基于DCS的壓伸機(jī)在線監(jiān)測(cè)與安全技術(shù)研究

牛建林　蘇志永　王鑫磊等

【摘 要】××型雙螺桿壓伸成型機(jī)是針對(duì)可再利用固體推進(jìn)劑進(jìn)行壓伸成型工藝研究而研制的一套設(shè)備。在多種火藥生產(chǎn)過(guò)程中，該設(shè)備均發(fā)揮了主要作用。但是，在連續(xù)壓藥過(guò)程中，存在著許多技術(shù)、安全問(wèn)題需要去解決，本文基于DCS控制技術(shù)存在的問(wèn)題提出了改進(jìn)措施和解決方案。

【關(guān)健詞】DCS系統(tǒng)；壓伸機(jī)；在線；監(jiān)測(cè)；控制

前言

××型雙螺桿壓伸成型機(jī)是一套專門(mén)用于可再利用推進(jìn)劑樣品擠出的雙螺桿式科研設(shè)備，該機(jī)最大的特點(diǎn)就是在螺桿結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了革新，將螺桿直徑及螺距由原來(lái)的等徑型變?yōu)榱藵u變型結(jié)構(gòu)，所以也可稱之為錐形雙螺桿壓伸機(jī)。鑒于壓伸機(jī)的雛形是從民用行業(yè)移植而來(lái)，與軍品生產(chǎn)需求存在較大差異，如何能使其民為軍用，滿足火藥生產(chǎn)條件，有諸多的問(wèn)題亟待解決，尤其是在線檢測(cè)與控制方面，否則，會(huì)給生產(chǎn)帶來(lái)燃燒、爆炸等安全隱患或事故。

一、存在的主要問(wèn)題

1.參數(shù)檢測(cè)不夠全面，且滯后；參數(shù)檢測(cè)項(xiàng)目少，只有溫度、壓力、速度、電壓等值。

2.儀表的累積誤差較大，不能正常反映生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)際情況。

3.喂料機(jī)與主機(jī)聯(lián)鎖不合理，當(dāng)主機(jī)不啟動(dòng)時(shí)，喂料機(jī)無(wú)法單獨(dú)啟動(dòng)，不能正常退料。

4.聯(lián)鎖功能不完善，主機(jī)轉(zhuǎn)速、料溫、機(jī)頭壓力超上限值不能自動(dòng)停車，不符合火藥生產(chǎn)的安全規(guī)范。

5.工藝溫度控制采用電加熱方式，不符合火藥生產(chǎn)安全規(guī)范。

6.機(jī)頭溫度、壓力傳感器信號(hào)為RTD＼V＼mV等，需要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，檢測(cè)數(shù)據(jù)會(huì)有漂移量等，造成數(shù)據(jù)失真。

7.不具備工藝數(shù)據(jù)查詢、存儲(chǔ)、打印和故障報(bào)警功能等。

8.操作、控制點(diǎn)位分散，操作員需要一看表、二聽(tīng)音、三動(dòng)手，長(zhǎng)時(shí)間工作或在疲勞狀態(tài)下容易造成操作不及時(shí)、誤操作等安全責(zé)任事故。

二、工藝控制要求

1.集中檢測(cè)與顯示：實(shí)現(xiàn)對(duì)螺桿、機(jī)頭、前錐、后錐、成型退水溫度，機(jī)頭料溫、主機(jī)電流、螺桿轉(zhuǎn)速、機(jī)頭壓力等重要參數(shù)能集中在工藝生產(chǎn)流程圖上進(jìn)行顯示。

2.聯(lián)鎖控制及時(shí)、全面：機(jī)頭壓力、機(jī)頭料溫、主機(jī)轉(zhuǎn)速超限時(shí)立即停車，如有火情應(yīng)聯(lián)鎖“下雨”，撲滅初期火災(zāi)。

3.數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)儲(chǔ)存、打?。嚎煞职啻尾樵兒痛蛴‖F(xiàn)場(chǎng)實(shí)際記錄；把操作人員從繁瑣的記錄操寫(xiě)中解放出來(lái)，同時(shí)避免了人為操寫(xiě)錯(cuò)誤或記錄不詳實(shí)等現(xiàn)象。

4.實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的集中控制：電氣設(shè)備可根據(jù)需要實(shí)現(xiàn)手、自動(dòng)切換控制；操作更加及時(shí)，便捷。

三、改進(jìn)思路

遵循《火藥生產(chǎn)工藝安全技術(shù)操作規(guī)程》，根據(jù)工藝生產(chǎn)要求，結(jié)合計(jì)算機(jī)集散控制系統(tǒng)（DCS）控制技術(shù)，對(duì)原有的檢測(cè)和控制系統(tǒng)進(jìn)行全面改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)該設(shè)備生產(chǎn)的連續(xù)在線監(jiān)測(cè)與安全控制。

1.DCS系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物之一。該系統(tǒng)的特點(diǎn)主要有：通用性強(qiáng)，系統(tǒng)組態(tài)靈活，控制功能完善，數(shù)據(jù)處理方便，顯示操作集中，人機(jī)界面友好，安裝簡(jiǎn)單規(guī)范，調(diào)試方便，運(yùn)行可靠等。在同類產(chǎn)品中，由日本橫河公司生產(chǎn)的CS3000系列DCS系統(tǒng)尤為完善。因此決定采用CENTUM-CS3000技術(shù)完成此項(xiàng)改進(jìn)工作。

2.遵照《火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設(shè)計(jì)安全規(guī)范》中對(duì)儀表控制系統(tǒng)和聯(lián)鎖裝置的要求進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)與組態(tài)，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)安全的保障。

3.實(shí)現(xiàn)工藝生產(chǎn)技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的有機(jī)融合。

四、措施實(shí)施情況

1. CENTUM-CS3000系統(tǒng)介紹

系統(tǒng)組成主要包括三個(gè)基本部分：FCS（現(xiàn)場(chǎng)控制站），HIS（人機(jī)接口站），VL net（控制總線）。

（1）現(xiàn)場(chǎng)控制站（FCS）FCS提供過(guò)程控制功能，如常規(guī)控制、順序控制、批量控制和復(fù)雜運(yùn)算等。

（2）人機(jī)接口站（HIS）HIS具有開(kāi)放的操作環(huán)境，能將DCS的功能和PC系統(tǒng)易于操作性緊密相結(jié)合，在簡(jiǎn)捷的窗口操作界面之后蘊(yùn)藏著強(qiáng)大的能力。

（3）Vnet網(wǎng)是用于連接系統(tǒng)內(nèi)各部件的實(shí)時(shí)控制的通道。

2.實(shí)施方案

（1）監(jiān)測(cè)與控制方面

①計(jì)算機(jī)配置：電源模塊、CPU模塊、以太網(wǎng)模塊均按2套配置，確保系統(tǒng)冗余可靠，安全穩(wěn)定運(yùn)行；模擬I/O模件箱3個(gè)（分設(shè)電流輸入模件AAM10和電壓輸入模件AAM11 ；MV、熱電偶和熱電阻溫度檢測(cè)模件AAM21；電流輸出模件AAM50和電流/電壓輸出模件AAM51）；CPU模塊具有大型的程序存儲(chǔ)容量，考慮了40%的余量，存儲(chǔ)器采用閃存技術(shù)；模塊上有PROFIBUS-DP主/從接口，易于以后系統(tǒng)擴(kuò)展；過(guò)程控制、監(jiān)視和故障診斷等功能設(shè)置于控制器內(nèi)，特別是智能化的診斷功能可連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)工作是否正常，并記錄錯(cuò)誤信息和特殊事件。

②根據(jù)工藝生產(chǎn)流程圖，繪制HIS界面，畫(huà)面直觀形象，操作簡(jiǎn)單快捷，各種設(shè)備、管線、數(shù)值、狀態(tài)一目了然。

③循環(huán)水系統(tǒng)采用閉環(huán)控制，通過(guò)檢測(cè)模溫機(jī)退水管路中的水溫，與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)定值進(jìn)行比較和偏差修正，輸出控制薄膜調(diào)節(jié)閥的開(kāi)度，達(dá)到改變進(jìn)水量的目的，使系統(tǒng)水溫恒定。顯示數(shù)值精確到1%，調(diào)控過(guò)程減少了人為因素的影響，滿足連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)要求。

④主機(jī)的機(jī)頭溫度、壓力由現(xiàn)場(chǎng)傳感器將4～20mA標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)直接傳送至FCS，解決了硬件接口與傳感器接口不兼容問(wèn)題，減少了信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，減低了累計(jì)誤差。

⑤主機(jī)變頻器、喂料機(jī)變頻器的轉(zhuǎn)速、電流輸出接口與FCS之間用信號(hào)線進(jìn)行實(shí)際連接，使主機(jī)轉(zhuǎn)速、主機(jī)電流、加料器轉(zhuǎn)速值均能反映現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，滿足生產(chǎn)要求。

⑥通過(guò)順控表模塊ST16，按照預(yù)先所定義的控制條件和順序來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的控制動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)了主機(jī)自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)速、主機(jī)電流、機(jī)頭壓力、機(jī)頭料溫任一指標(biāo)超限，則主機(jī)自動(dòng)停車；安全聯(lián)鎖裝置動(dòng)作之前，增設(shè)有預(yù)報(bào)警信號(hào)。

（2）安全聯(lián)鎖方面

① CS3000的安全策略——HIS安全策略和用戶安全策略

HIS安全策略：通過(guò)指定用戶屬于用戶組以及權(quán)限級(jí)別，使各用戶擁有不同的操作監(jiān)視范圍和操作監(jiān)視權(quán)限級(jí)。

用戶安全策略：通過(guò)用戶登錄和鍵盤(pán)操作方式實(shí)現(xiàn).通過(guò)設(shè)定用戶組的方式，以用戶組為單位設(shè)置操作監(jiān)視的范圍。系統(tǒng)默認(rèn)兩個(gè)組：DEFGRP、 NONEGRP。

②與環(huán)境狀況聯(lián)鎖：用紫外探測(cè)器監(jiān)測(cè)火情，一旦出現(xiàn)明火，雨淋電磁閥聯(lián)鎖動(dòng)作，開(kāi)始下雨，同時(shí)聯(lián)鎖停車，以免事態(tài)擴(kuò)散。

③設(shè)備之間相互聯(lián)鎖：當(dāng)主機(jī)停車時(shí)，喂料機(jī)自動(dòng)停車；喂料機(jī)也能單獨(dú)開(kāi)、停車，以便于清理喂料機(jī)內(nèi)的物料。

④自控用的氣源、電源發(fā)生停氣、停電故障時(shí)，安全聯(lián)鎖系統(tǒng)的最終狀態(tài)，必須保證工藝操作和運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備處于安全狀態(tài)。

⑤自動(dòng)控制系統(tǒng)中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作形式及調(diào)節(jié)器正反作用的選擇，能確保組成的自動(dòng)控制系統(tǒng)在突然停電或停氣時(shí)，仍滿足生產(chǎn)安全的要求。

⑥重要的安全聯(lián)鎖系統(tǒng)，備有不間斷的供電、供氣裝置。

⑦安全聯(lián)鎖控制系統(tǒng)除有自動(dòng)控制方式外，還有手動(dòng)控制方式（如：急停按鈕）。

（3）其它方面

①內(nèi)設(shè)或外掛硬盤(pán)等存儲(chǔ)設(shè)備，便于試驗(yàn)數(shù)據(jù)長(zhǎng)期保存。

②設(shè)有232或485通訊接口，可聯(lián)接打印機(jī)，對(duì)數(shù)據(jù)或報(bào)表、畫(huà)面打印留存或進(jìn)行事故分析。

五、結(jié)論

1.在火藥生產(chǎn)中，對(duì)雙螺桿設(shè)備進(jìn)行連續(xù)檢測(cè)與控制系統(tǒng)的安全改造是必要的，改造后提高了火藥生產(chǎn)的自動(dòng)化水平和本質(zhì)安全性，增強(qiáng)了控制的可靠性，滿足火藥生產(chǎn)的安全技術(shù)要求。

2.利用雙螺桿技術(shù)進(jìn)行可再利用火藥的壓制是可行的。

3.生產(chǎn)工藝技術(shù)與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的有效結(jié)合，會(huì)為企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和安全保障。

參考文獻(xiàn)：

[1]《火藥、炸藥、彈藥、引信及火工品工廠設(shè)計(jì)安全規(guī)范》.兵總質(zhì)[1990]2號(hào).

[2]橫河機(jī)電DCS—CENTUM CS1000/3000用戶手冊(cè)，日本橫河電機(jī)（中國(guó)）有限公司.

[3]厲玉鳴 主編.《化工儀表及自動(dòng)化》.化學(xué)工業(yè)出版社.

[4]呂春緒 主編.《爆破器材》，中國(guó)科技核心期刊.

[5]《智能控制工程及其應(yīng)用實(shí)例》. 化學(xué)工業(yè)出版社

[6]《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》.國(guó)防工業(yè)出版社.

注：

基礎(chǔ)產(chǎn)品創(chuàng)新計(jì)劃火炸藥專項(xiàng)——可再利用固體推進(jìn)劑工程化研究，項(xiàng)目編號(hào)：A2220061373 （科工局）。

作者簡(jiǎn)介：

蘇志永（1971.11-），男，學(xué)士，高級(jí)工程師，火炸藥自控技術(shù)。

王鑫磊（1986.10-）， 男，學(xué)士，助理工程師，計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

李成學(xué)（1966.11-）， 男，學(xué)士，工程師，工程管理。

李強(qiáng)，男 ，學(xué)士，工程師，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)。

王宏（1971.10-），女 ，學(xué)士，工程師，火炸藥工藝技術(shù)。