案例研究: Mogale金矿 OPTO 控制系统在南非尾矿处理系统中的应用
背景
尾矿是矿石开采后被碾磨的余渣。这些尾矿必须以符合成本的环保要求存储处理。尾矿库和尾矿坝以及其他堆放方式都是如今比较常见用的堆放方式。 然而， 这些都构成了严重的环境问题，这是由于尾矿经常含有微量的、有时甚至是大量的只能在主矿中找到的金属， 以及含有大量的化学品、和在采矿过程中所使用的大量的化合物 。因此，建立和维护尾矿堆放场对于矿业公司是重要的支出成本。
一种新的策略： 尾矿再加工
从以往来看，由于要求粉碎、研磨和冶金处理， 选矿工艺效率低下，有些有价值的金属物质会残留在余渣中。 但最近， 改进的开采技术和不断增长的黄金价格已经打开了市场机遇，使许多矿业公司收购老的矿场、并在尾矿上使用冶金技术来得到残余的黄金。
南非的Mintail矿业有限公司目前重点研究，评估和处理位于Witwatersrand的成千上亿吨的含金的尾矿。在该地区，据专家称，已开产的金矿占全世界开采量的40%。黄金回收利用的方法从来没有100%的有效，因此自动化和控制技术在提高冶金制作工艺上正起着重要的作用。在Opto控制系统集成商的帮助下，每月该地区都能在尾矿中收集到大量的有价值的金属。 同时，通过这种处理， 公司正在减少土地的消耗和有碍观瞻的垃圾场来积极改善环境。
尾矿堆的整个外景
Opto 控制
Opto 控制公司是一个已经超过10年的，且在工业自动化，远程监控，及数据采集与应用方面的硬件及软件的供应商和集成商。专业于解决使用Opto 22 的部件和系统， Opto 控制涉足广泛的项目和工业解决方案，包括过程控制和安全，印刷生产监控，及工厂自动化。 公司总裁Mike Harrison和过程控制及编程工程师Adam Carless率领一个小组，为Mintails’ Mogale Sands Plant (“Mogale Gold.”)的尾矿处理构建自动化系统。这个系统与现场设备及仪器仪表进行通讯，监测，控制和采集数据， 同时也管理一些机械和化学的处理，从而从尾矿中分离出黄金 。Opto 控制系统的重要组成部分包括Opto 22基于机架式的独立可编程自动化控制（PAC）和处于各地区金矿的尾矿库处理厂现场的I/O站。
Harrison解释说“起初，这些控制器将通过光纤电缆进入网络，但是Mintails管理层最后决定为Mikro Tik设计一套无线解决方案，以此避免挖掘地沟及铺设电缆。”
MikroTik的平台特征包括基于Linux的操作系统、全方位天线、和802.11（a/b/g/n）在工业频率范围、科学及医用频段（ISM）内的无线通信能力。系统也具备网络划分力，数据传输速度可达350Mbps，传输范围轻松的覆盖了Mogale站点与控制器间的平均距离（约150米）。
尾矿处理
尾矿处理先从从矿井泵水送至尾矿堆放场，那里作冲洗及制造泥浆。
Opto 控制系统管控泵每小时抽取约600立方米的水，控制器将数据传输到数字输出模块，用于启停水泵、以及改变管道内的阀门驱动器状态；而输入模块采集流量反馈情况、水位开关、和差分压力传感器的数字，以保证水泵正常工作。
Harrison说：“我们也用电磁流量计检测与监控流量，模拟输入模块得到从流量计反馈的数据”，“这些流量计没有运动机件（故障率性低且适用于抽取脏水）。
多数I/O模块是8、16、32通道的高密度模块，可显著节省成本并节省机架的空间。然而在一些案例中，Harrison决定实用Opto 22 I/O产品较早期的G4系列，它的每个模块都可导通更高额定电流（达3安培），事实证明对于驱动大型任务的电动机及水泵，这是个更好的选择，就像在Mogale金矿区一样。
当水被抽取上来，大型喷水口喷射水，所形成的泥浆重回矿井。泥浆通过一系列的筛选，过滤掉残屑及其他矿物。
炭浸法与洗脱
“溶浸”指的是冶金提取，它是种化学处理，通过边溶解边从固体变为液体的转移中分离尾矿。接着，融化的金子转变成浓缩的固态。在吸收并融化金子成为活性炭后处理被完成。这种炭的形式非常易于渗透（一克炭的表面积可以达到小型停车场大小），这使它更适合吸收金子。
在洗脱阶段，通过腐蚀性物质及氰化物的化学混合去除金子表面的炭。通过操作人员的指令，Opto Controls系统打开了必要的阀门，启动一系列进水泵，开始输送水，腐蚀性物质（氢氧化钠）及氰化钠进入洗脱罐。启动大型柴油燃烧机，氰化物解决方案是通过热量交换不断循环，温度控制在80-90°C，这套解决方案为洗脱罐提供原料。Opto Controls系统在这些过程中占据重要的角色。
Harrison解释道：“在这个工程中有多种设备及许多类型的仪器，我们的系统连接到监测器和（或者）控制器，几乎包括所有的这些东西：提供腐蚀性物质及氰化物原料供给泵的电动机、压力指示器、存储罐温度探针、空气阀、流量计”。变速器（VSD）是特别重要的环节，它是调控泵的电动机。为了确保设备运行在最佳状态，保持适当流量，Carless已设立了许多PID回路。
PID 控制
通过PID回路控制，过程变量与设定的期望值之间的误差能被计算出来，控制器通过调节程控制输出，将误差最小化。Mogale金矿项目中，之间所需的流速和实际流速的误差被测量，两者的不一致可通过控制器校正，然后通过连续调节VSD速度的模拟输出模块通信，调节泵的运作。
人机界面屏幕详细介绍了尾矿再加工洗脱过程
工程师Adam Carless设计在Mogale金矿过程编程中处理PID调节的温度和流量。
分布式架构
显而易见，PID回路控制无需Opto 22控制器控制其运算，但是可远程控制众多分散于Mogale的多机架式I/O。PID不断进行着运算，并做适当调整，从而分担控制器的一些功能到分布式架构的I/O，这将有众多好处。最重要的是，显著减少了整个系统运行的故障率，因为即使主PAC控制器故障，独立的I/O处理器将不中断地继续工作。
“对于Mogale金矿，这意味着如果一个中央控制器因某种原因掉线了，所有从PID控制的流程将继续工作，像泥浆溢出等潜在事故将被有效避免”，Carless解释道。PID控制在Mogale金矿的氰化物相关的工程中担当重任。
氰化物
在炭浆浸出与洗脱过程中，如何避免转化与释放氰化氢液体成为氰气是关键的，它是有剧毒的。氰化物通过获得自由质子转化为气态。因此，在通过Mogale金矿工程中， 通过外加碱性物质，确保氰化物质子低浓度，如添加生石灰（氧化钙），可确保PH值超10.5。
“氰化物是极其危险的，我们必须设计一些特定的工程，在无人操作下全自动运作”，Carless说道。
Opto 控制系统放置于如图的大型储油罐边上
氰化物分析仪及PH传感器与模拟输入模块相连接，它提供连续的数据采集，PID回路控制计算出所需的化学量，增加适量的石灰。为了确保安全，如果PH值低于10，氰化物将不再增加，洗脱也将自动暂停直到问题被纠正。
Opto Control系统也控制燃烧炉和用作腐蚀性物质/氰化物洗脱加热的温度监控仪，与泵一同通过CIL提取炭浆及泥浆，并计算补料。液位探头通过模拟输入模块连接到控制器进行数据通讯，当计量满了，炭浆输送会自动停止。
炭浆接着从料斗输送到脱洗罐。这一步的起停是手动的，但Harrison说最终目标是使这个过程完全实现自动化（其他大部分工艺都是人工）。
洗脱时，腐蚀性物质/氰化物洗脱金子表层，使它容易提取。用电解的方法使金子分离。该解决方案先是被测试，目的是为下一炉运作所需的腐蚀性物质及氰化物的容量作参考。氧气帮助清洁洗脱管道，残余的液体被送回洗脱罐。固体炭浆接着通过流动的水流运送到可计量的加料斗中。随着洗脱管道水流尽了，就准备下一炉运作了。
历史上，尤其是遍及南非及Rand地区，矿业对环境造成了不义的影响，在这方面Mogale项目具有纠正、弥补这种负面影响的额外优势，Mogale金矿尾矿堆除了不雅观，更是尘埃和水污染的源头。也是潜在的易泄漏流入地下水的污染物，有可能影响陆地水资源的质量。Mintails移除这些尾矿堆将减少尘埃，也可降低对地表及地下水的污染。通过清洗，Mintails有效地为遍及西兰德的土地发展提供帮助。
未来计划：Mogale二号金矿
二号金矿项目场地临近一号金矿，几乎已全部完工，工厂设施最近刚生产出首块金条。一旦可实现运营，估计Mogale二号金矿每月将需要分离35万顿尾矿。
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