金湿法冶金过程运行状态在线评价方法
【专利摘要】金湿法冶金过程运行状态在线评价方法，包括浸出、洗涤、置换等工艺构成，其特征在于通过计算在线数据与各个性能等级过程特征的相似度，实时评价湿法冶金生产过程的运行状态，并且在过程运行状态不优时，自动识别其原因，为实际生产过程提供有价值的指导建议。算法包括离线建模数据的模态识别、评价模型的建立、过程操作模态的在线识别、过程运行状态的在线评价、运行状态非优原因追溯等步骤。本发明能够提供实时的评价结果，避免人工评价的滞后问题，自动追溯非优原因，为操作工提供合理可靠的操作指导建议，以便及时对过程运行状态进行适当调整，确保企业经济效益和生产效率。
【专利说明】金湿法冶金过程运行状态在线评价方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于金湿法冶金运行状态评价领域，提供一种有效的过程运行状态在线评 价方法。
【背景技术】
[0002] 随着高品位矿石的逐渐减少，湿法冶金工业已经开始受到世界各国的高度重视。 与传统的火法冶炼相比，湿法冶金技术具有高效、清洁、适用于低品位复杂金属矿产资源回 收等优势。特别是针对我国金矿品位低，复杂共生，杂质含量高的特点，湿法冶金工艺工业 化对于提高金矿的综合利用率，降低固体废弃物产量，减少环境污染，都有着重大意义。黄 金湿法冶金全流程包括磨矿、浮选、氰化浸出、压滤洗涤、锌粉置换以及精炼等主要工序。由 于黄金的经济价值和实用价值极高，不理想的生产运行状态将为企业经济效益、设备维护 等方面带来严重的影响。因此，在线评价湿法冶金生产过程运行状态则更具有实际意义。本 文以某黄金湿法冶金过程为研究背景，对其中氰化浸出、压滤洗涤和锌粉置换三个主要工 序的生产运行状态进行评价。黄金湿法冶金主要工序如图1所示。
[0003] 氰化浸出工序是决定最终黄金产量的重要生产过程之一。将浮选后的矿浆送往氰 化浸出工序，同时向每个浸出槽内添加氰化钠并充入空气，使金与所添加试剂充分反应。其 中，氰化钠是湿法冶金的重要反应试剂，充入的空气则为反应提供搅拌动力和适当的氧化 还原电位，推进反应进行。另外，为防止氰化钠发生水解，放出剧毒的氰化氢气体，需要向矿 浆中添加氧化钙以调节pH值。压滤洗涤工序的主要任务是将含金贵液从矿浆中分离出来， 所用设备为具有固液分离功能的立式压滤机。该工序以追求最大固液分离效率为目标，而 压滤机的进料压力、挤压压力和液压压力则是影响固液分离效率的关键参数。分离出来的 贵液被送往锌粉置换工序。由于贵液中所含杂质和氧分子会严重影响置换效果，因此在贵 液与锌粉反应之前需经过净化和脱氧。向脱氧后的贵液中添加适量锌粉，将贵液中的金置 换出来。最后，通过板框挤压将置换后的贫液排出，金留在滤饼(金泥)中。达到一定重量的 滤饼被送往精炼工序进一步提金。
[0004] 合理的湿法冶金工艺流程是确保矿石中金有效回收利用、企业获得高收益回报的 基本前提。然而，在实际生产过程受到外部环境干扰及不确定因素的影响时，操作变量(如， 氰化钠流量，锌粉流量等）将逐渐偏离生产初期设定的最优工作范围，导致过程运行状态发 生退化。过程运行状态的优劣与企业综合经济指标密切相关。较好的过程运行状态意味着， 生产过程保持在当前生产操作条件下运行，企业将获得较高的综合经济收益。另外，由于初 始条件(矿石中各个金属的品位、矿石粒径、矿石处理量等）的差异，操作变量的工作范围也 不同，即湿法冶金过程具有多模态特性，每种初始条件对应着一种模态，每种模态的最优综 合经济指标也不尽相同。由于黄金的经济价值极高，识别湿法冶金过程操作模态，并及时、 准确的掌握该模态下生产过程的运行状态，对于提高企业生产效率和经济效益、便于生产 调整具有重要的实际意义。
[0005] 目前，国内外对湿法冶金工业的研究较少，自动化水平也不高，理论研究也只停留 在对工艺研究及动力学研究的层面上，未见针对湿法冶金过程运行状态在线评价的研究报 道。工厂所采用的评价方法是根据离线分析、化验及测量数据，确定操作模态，在一个生产 周期(通常以天、月、年等为单位）结束后，根据各项生产指标(氰化钠消耗总量、锌粉消耗总 加量、浸出率、置换率、矿石处理量、金泥品位等）统计出一个综合经济指标，以此衡量在该 操作模态下这一生产周期内过程运行状态的优劣，并根据此评价结果对下一个生产周期进 行适当的调整，以获得更好的经济收益。这种做法的缺点是，评价结果严重滞后与实际生 产，且只能为下一生产周期提供操作指导，对已经完成的生产周期却无能为力；操作模态的 识别通常依赖于一些离线测量化验等手段，无法在线实施；另外，操作工主要依靠各自的生 产经验调节操作点，难以确保下一生产周期过程运行状态的改进。因此必须寻求适当的方 法，本发明提供了适用于湿法冶金过程运行状态在线评价的方法。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的，是提供一种湿法冶金过程运行状态在线评价方法，根据过程特性 在线识别过程所属的操作模态，并实时评价过程运行状态，当运行状态不优时，结合非优原 因及生产经验给出操作指导。
[0007] 本发明的目的是提供一种用于金湿法冶金生产过程运行状态在线评价的方法，能 解决如下问题： ① 利用可测过程信息在线识别生产过程所属的操作模态，为获得准确可靠的在线评价 结果提供保障； ② 为实际生产操作及管理人员实时提供湿法冶金生产过程运行状态信息，确保企业 生产效率和经济效益； ③ 在生产过程运行状态不优时，自动追溯其原因，为操作工提供合理可靠的操作指导 建议； ④ 提供实时的评价结果，避免人工评价的滞后问题，并及时对当前生产周期过程运行 状态做出适当调整。
[0008] 本发明采用的装置包括湿法冶金过程运行状态评价系统、上位机、PLC、现场传感 变送部分。其中现场传感变送部分包括浓度、压力、流量等检测仪表。在湿法冶金过程现场 安装检测仪表，检测仪表将采集的信号通过Profibus-DP总线送到PLC，PLC通过以太网定时 将采集信号传送到上位机，上位机把接受的数据传到湿法冶金过程运行状态评价系统，进 行过程运行状态实时评价，并提供生产操作指导建议。
[0009] 本发明装置的各部分功能： ① 现场传感变送部分：包括浓度、压力、流量等检测仪表由传感器组成，负责过程数据 的采集与传送； ② PLC :负责把采集的信号A/D转换，并通过以太网把信号传送给上位机； ③ 上位机：收集本地PLC数据，传送给湿法冶金过程运行状态评价系统，并提供生产操 作指导建议； 本发明所提供的湿法冶金过程运行状态在线评价方法包括：（1)离线数据的模态识 别、（2)评价模型的建立、（3)过程操作模态的在线识别、（4)过程运行状态的在线评价、（5) 运行状态非优原因追溯等步骤。
[0010] (1)离线数据的模态识别 本发明选择的能够影响过程运行状态的过程变量包括： 4 : 一浸氰化钠流量； :-浸氰根离子浓度1 ; A :-浸氰根离子浓度2 ; A : -浸空气流量； :-浸溶解氧浓度； A :二浸氰化钠流量； % :二浸氰根离子浓度1 ; A :二浸氰根离子浓度2 ; 4 :二浸空气流量； :二浸溶解氧浓度； Αι :-次压滤板框压滤机液压压力； :二次压滤板框压滤机液压压力； :锌粉添加量； :贫液中金离子浓度； 本发明采用长度固定的切割窗口作为分析的基本单元。首先选取长度为//的窗口，变 量//定义为"最小稳定模态长度"，是根据经验选取的可以涵盖相同稳定模态过程特性的最 短运行时间长度。将离线数据划分成一系列长度为//的窗口，提取每个窗口的负载矩阵Λ 通过定量评估各窗口矩阵/7与稳定模态的代表/7的相似度，从中揭示过程潜在特性沿着时 间方向的发展变化，进而判断每一个稳定模态的范围。如果两个窗口特征矩阵的相似度大 于给定的稳定模态阈值，认为这两个窗口内的数据属于同一个稳定模态；反之，如果窗口 的相似度小于定义的阈值，则认为这两个窗口的数据蕴含的过程特性不可以用一个模型描 述，过程模态发生变化。
[0011] 将建模数据表示为最常用的二维矩阵形式
【权利要求】
1.金湿法冶金过程运行状态在线评价方法，包括浸出、洗涤、置换工艺，其特征在于： 通过计算在线数据与各个性能等级过程特征的相似度，实现金湿法冶金过程运行状态的在 线评价，并且在过程运行状态不优时，自动识别其原因，为实际生产过程提供有价值的指导 建议，算法包括离线数据的模态识别、评价模型的建立、过程操作模态的在线识别、过程运 行状态的在线评价、运行状态非优原因追溯步骤； 1)离线数据的模态识别 采用长度固定的切割窗口作为分析的基本单元；提取每个窗口的负载矩阵 P，通过定量评估各窗口矩阵J*与稳定模态的代表p的相似度，从中揭示过程潜在特性沿 时间方向的发展变化； 将建模数据表示为二维矩阵形式X,对I·沿采样方向采用滑动窗口//进行分割；窗 口的滑动步长为仏得到
利用PCA提取每个窗口内过程变量之间的相关性信 息，以第一个窗口的负载矩阵瑪作为稳定模态的参考负载矩阵;通过比较每个窗口与 参考窗口过程特性的相似度来识别稳定模态；定义负载矩阵与参考窗口负载矩阵的相似 度：
其中，和·Pj-Ja?分别是矩阵A和*的第列向量； 假设从第尤个窗口开始，负载矩阵在与上一个参考窗口的相似度小于阈值时，表示过 程进入下一个稳定模态，令巧为新的参考负载矩阵，重复上述过程直至完成所有离线数据 的归类； 假设初步识别出稳定模态的种类有种，分别对应的负载矩阵为
，利 用相似度/1作为度量两种稳定模态相似程度的指标，利用聚类算法对G种负载矩阵黑进 行聚类；具体聚类步骤如下： ① 选择瑪作为聚类的第一个中心，计算其余每一个稳定模态负载矩阵与乓的相似度 /1 ;如果第c个负载矩阵巧与的相似度，则第c类稳定模态数据与第一类稳定模 态数据为同一种稳定模态；如果，则第c类稳定模态数据与第一类稳定模态数据不 是同一类稳定模态；依次计算每一类稳定模态与第一类稳定模态的相似度后，得到第一类 稳定模态新的建模数据不； ② 除去4以及与瑪相似的负载矩阵，顺次从剩下的负载矩阵中选出一个负载矩阵作 为聚类的第二个中心，依此判断剩余每一个稳定模态负载矩阵与新聚类中心的相似度，与 相似度阈值α比较以后，得到第二类稳定模态新的建模数据; ③直至所有的负载矩阵重新归类到新的稳定模态后，聚类算法结束，e种负载矩阵聚 类得到&种新的稳定模态，对应每一种新稳定模态的建模数据是
2) 评价模型的建立 本发明利用T-PLS在提取过程数据特征的同时去除冗余过程信息，建立评价模型； 利用过程知识从稳定模态
中选取表征不同性能等级的过程数据 和与其对应的综合经济指标Z，构成性能等级建模数据
，其中为性 能等级数；利用T-PLS算法分别建立每个性能等级的评价模型：
其中，<y, 分别为模态e中性能等级s的主元得分向量或矩阵，jC. y, J匕， 尤为负载矩阵，t为残差矩阵；且有：
其中
；将
作为模态￡中性能 等级s的评价模型，用于过程运行状态的在线评价； 3) 过程操作模态的在线识别 采用模态转换频度的概念，对应最大转换频度的模态被认为是最可能出现的稳定模 态；综合在线连续《个采样数据的识别结果，即从第个采样到第A个采样，对在 线模态进行识别判断；在线模态识别包括5步： 第一步：在线初步识别；采用第仏-?)时刻的模型对从第采样时刻到第左采 样时刻的连续《个在线数据进行过程监测； 第二步：初步识别结果分析；如果《个在线数据并没有连续出现故障报警，说明第 (左-?+1)采样时刻过程运行正常，并且该时刻过程的模态类型与第仏-?)时刻一致；否 贝1J，说明模态在第认-ω+l)时刻发生改变，过程进入新的操作模态； 第三步：模型选择过程；过程从第认-ω+l)时刻进入新模态，分析仏-?)时刻的模态 类型，重新选择认-ω+l)时刻对应的模型对过程进行监测；因为模态转换频度由大到小代 表了模型转换可能性的由高到低，所以根据转换频度的从大到小依次选择对应的稳定模态 模型，并利用该模型依次对从采样时刻到第Α个采样时刻的连续《个在线数据 重新进行过程监测； 第四步：在线模态识别结果；如果《个在线数据并没有连续出现故障报警，说明实际 生产过程恰好运行于该模态；否则，如果连续《个在线数据全部超出统计量控制限，说明 当前模型不能描述新模态的过程特性，按照概率顺序继续选择下一类模态模型进行过程监 测；依次选择所有可能的模型对过程进行监测，如果所有模型都不能涵盖新模态的过程特 性，说明过程进入的新模态是无法识别的模态，需要人工经验来支持进一步的区分；如果匹 配成功，选用新的模型继续对过程进行监测，并且认为过程运行于该操作模态； 4) 过程运行状态的在线评价 在线评价时，通过计算在线数据信息与当前操作模态各个性能等级的相似度，以评价 当前生产过程的运行状态；在线评价步骤如下： ① 在时刻fc时，构造在线数据窗口.
② 利用模态e中各个性能等级离线建模数据的均值和标准差分别对标准化处 理，并将标准化后的数据记为1=; ③ 计算的得分向量：
④ 计算在线数据与性能等级$的距离：
其中，
的样本数；由T-PLS性质 可知，ζτ=〇 ·因此，
⑤ 计算在线数据与性能等级的过程特征相似度: 如果
如果
并且有
⑥ 评价规则： 情形1:如果 _ ，表示当前过程运行于性能等级
为相
似度阈值； 情形2 :如果情形1不满足，但存在连续^个相似度递减，S卩
说明生 产过程正处于从一个性能等级向另一个性能等级的渐变过程；如果在线数据同时与多个性 能等级均满足上述条件，则按如下方式确定实际生产过程最有可能到达的性能等级：
表示当前过程正在向性能等级P渐变； 情形3 :如果上述两种情形都不满足，则生产过程可能受到一些不确定因素干扰，评价 结果与前一时刻的结果一致； 5)运行状态非优原因追溯 本发明提供一种基于变量贡献的非优原因识别方法；通过计算过程变量对相似度指标 的贡献，找出贡献相对较大的过程变量，那么这些变量就是最有可能导致过程运行状态不 优的原因变量；在原因追溯结果的基础上，操作工可以结合自身的生产经验选择合适的调 整策略； 将在线数据到最优性能等级的距离进行如下分解：
其中，*表示最优性能等级，#是《?的第』个元素；为在线数据第个变量 的均值；那么，变量_/对<^的贡献定义为：
2.根据权利要求1所述的金湿法冶金过程运行状态在线评价方法，在金湿法冶金过程 中实施，其特征在于： 该流程包括浸出、洗涤和置换工序；过程检测系统主要由浓度检测、压力检测、流量检 测构成； PLC控制器采用Simens 400系列的CPU 414-2,具有Profibus DP 口连接分布式10 ;为 PLC配备以太网通讯模块，用于上位机访问PLC数据；PLC控制器和以太网通讯模块放置在 中央控制室中的PLC柜中； 上位机选用i7联想计算机，采用WINDOW XP操作系统； 运行状态评价系统运行在i7联想计算机上，采用C# 2008编程软件，运行状态评价算 法米用Matlab 2010a编程软件； PLC与运行状态评价系统的信号传送软件是采用C# 2008编程软件； 在湿法冶金过程现场安装检测仪表，检测仪表将采集的信号通过Profibus-DP传送到 PLC中，PLC定时将采集信号通过以太网传送给上位机，上位机把接受的数据传给过程运行 状态评价系统进行运行状态的实时评价，并提供操作指导建议； 第一步、离线数据的模态识别：将离线数据切割成多个等长的数据窗口，提取每个窗口 的负载矩阵，通过比较每个窗口与参考窗口过程特性的相似度来识别稳定模态，并将同一 稳态数据进行归类； 第二步、评价模型的建立：根据过程知识，从每个稳定数据中选取对应不同性能等级的 建模数据，利用T-PLS算法建立每个性能等级的评价模型； 第三步、过程操作模态的在线识别：利用模态转换频度的概念，从最有可能的操作模态 开始，对在线模态进行识别判断； 第四步、过程运行状态的在线评价：采集实时生产数据，通过计算在线数据特征与各个 性能等级特征的相似度：T，实时评价过程运行状态； 第五步、运行状态非优原因追溯：统计各个过程变量对相似度距离的贡献
,贡献较大的那些变量被认为是导致运行状态非优的原因变量； 第六步、根据定量的原因追溯结果，并结合操作工人及生产管理者的生产经验，选择合 适的操作调整策略，改善过程运行状态。
【文档编号】G06Q50/04GK104062953SQ201410258092
【公开日】2014年9月24日 申请日期:2014年6月12日 优先权日:2014年6月12日
【发明者】王福利, 常玉清, 刘妍, 王姝 申请人:东北大学