乳化炸藥生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)式主從站自動化控制系統(tǒng)開發(fā)

陳勇亮 張 欣 王燦燦

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國家工程研究中心有限公司；4.安徽恒源技研化工有限公司)

安徽恒源技研化工有限公司原有的老舊廠房和乳化炸藥生產(chǎn)工藝已經(jīng)無法滿足行業(yè)的最新要求，為有效降低乳化炸藥生產(chǎn)線操作人員的勞動強度，提高生產(chǎn)自動化水平并滿足國家工業(yè)信息化部《關(guān)于增補完善民爆生產(chǎn)線安全監(jiān)控手段的通知》(工信安函[2013]53號)的要求，在該公司原有生產(chǎn)線西側(cè)新建了一條乳化炸藥生產(chǎn)線。參照安徽江南化工集團有關(guān)“無固定操作人員智能化粉狀乳化炸藥生產(chǎn)線”的要求，為提高工業(yè)炸藥生產(chǎn)線的自動化、信息化、無人化水平，本研究對該生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)式主從站自動化控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和開發(fā)。該系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC系統(tǒng)，通過子站級聯(lián)方式擴展，并采用以太網(wǎng)的方式進行通信。對于其他廠家開發(fā)的獨立子控制模塊，系統(tǒng)通過新增網(wǎng)絡(luò)端口模塊(如三菱接口模塊、ABB接口模塊)進行銜接，統(tǒng)一由交換機調(diào)度，并通過最終的上位控制終端(組態(tài)王軟件)實現(xiàn)對整個線系統(tǒng)進行控制和調(diào)度。

1 乳化炸藥全自動生產(chǎn)工藝

安徽恒源技研化工有限公司生產(chǎn)的乳化炸藥為粉狀乳化炸藥[1-2]，主要生產(chǎn)設(shè)備為水相配比泵、油相配比泵、乳化機、螺桿泵、噴粉塔、中包機、皮帶運輸、大包機等。硝銨廠家將一定濃度的成品硝銨溶液經(jīng)由大型槽罐運輸車運至生產(chǎn)現(xiàn)場，抽存至一個75 m3的大型室外儲存硝銨大罐中，加熱保溫，并控制在適當?shù)臐舛?生產(chǎn)需要)范圍內(nèi)。當生產(chǎn)開始時，打開該大罐的放料閥，依據(jù)管道中流量計的顯示數(shù)據(jù)，累計算出需要輸送至溶化罐中的量值。油相材料配比方式相同，前提是需要生產(chǎn)廠家制備原材料，而后儲存至另一個45 m3的大型室外油罐中。準備生產(chǎn)時，需要將水溶罐中配制的原料泵送至制藥工房的水相材料儲存罐中，將油溶罐中配置的原料泵送至制藥工房的油相小儲存罐中。2種原料分別通過相應(yīng)的水、油相泵經(jīng)靜態(tài)混合器送入乳化機中進行攪拌混合，成膠后的乳化基質(zhì)進入噴粉塔霧化，除濕干燥后的粉狀炸藥經(jīng)全自動中包機稱重封包，再由長皮帶輸送至包裝工房。根據(jù)最終用戶對炸藥類型(大、小直徑藥卷)的不同需要，分為2種規(guī)格。在生產(chǎn)小直徑藥卷時，需要對制藥工房運送的中包袋裝炸藥進行二次分裝，再由小直徑裝藥機和小包機分包成所需的小直徑尺寸藥卷，裝箱后經(jīng)皮帶運輸至裝藥車、入庫；如果用戶需要大包產(chǎn)品，則直接經(jīng)該工房的皮帶運送至裝藥車。

2 自動化控制系統(tǒng)開發(fā)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計

2.1.1 設(shè)計原則

(1)實用性原則。系統(tǒng)力求實用，不采用過時淘汰的技術(shù)，注重合理的性價比[3-4]。

(2)可靠性原則。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，確保數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的準確性和穩(wěn)定性[5-6]。

(3)安全性原則。嚴格按照《民用爆破器材工廠設(shè)計安全規(guī)范》(GB 50089-98)[7]和《工業(yè)炸藥生產(chǎn)線電子監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置安全技術(shù)條件》進行設(shè)計。

2.1.2 自動化控制要求

控制系統(tǒng)中配備PLC數(shù)據(jù)采集模塊和PLC數(shù)據(jù)通信模塊，用于提取現(xiàn)場數(shù)據(jù)和各個工段的PLC數(shù)據(jù)，通過上位機控制軟件對系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進行處理來控制整個生產(chǎn)線的運行，所有參數(shù)及生產(chǎn)線各部分設(shè)備狀態(tài)信息將在上位機上進行集中輸入和顯示。乳化炸藥生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備所需加裝的數(shù)據(jù)采集點為：

(1)水、油水相輸送泵。水油相輸送泵電機電流檢測，水油相輸送泵出口壓力、流量檢測。

(2)乳化器。乳化器電機過電流保護，乳化器出口壓力檢測，乳化器出口溫度檢測，乳化器轉(zhuǎn)子軸向、徑向振動檢測，乳化器冷卻水斷流檢測。

(3)螺桿輸送泵。螺桿輸送泵電機電流檢測，螺桿輸送泵出口壓力、流量檢測。

(4)噴粉塔狀態(tài)。噴粉塔工作狀態(tài)檢測，噴粉塔空壓機狀態(tài)檢測。

(5)裝藥機。裝藥機工作狀態(tài)、每臺裝藥機正常狀態(tài)、故障狀態(tài)分類等信息。能接入控制室報警信號，進行報警，并阻止裝藥機工作。

(6)包裝系統(tǒng)。包裝機工作狀態(tài)、故障報警狀態(tài)、安全連鎖保護狀態(tài)等信息。能接入控制室報警信號，進行報警，并阻止包裝機工作。

(7)炸藥成品出廠計數(shù)實時信息。通過前端炸藥生產(chǎn)量和已包裝運出生產(chǎn)工房的炸藥量可統(tǒng)計出在線存藥量。嚴格控制在線藥量，若在線藥量即將超出規(guī)定的最大在線藥量，系統(tǒng)將報警；若在線藥量超出規(guī)定的最大在線藥量，系統(tǒng)將報警并全線停機(圖1)。

2.2 硬件配置

系統(tǒng)主控系統(tǒng)采用了1個CPU控制主站和2個西門子從站，通過交換機和其他生產(chǎn)設(shè)備交互通信，達到利用1個中央控制室監(jiān)控全線的目的。系統(tǒng)可編程控制器采用CPU314C-2PN/DP主機，共4個電源模塊，1個DI16×DC24V模塊，2個DI32×DC24V模塊，5個DO32×DC24V/0.5A模塊，7個AI8×12Bit模塊，4個A04×12Bit模塊(圖2)。根據(jù)對系統(tǒng)控制要求的分析，采用以太網(wǎng)通訊方式[8-9]，便于噴粉、裝藥、包裝等系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；其他需要聯(lián)網(wǎng)的子系統(tǒng)應(yīng)配備對應(yīng)專業(yè)的Ethernet模塊，并掛設(shè)于同一個網(wǎng)關(guān)中方可進行通信。

圖1 自動化控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件配置

2.3 軟件設(shè)計

2.3.1 現(xiàn)場運行信號監(jiān)測

系統(tǒng)上位人機界面采用北京亞控科技發(fā)展有限公司高版本組態(tài)王軟件進行開發(fā)，用戶可通過人機界面讀取系統(tǒng)運行參數(shù)及故障報警信息，統(tǒng)計生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還可以對生產(chǎn)運行及報警參數(shù)進行設(shè)定。下位監(jiān)測軟件采用西門子SIMATIC STEP 7軟件，該軟件是由SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建的可編程邏輯控制程序的標準軟件，PLC控制元件都安置于現(xiàn)場低配電室(圖3)。系統(tǒng)可將現(xiàn)場采集的模擬量信號接入模塊進行相應(yīng)換算，根據(jù)控制量的需要，輸出標準的工業(yè)信號給執(zhí)行機構(gòu)，達到理想的位置控制效果；可以對生產(chǎn)過程中設(shè)備的工作狀態(tài)、點位、通斷與否等信息進行采集，并依據(jù)控制要求，給出反饋的開關(guān)執(zhí)行位置。

圖3 自動控制系統(tǒng)軟件界面

2.3.2 數(shù)據(jù)歷史趨勢記錄和分析

系統(tǒng)可對PLC測量到的數(shù)據(jù)進行換算、記錄，并以曲線形式進行展示(圖4)。生產(chǎn)過程中可以根據(jù)需要，調(diào)取相應(yīng)的歷史曲線，還可以根據(jù)選定的時間、時段長短，清晰地展現(xiàn)該時間段內(nèi)對應(yīng)設(shè)備的工作狀態(tài)，便于設(shè)備維護。

圖4 自動化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件界面

2.3.3 水油相流量自動調(diào)節(jié)

在乳化炸藥生產(chǎn)線中，有必要根據(jù)工藝要求，合理設(shè)置水相、油相材料的比例[10]。通過安裝于對應(yīng)設(shè)備上的質(zhì)量流量計來計量流速，并將數(shù)據(jù)反饋給PLC。當乳化炸藥產(chǎn)能發(fā)生變化時，PLC根據(jù)工藝配方計算出所需要的目標流量，輸出控制開度，并反饋給控制執(zhí)行機構(gòu)——變頻器，變頻器據(jù)此調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速。

2.3.4 基質(zhì)料斗液位控制調(diào)節(jié)

系統(tǒng)基質(zhì)料斗的液位控制方法類似于水油相調(diào)節(jié)，主要取決于相應(yīng)變頻器和對應(yīng)料斗的液位，不同的是該項調(diào)節(jié)為反方向。轉(zhuǎn)速越快，料斗液位越低；轉(zhuǎn)速越慢，料斗液位越高。有必要設(shè)定安全的停車保護低值，嚴禁斷料空轉(zhuǎn)，以確保安全。

3 結(jié) 語

對安徽恒源技研化工有限公司乳化炸藥生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)式主從站自動化控制系統(tǒng)進行了設(shè)計和開發(fā)。該系統(tǒng)于2016年12月份建成并投產(chǎn)，生產(chǎn)出的乳化炸藥質(zhì)量完全達到了國家各項指標要求。目前該控制系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，為公司創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟效益，對于實現(xiàn)乳化炸藥生產(chǎn)線智能化控制、多元化平臺展示、生產(chǎn)設(shè)備遠程操作有一定的參考意義。

[1] 王永斌，裴海興，吳龍祥，等.MRB型乳化炸藥大產(chǎn)能微機控制連續(xù)化生產(chǎn)線的研究及應(yīng)用[J].爆破器材，2004(S)：1-4.

[2] 王 立，于 玲. 基于Profibus-DP總線控制的機電一體化系統(tǒng)[J].電力自動化設(shè)備，2009，29(6)：127-129.

[3] 李志峰，遲淑萍，宋仁峰.國內(nèi)外乳化炸藥現(xiàn)狀及技術(shù)發(fā)展建議[J].礦業(yè)工程，2011，9(5)：42-44.

[4] 王 璐，劉天生.低溫乳化炸藥穩(wěn)定性實驗研究[J].工程爆破，2014，20(2)：40-42.

[5] 鄔本志.對粉狀乳化炸藥生產(chǎn)工藝的淺析[J].煤礦爆破，2014(1)：14-16.

[6] 王 力，吳紅波.乳化炸藥生產(chǎn)中危險源分析及其預(yù)防措施[J].中國科技信息，2012(15)：101-102.

[7] 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50089-98 民用爆破器材工廠設(shè)計安全規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1998.

[8] 許長新，夏夕雯，胡亞軍，等.石人溝鐵礦-180 m水平中央水泵房無人值守系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(5)：224-227.

[9] 閆愛青，田俊梅.非煤礦山智能控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].金屬礦山，2017(2)：113-116.

[10] 謝皆見，劉建華.無人值守水油相集中制備系統(tǒng)工藝設(shè)計[J].現(xiàn)代礦業(yè)，2016(8)：255-257.