述阶段；其中所述时间段x表示当前时刻往前推的一时间段。

进一步的，所述S2中所述获取电解槽中的电流和温度数据具体为，持续实时测得电解槽中的所述电流数据，间隔测得所述电解槽中的所述温度数据。

进一步的，所述S3具体包括，

S31.预设某一阶段的PID比例参数、积分参数和微分参数分别为kp_c、ki_c、kd_c；

S32.通过增量式PID控制输出，如下式(1)，

Δu_t＝kp*(e_t-e_t-1)+ki*e_t+kd(e_t-2e_t-1+e_t-2) (1)

其中，Δu_t为误差增量，e_t-2、e_t-1、e_t依次为前后三次的加料流量误差，所述加料流量误差为设定流量减去实际流量计算获得，即e_t为当前加料流量误差，e_t-1为上次加料流量误差，e_t-2为上上次加料流量误差，kp、ki、kd分别为增量式PID的比例参数、积分参数和微分参数；

在增量式PID控制方法下，所述kp、ki、kd与当前时刻的电流I和温度T具有如下关系：

其中，N为当前稀土电解所处的所述阶段，k1、k2、k3、k4、k5、k6均为稀土电解过程中的常数；

基于公式(1)-(4)可知，在任一稀土电解所处阶段中，均有输出增量为out_increment，如下式(5)

out_increment＝kp_N*(e_t-e_t-1)+ki_N*e_t+kd_N*(e_t-2*e_t-1+e_t-2) (5)

再根据输出增加计算获取当前输出量out，如式(6)所示，

out＝out_increment+out_-1 (6)

其中，out_-1表示上一个时刻的输出量。

进一步的，所述当前输出量通过模拟转换为对应的电压值，并传输给变频器，所述变频器输出对应的频率信号实现对电机的控制。

第二方面，提供一种稀土电解加料的分阶段控制设备，包括阶段划分模块、阈值设定模块、数据采集模块、阶段判断模块以及加料速率计算模块；

所述阶段划分模块用于将稀土电解过程分为多个阶段，并将阶段划分数据发送至所述阶段判断模块；

所述阈值设定模块用于预设某一阶段的PID比例参数、积分参数和微分参数；

所述数据采集模块用于采集稀土电解过程中的电流、温度和实际加料流量数据，并将所述电流和温度数据发送给所述阶段判断模块和加料速率计算模块；

所述阶段判断模块用于根据所述阶段划分数据和电流和温度数据判断当前稀土电解过程所处的阶段数据，并将所述阶段数据发送给所述加料速率计算模块；

所述加料速率计算模块再根据所述预设的PID比例参数、积分参数和微分参数，以及电流数据、温度数据、流量误差数据和阶段数据通过增量式PID算法获取稀土电解过程中当前时刻的要求的加料速率，所述当前时刻位于稀土电解过程中的任一电解阶段。

进一步的，所述电流数据为连续采集数据，所述温度数据为间隔采集数据。

进一步的，所述流量误差数据由设定流量减去实际流量计算获取。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：

(1)本发明通过分阶段控制的思想结合PID自动控制实现不同阶段不同的加料控制，通过分阶段控制进而能够适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化的特点；

(2)通过分阶段控制加料，能够实时匹配电解反应对氧化稀土的需求量，使氧化稀土得到充分电解，提高加料精度和准确度，有效提升稀土回收率和产品均一性；

(3)同时在适应稀土电解过程中非稳态多阶段性变化的同时，能够减少结炉，延长电解槽寿命，降低劳动强度，减少生产成本，提高生产效率。

附图说明

图1为本发明提供的稀土电解分阶段控制方法的流程图；

图2为本发明提供的稀土电解分阶段控制方法的PID应用模型图；

图3为本发明提供的稀土电解分阶段控制方法的稀土电解周期示意图；

图4为本发明提供的稀土电解分阶段控制方法具体实施例的阶段与加料量关系的示意图；

图5为本发明提供的稀土电解分阶段控制设备的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

为适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化的特点，解决加料存在精确度不高的问题，以保证产品的均一性和稀土回收率；我们尝试了多种改进方式，以期解决原来连续均匀加料带来的弊端，具体解决方法如下所示。

实施例1

为了改进连续均匀加料带来的弊端，我们提出了一种最简单的改进方法。该方法在大量结合生产经验的情况下，为稀土电解过程中的各个阶段设置了定值算法。具体为，设定第N阶段总的加料量为M_N，加料时间为S_N，第N阶段已加料量为m_N，已加料时间为s_N，那么输送量

每个阶段的加料量和加料时间不等。

根据输送量公式Q＝47β*δ*ρ*D²*S*n，其中，式中Q为输送量，β为倾斜系数，δ为物料填充系数；ρ为物料密度，D为螺旋直径，n为螺旋轴转速，S为螺距；结合n＝60f/p，其中，n为螺旋轴转速，f为频率，p为电机旋转磁场的极对数，进而计算出频率f＝Qp/2820*β*δ*ρ*D²*S，从而实现各阶段不同速率的加料量控制。

具体的，当稀土电解周期总时间120分钟，设定N＝4段，S₁为15分钟，S₂为25分钟，S₃为70分钟，S₄为10分钟，M₁为1Kg,M₂为3Kg,M₃为14Kg,M₄为0Kg。

那么在第1段时：

通过时间和重量自动矫正输出量，以达到每个阶段对应时间和对应的加料量。如当m₁为0.4Kg，s₁为6分钟时，剩余时间对应的输出量为

进而可以计算得出f₁。

同理，第2阶段、第3阶段、第4阶段的算法同上。

实施例1中的方法多依赖于实际生产中总结下来的经验，不能做到根据电解槽中电流和温度进行实时的判断当前电解阶段对原料的需求量，为此我们进一步提出了新的解决办法，详见实施例2。

实施例2

一种稀土电解加料的分阶段控制方法，如图1所示，包括步骤：

S1.将稀土电解过程划分为多个阶段；其中，所述的阶段包括快速升温阶段、换板补电解质阶段、恒温反应阶段和出炉阶段。

目前主流的稀土电解过程中，主要的阶段可以分为上述四个阶段。但需要说明的是，在这四个阶段的基础上，依然还能继续划分，如图3所示，并且本方法也同样能够适应更细的阶段划分方法，即本方法的实施并不受阶段划分的影响，同时阶段划分主要是根据电解槽中的电流与温度作为主要依据，本方法能够明确各个阶段的电流与温度范围便能够有效执行。

在本实施例中，我们依然按照上述四个主要的阶段为例，结合实际的电解过程的温度和电流数据，我们可以知道各个阶段中电解槽中的电流与温度的范围，如下：

快速升温阶段的电流为0-A₁、温度为0-T₁；

换板补电解质阶段的电流为A₁-A₂、温度为T₁-T₂；

恒温反应阶段的电流为A₂、温度为T₂；

出炉阶段的电流为A₂-0、温度为T₂-T₃；

其中，电流的计量单位为安培，温度的计量单位为摄氏度；

通过情况下，A₁的取值7200安培，A₂的取值为7000安培；B₁的取值为1000℃，B₂的取值为1120℃，B₃的取值为1080℃；需要说明的是，根据实际电解的工艺或设备情况，A₁、A₂、T₁、T₂、T₃的取值可以存在一定的范围波动。

如图4所示，在本方法中，快速升温阶段的前期不需要加料，中后期才开始加料，这个过程中加料的量在全阶段中处于中加料量；而在换板补电解质阶段加料的量在全阶段中处于小加料量；恒温反应阶段作为时间最长的阶段，其加料的量在全阶段中处于大加料量；出炉阶段，随着温度的回落，该阶段不需要加料。

S2.获取电解槽中的电流和温度数据，并根据所述电流和温度数据判断当前稀土电解所处的所述阶段；其中，电解槽中的电流数据是持续实时测得并记录的，而电解槽中的温度数据是间隔测得并记录的，间隔的周期可以根据实际情况进行设定。由于电解槽内温度持续处于高温状态，现目前的温度传感器无法长时间工作在如何高的温度环境中，因此，此处采用间隔测温的方式。

在阶段的判断过程中，由于各个阶段的交汇处，温度或电流一致，因此为了准确判断所处的阶段，我们需要从获取的所述电流和温度数据中，取时间段x作为当前电解所处阶段的依据，将时间段x内的获取的电流数据和温度数据的变化情况带入上述各阶段的电流与温度范围参数中来判断当前电解过程所属的所述阶段；其中所述时间段x表示当前时刻往前推的一时间段。

S3.根据稀土电解所处的所述阶段，通过当前的电流、温度与预设PID参数信息计算获取当前应执行的加料速率；其具体包括：

S31.预设某一阶段的PID比例参数、积分参数和微分参数分别为kp_c、ki_c、kd_c；

在本实施例中，PID比例参数kp_c、积分参数ki_c和微分参数kd_c；在一般情况下，我们优先选择将实际操作经验中的恒温反应阶段的相关参数作为上述参数值。这是由于，恒温反应阶段相对较为稳定，这个阶段所测量获得参数值相对较为准确，进而选择该阶段的PID比例参数kp_c、积分参数ki_c和微分参数kd_c作为该方法中的定值能够减小误差，带来更准确的结果。

S32.通过增量式PID控制输出，如下式(1)，

Δu_t＝kp*(e_t-e_t-1)+ki*e_t+kd(e_t-2e_t-1+e_t-2) (1)

其中，Δu_t为误差增量，e_t-2、e_t-1、e_t依次为前后三次的加料流量误差，所述加料流量误差为设定流量减去实际流量计算获得，即e_t为当前加料流量误差，e_t-1为上次加料流量误差，e_t-2为上上次加料流量误差，kp、ki、kd分别为增量式PID的比例参数、积分参数和微分参数；

其中增量式PID控制方法应用模型如图2所示。

在增量式PID控制方法下，所述kp、ki、kd与当前时刻的电流I和温度T具有如下关系：

其中，N为当前稀土电解所处的所述阶段，k1、k2、k3、k4、k5、k6均为稀土电解过程中的常数；需要说明的是，k1、k2、k3、k4、k5、k6属于方法中的给定经验值，其可根据实际生产经验进行设定。

基于公式(1)-(4)可知，在任一稀土电解所处阶段中，均有输出增量为out_increment，如下式(5)

out_increment＝kp_N*(e_t-e_t-1)+ki_N*e_t+kd_N*(e_t-2*e_t-1+e_t-2) (5)

再根据输出增加计算获取当前输出量out，如式(6)所示，

out＝out_increment+out_-1 (6)

其中，out_-1表示上一个时刻的输出量。

进而，当前输出量通过模拟转换为对应的电压值，并传输给变频器，所述变频器输出对应的频率信号实现对电机的控制。

可以理解的是，由于加料速率由电机进行控制，所述电机工作由变频器输出0-50HZ的频率进行控制，所述变频器的输出根据所述输出量out进行模拟转换为0-10V的电压而获得；因此还需要对输出量out开展上述转换，进而通过控制电机的工作来控制当前的加料速率，一般情况下，out的数字范围为0-27648，从而实现通过分阶段控制来适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化特点的目的。

采用上述方法能够测量任一阶段所处时刻的应当执行的加料速率；其相较于实施例1中根据经验执行的方案，该方案并不需要设定加料总量以及所划分的各阶段的加料量；其能够适应主流电解法在电解过程中具有非稳态多阶段性变化的特点；同时通过分阶段控制加料，本方法能够实时匹配电解反应对氧化稀土的需求量，使氧化稀土得到充分电解，提高加料精度和准确度，有效提升稀土回收率和产品均一性；并且在适应稀土电解过程中非稳态多阶段性变化的同时，能够减少结炉，延长电解槽寿命，降低劳动强度，减少生产成本，提高生产效率。

结合上述方法，我们还提出保护一种相关的稀土电解设备，具体请参考实施例3。

实施例3

我们还提供一种稀土电解加料的分阶段控制设备，如图5所示，

包括阶段划分模块、阈值设定模块、数据采集模块、阶段判断模块以及加料速率计算模块；

所述阶段划分模块用于将稀土电解过程分为多个阶段，并将阶段划分数据发送至所述阶段判断模块；

所述阈值设定模块用于预设某一阶段的PID比例参数、积分参数和微分参数；

所述数据采集模块用于采集稀土电解过程中的电流、温度和实际加料流量数据，并将所述电流和温度数据发送给所述阶段判断模块和加料速率计算模块；其中，所述电流数据为连续采集数据，所述温度数据为间隔采集数据。

所述阶段判断模块用于根据所述阶段划分数据和电流和温度数据判断当前稀土电解过程所处的阶段数据，并将所述阶段数据发送给所述加料速率计算模块；

所述加料速率计算模块再根据所述预设的PID比例参数、积分参数和微分参数，以及电流数据、温度数据、流量误差数据和阶段数据通过增量式PID算法获取稀土电解过程中当前时刻的要求的加料速率，所述当前时刻位于稀土电解过程中的任一电解阶段；所述流量误差数据由设定流量减去实际流量计算获取。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种稀土电解加料的分阶段控制方法，其特征在于，包括步骤：

S1.将稀土电解过程划分为多个阶段，具体包括快速升温阶段、换板补电解质阶段、恒温反应阶段和出炉阶段；

S2.获取电解槽中的电流和温度数据，并根据所述电流和温度数据判断当前稀土电解所处的所述阶段，具体为，持续实时测得电解槽中的所述电流数据，间隔测得所述电解槽中的所述温度数据，从获取的所述电流和温度数据中，取时间段x作为当前电解所处阶段的依据，将时间段x内的获取的电流数据和温度数据的变化情况带入各阶段的参数中来判断当前电解过程所属的所述阶段；其中所述时间段x表示当前时刻往前推的一时间段；

S3.根据稀土电解所处的所述阶段，通过当前的电流、温度与预设PID参数信息计算获取当前应执行的加料速率，具体包括：

S31.预设某一阶段的PID比例参数、积分参数和微分参数分别为kp _c 、ki _c 、kd _c ；

S32.通过增量式PID控制输出，如下式（1），

（1）

其中，

为误差增量，

、

、

依次为前后三次的加料流量误差，所述加料流量误差为设定流量减去实际流量计算获得，即

为当前加料流量误差，

为上次加料流量误差，

为上上次加料流量误差，

、

、

分别为增量式PID的比例参数、积分参数和微分参数；

在增量式PID控制方法下，所述

、

、

与当前时刻的电流I和温度T具有如下关系：

（2）

（3）

（4）

其中，N为当前稀土电解所处的所述阶段，k1、k2、k3、k4、k5、k6均为稀土电解过程中的常数；

基于公式（1）-（4）可知，在任一稀土电解所处阶段中，均有输出增量为out_increment，如下式（5）

（5）

再根据输出增量计算获取当前输出量out，如式（6）所示，

out=out_increment+out_-1（6）

其中，out_-1表示上一个时刻的输出量。

2.根据权利要求1所述的稀土电解加料的分阶段控制方法，其特征在于，所述快速升温阶段的电流为0-A₁、温度为0-T₁；

所述换板补电解质阶段的电流为A₁-A₂、温度为T₁-T₂；

所述恒温反应阶段的电流为A₂、温度为T₂；

所述出炉阶段的电流为A₂-0、温度为T₂-T₃；

其中，电流的计量单位为安培，温度的计量单位为摄氏度。

3.根据权利要求1所述的稀土电解加料的分阶段控制方法，其特征在于，所述当前输出量通过模拟转换为对应的电压值，并传输给变频器，所述变频器输出对应的频率信号实现对电机的控制。

4.一种稀土电解加料的分阶段控制设备，其特征在于，包括阶段划分模块、阈值设定模块、数据采集模块、阶段判断模块以及加料速率计算模块；

所述阶段划分模块用于将稀土电解过程分为多个阶段, 具体包括快速升温阶段、换板补电解质阶段、恒温反应阶段和出炉阶段，并将阶段划分数据发送至所述阶段判断模块；

所述阈值设定模块用于预设某一阶段的PID比例参数、积分参数和微分参数；

所述数据采集模块用于采集稀土电解过程中的电流、温度和实际加料流量数据，并将所述电流和温度数据发送给所述阶段判断模块和加料速率计算模块；

所述阶段判断模块用于根据所述阶段划分数据和电流和温度数据判断当前稀土电解过程所处的阶段数据，具体为，所述电流数据为连续采集数据，所述温度数据为间隔采集数据，从获取的所述电流和温度数据中，取时间段x作为当前电解所处阶段的依据，将时间段x内的获取的电流数据和温度数据的变化情况带入各阶段的参数中来判断当前电解过程所属的所述阶段；其中所述时间段x表示当前时刻往前推的一时间段,并将所述阶段数据发送给所述加料速率计算模块；

所述加料速率计算模块再根据所述预设的PID比例参数、积分参数和微分参数，以及电流数据、温度数据、流量误差数据和阶段数据通过增量式PID算法获取稀土电解过程中当前时刻的要求的加料速率，所述当前时刻位于稀土电解过程中的任一电解阶段；具体包括：

A.预设某一阶段的PID比例参数、积分参数和微分参数分别为kp _c 、ki _c 、kd _c ；

B.通过增量式PID控制输出，如下式（1），

（1）

其中，

为误差增量，

、

、

依次为前后三次的加料流量误差，所述加料流量误差为设定流量减去实际流量计算获得，即

为当前加料流量误差，

为上次加料流量误差，

为上上次加料流量误差，

、

、

分别为增量式PID的比例参数、积分参数和微分参数；

在增量式PID控制方法下，所述

、

、

与当前时刻的电流I和温度T具有如下关系：

（2）

（3）

（4）

其中，N为当前稀土电解所处的所述阶段，k1、k2、k3、k4、k5、k6均为稀土电解过程中的常数；

基于公式（1）-（4）可知，在任一稀土电解所处阶段中，均有输出增量为out_increment，如下式（5）

（5）

再根据输出增量计算获取当前输出量out，如式（6）所示，

out=out_increment+out_-1（6）

其中，out_-1表示上一个时刻的输出量。

5.根据权利要求4所述的稀土电解加料的分阶段控制设备，其特征在于，所述流量误差数据由设定流量减去实际流量计算获取。

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