基于S7-300 PLC的乳化炸藥生產(chǎn)線智能化聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)

吳建進(jìn)

（云南安化有限責(zé)任公司，云南 昆明，650301）

目前，我國(guó)乳化炸藥生產(chǎn)仍以固定生產(chǎn)線生產(chǎn)方式為主。雖然乳化炸藥生產(chǎn)線已引入自動(dòng)化、智能化控制技術(shù)，但大多局限于各工序的流量、溫度、壓力的監(jiān)控與安全連鎖控制，制藥、裝藥、包裝工序間的產(chǎn)能匹配聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)鮮有報(bào)道[1-2]。依據(jù)工信部“十二五”規(guī)劃和《關(guān)于提升工業(yè)炸藥生產(chǎn)線本質(zhì)安全生產(chǎn)水平的指導(dǎo)意見(jiàn)》，為切實(shí)保障工業(yè)炸藥大產(chǎn)能生產(chǎn)線安全性、可靠性，針對(duì)試驗(yàn)示范線設(shè)計(jì)了基于S7-300 PLC的智能聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)。將水相油相配料、制藥、裝藥、機(jī)器人包裝等工序的控制系統(tǒng)整合在一起，關(guān)鍵數(shù)據(jù)都采集到主控制器S7-300 PLC中集中處理，生產(chǎn)環(huán)節(jié)的任何工序出現(xiàn)故障，與之對(duì)應(yīng)的上級(jí)工序和下級(jí)工序都將自動(dòng)實(shí)現(xiàn)能力匹配避免因物料堆積、設(shè)備空轉(zhuǎn)等造成的安全隱患，完成全線一體化控制。

1 系統(tǒng)組成

1.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

系統(tǒng)硬件包括制藥-裝藥區(qū)域和冷卻輸送-包裝區(qū)域兩大系統(tǒng)，如圖1～2所示，主要由動(dòng)力系統(tǒng)、氣動(dòng)閥門(mén)等執(zhí)行機(jī)構(gòu)、流量計(jì)等傳感器、高速 PLC控制系統(tǒng)等設(shè)備組成。PLC經(jīng)過(guò)編程控制和連鎖保護(hù)、智能匹配，使設(shè)備可靠運(yùn)行，工藝得以精確實(shí)現(xiàn)，通信網(wǎng)絡(luò)采用工業(yè)以太網(wǎng)、PROFIBUS-DP總線[3]和高速光纖技術(shù)，保證上下工序數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、有效性。

圖1 生產(chǎn)線制藥-裝藥區(qū)域硬件連接圖Fig.1 Hardware connection of emulsion producingcharging house

圖2 生產(chǎn)線冷卻輸送-包裝工房設(shè)備Fig.2 Hardware connection of cooling conveyor-packing house

1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

在乳化制藥工藝過(guò)程[4]中，系統(tǒng)軟件控制具體如下：（1）系統(tǒng)通過(guò)產(chǎn)能參數(shù)自動(dòng)設(shè)定水、油相流量，防止工藝配方人為修改，確保產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定。（2）油相流量按配方自動(dòng)匹配水相流量，有效提高產(chǎn)能效率，避免管路堵塞造成的危害。（3）水相流量、油相流量的閉環(huán) PID控制[5-6]。（4）系統(tǒng)根據(jù)裝藥速度和流量計(jì)數(shù)值實(shí)時(shí)調(diào)整以確保敏化劑的實(shí)際加入量，自動(dòng)跟蹤裝藥機(jī)的速度。（5）包裝-裝藥-乳化全線產(chǎn)能智能匹配，聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)智能調(diào)整工序間產(chǎn)能，實(shí)現(xiàn)隨機(jī)動(dòng)態(tài)匹配，保障產(chǎn)能動(dòng)態(tài)平衡。

2 智能化聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的理論依據(jù)

2.1 乳化、裝藥及包裝區(qū)域的智能聯(lián)動(dòng)

智能控制是一種無(wú)需人的干預(yù)就能夠自主地驅(qū)動(dòng)智能機(jī)器實(shí)現(xiàn)其目標(biāo)的自動(dòng)控制[7]。本文所設(shè)計(jì)的智能聯(lián)動(dòng)控制是以S7-300 PLC控制系統(tǒng)為平臺(tái)，來(lái)實(shí)現(xiàn)乳化炸藥生產(chǎn)線全線從乳化、裝藥、包裝各區(qū)域聯(lián)動(dòng)的一種無(wú)需人為干預(yù)、全局級(jí)的、自適應(yīng)調(diào)節(jié)控制模式。

生產(chǎn)線全線智能化聯(lián)動(dòng)調(diào)整過(guò)程通過(guò)控制系統(tǒng)自動(dòng)采集并在PC上監(jiān)控生產(chǎn)線上每個(gè)環(huán)節(jié)、每項(xiàng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)信號(hào)。生產(chǎn)運(yùn)行中，當(dāng)某區(qū)域設(shè)備故障或需要調(diào)節(jié)產(chǎn)能等情況發(fā)生時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)發(fā)送信號(hào)給控制器，系統(tǒng)根據(jù)所制定的控制策略向其上級(jí)工序和下級(jí)工序發(fā)送控制命令，相應(yīng)區(qū)域則根據(jù)該區(qū)域的聯(lián)動(dòng)控制策略分析、計(jì)算后控制相應(yīng)設(shè)備完成調(diào)整動(dòng)作。

乳化、裝藥及包裝區(qū)域智能化聯(lián)動(dòng)主要體現(xiàn)在：當(dāng)包裝速度加快或減慢時(shí)，系統(tǒng)控制裝藥速度加快或減慢，并與包裝速度匹配；當(dāng)裝藥速度加快或減慢時(shí)，乳化區(qū)域自動(dòng)提高或降低產(chǎn)能，與之匹配；當(dāng)包裝停止時(shí)，裝藥和乳化進(jìn)入停機(jī)程序；當(dāng)乳化停止時(shí)，裝藥延時(shí)停止；當(dāng)裝藥停止時(shí)，包裝延時(shí)停止；正常運(yùn)行時(shí)，包裝、裝藥、乳化根據(jù)控制策略自我調(diào)控，維持運(yùn)行。

2.2 智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析

安化乳化炸藥試驗(yàn)示范生產(chǎn)線智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)一改以往單一的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)地將各系統(tǒng)串聯(lián)來(lái)進(jìn)行控制的方式，采用多點(diǎn)并行的方式，如圖3所示。

以往控制器通過(guò)總線將各工序進(jìn)行聯(lián)動(dòng)，包裝工序中各設(shè)備聯(lián)動(dòng)為通過(guò)串聯(lián)結(jié)構(gòu)方式實(shí)現(xiàn)控制，其可靠性計(jì)算為：

式（1）中：Ra為系統(tǒng)可靠度；Ri為第i單元可靠度。而智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)將各工序各設(shè)備改為并聯(lián)結(jié)構(gòu)方式，其可靠性計(jì)算[8]為：

式（2）中：Ra為系統(tǒng)可靠度；Ri為第i單元可靠度。

圖3 智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)可靠性分析Fig.3 Analysis of linkage-control system reliability

理想情況下，若設(shè)備可靠度為 0.9，則包裝區(qū)域可靠度為0.8817，現(xiàn)在改為并聯(lián)結(jié)構(gòu)后可靠度提高為0.9999。智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)多點(diǎn)聯(lián)動(dòng)方式，不僅充分發(fā)揮S7-300 PLC的復(fù)雜大數(shù)據(jù)處理能力，而且很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。

3 智能化聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 系統(tǒng)功能試驗(yàn)

為了驗(yàn)證系統(tǒng)功能、實(shí)時(shí)性和統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)使用后對(duì)生產(chǎn)線設(shè)備故障率、最大產(chǎn)能持續(xù)效率的提升，對(duì)全線智能聯(lián)動(dòng)進(jìn)行了試驗(yàn)，如表1所示。

表1 包裝-裝藥-乳化過(guò)程產(chǎn)能聯(lián)動(dòng)試驗(yàn)Tab.1 The example of capacity linkage for packing-charging-emulsion process

實(shí)驗(yàn)?zāi)M包裝區(qū)域封箱機(jī)器人發(fā)生故障時(shí)，根據(jù)智能控制策略，系統(tǒng)對(duì)故障進(jìn)行判斷并計(jì)時(shí)。由表1可見(jiàn)，當(dāng)故障時(shí)長(zhǎng)超過(guò)A項(xiàng)時(shí)間，系統(tǒng)一方面降低冷卻輸送線各皮帶速度，一方面減少 20%的裝藥機(jī)速度，乳膠泵轉(zhuǎn)速減低為108.5r/min，乳膠供應(yīng)百分比減少9%，敏化劑加入速度同步匹配調(diào)整；與此同時(shí)，乳化區(qū)域中產(chǎn)能與裝藥區(qū)域和包裝區(qū)域動(dòng)態(tài)匹配，該區(qū)域產(chǎn)能隨之減少為5 450kg/h，水、油相流量也隨之降低為90.83kg/min、9.17kg/min，并且上位機(jī)中提示故障和參數(shù)變化信息。此時(shí)若故障恢復(fù)，則系統(tǒng)按工藝順序依次恢復(fù)產(chǎn)能，值得一提的是輸送皮帶速度會(huì)分級(jí)提速，即先恢復(fù)80%速度運(yùn)行一段時(shí)間后再逐漸恢復(fù)全速，從而避免產(chǎn)能提高時(shí)造成某區(qū)段的藥卷量比較集中，出現(xiàn)堆料、堵料的情況。當(dāng)故障時(shí)間持續(xù)超過(guò)C項(xiàng)時(shí)，輸送線皮帶、乳膠泵、裝藥機(jī)等會(huì)相應(yīng)延時(shí)停機(jī)，同時(shí)乳化區(qū)域按工藝停機(jī)順序聯(lián)鎖停止；重新恢復(fù)生產(chǎn)時(shí)，系統(tǒng)先將冷卻輸送水池中所殘存的藥量送出后，即可按照工藝順序恢復(fù)生產(chǎn)。整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中全線產(chǎn)能聯(lián)動(dòng)智能匹配如圖4所示，同時(shí)驗(yàn)證了包裝產(chǎn)能降低至5t/h時(shí)，裝藥速度和乳化產(chǎn)能動(dòng)態(tài)調(diào)整為5t/h；當(dāng)包裝產(chǎn)能恢復(fù)7.2t/h時(shí)，裝藥速度和乳化產(chǎn)能恢復(fù)；當(dāng)二次降低裝藥產(chǎn)能時(shí)，包裝和乳化區(qū)域產(chǎn)能也隨之二次降低。系統(tǒng)很大程度上提高了生產(chǎn)的連續(xù)性，滿足工信部安[2012]301號(hào)文件《關(guān)于提升工業(yè)炸藥生產(chǎn)線本質(zhì)安全生產(chǎn)水平的指導(dǎo)意見(jiàn)》中全線所有工序間實(shí)現(xiàn)智能傳輸，制藥、混藥、裝藥、包裝等工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化及智能化運(yùn)行的要求。

圖4 包裝-裝藥-乳化過(guò)程產(chǎn)能動(dòng)態(tài)平衡示意圖Fig.4 Dynamic equilibrium of packing-charging-emulsion process capacity

3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)及效率對(duì)比

表2中就安化乳化炸藥生產(chǎn)線、廣東天諾有限公司興寧分公司（以下簡(jiǎn)稱“興寧”）乳化炸藥試驗(yàn)示范生產(chǎn)線智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的主要聯(lián)動(dòng)控制性能進(jìn)行了比對(duì)。表2中聯(lián)動(dòng)設(shè)備數(shù)可達(dá)32臺(tái)，保證生產(chǎn)線主要關(guān)鍵設(shè)備的聯(lián)動(dòng)接入控制；且控制方式采用一種軟調(diào)整、軟關(guān)閉控制模式，為生產(chǎn)線設(shè)備間聯(lián)動(dòng)和產(chǎn)能調(diào)整提供緩沖空間，產(chǎn)能可實(shí)現(xiàn)多選擇、多階段匹配，減少頻繁減產(chǎn)、停機(jī)帶來(lái)的影響，提高設(shè)備的使用壽命和生產(chǎn)連續(xù)性。

表2 系統(tǒng)對(duì)比說(shuō)明Tab.2 The system performance comparison

安化智能聯(lián)動(dòng)自調(diào)試使用半年以來(lái)各方面的效率對(duì)比見(jiàn)表3。由表3可知，智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)很大程度上提高了生產(chǎn)線各方面的效率。有效降低了藥卷堆積和堵料問(wèn)題，減輕了操作人員的操作壓力及工房操作人數(shù)，其中最大產(chǎn)能持續(xù)時(shí)間提高 7.4%，直接經(jīng)濟(jì)效益可新增800萬(wàn)元左右，返工品回收明顯下降，有效節(jié)約成本，保證了藥品質(zhì)量穩(wěn)定。

表3 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)效率對(duì)比Tab.3 Linkage-control system efficiency comparison

表4 聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)控制實(shí)時(shí)性Tab.4 Linkage-control system prescription

聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集設(shè)備狀態(tài)，實(shí)時(shí)（Real Time）是指信號(hào)的輸入運(yùn)算和輸出都要在一定時(shí)間內(nèi)完成，據(jù)生產(chǎn)過(guò)程工況及現(xiàn)場(chǎng)情況變化及時(shí)處理，見(jiàn)表4。從表4可知，包裝工房設(shè)備故障，相應(yīng)工序控制系統(tǒng)將在短時(shí)間內(nèi)對(duì)不同故障信息進(jìn)行響應(yīng)和動(dòng)作，完全可以滿足生產(chǎn)持續(xù)性要求并保證控制實(shí)時(shí)性。

圖5所示為安化智能聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)實(shí)施情況，包括上位機(jī)監(jiān)控、聯(lián)動(dòng)控制平臺(tái)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示以及人工聯(lián)動(dòng)操作平臺(tái)。系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和實(shí)施，解決了乳化炸藥生產(chǎn)線動(dòng)態(tài)產(chǎn)能聯(lián)動(dòng)匹配問(wèn)題，積累了各設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的數(shù)據(jù)及設(shè)備出現(xiàn)故障前后的產(chǎn)能匹配數(shù)據(jù)，為今后生產(chǎn)線智能化、信息化發(fā)展奠定了一定的基礎(chǔ)。

圖5 系統(tǒng)運(yùn)行截圖Fig.5 Preview and running snap of the system

4 結(jié)語(yǔ)

本文以 PLC智能控制理論為指導(dǎo)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)示范生產(chǎn)線智能化聯(lián)動(dòng)、動(dòng)態(tài)產(chǎn)能匹配、全線自動(dòng)控制功能。使用實(shí)踐表明該系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，實(shí)際運(yùn)行效果良好，能很好地滿足生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際需求。

[1] 周康波,周小溪,周柯宇. 乳化炸藥生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦爆破,2012(2):12-16.

[2] 孫永波,仲峰.乳化炸藥生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)狀和發(fā)展方向[J].爆破,2010,27(3):98-100.

[3] 姜建芳.西門(mén)子S7-300/400 PLC工程應(yīng)用技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2012.

[4] 楊啟堯,王越勝. PLC在HLC型乳化炸藥連續(xù)生產(chǎn)線中的應(yīng)用[C]//中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)華東地區(qū)第十七屆學(xué)術(shù)年會(huì)會(huì)議論文集.杭州:中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì),2004.

[5] 何春輝,張宇馳.乳化炸藥生產(chǎn)中油水相流量自校正 PID 控制器的設(shè)計(jì)[J].礦冶工程,2011,31(3):5-7.

[6] Nie H F, Li X P, He Y. Temperature control system with multiclosed loops for lithography projection lens[J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2009, 22(2): 207-213.

[7] 張國(guó)忠.智能控制系統(tǒng)及應(yīng)用[M].北京:中國(guó)電力出版社，2007.

[8] 馬文·勞沙德.系統(tǒng)可靠性理論:模型、統(tǒng)計(jì)方法及應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2010.