一種涼藥機(jī)自動(dòng)化厚度控制系統(tǒng)

黃 琦

(1.中鋼集團(tuán)馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

為進(jìn)一步提高乳化炸藥生產(chǎn)線(xiàn)的本質(zhì)安全水平，加快技術(shù)革新步伐，實(shí)現(xiàn)《民爆行業(yè)技術(shù)進(jìn)步指導(dǎo)意見(jiàn)》(工信部安[2010]227號(hào))、《關(guān)于提升工業(yè)炸藥生產(chǎn)線(xiàn)本質(zhì)安全生產(chǎn)水平的指導(dǎo)意見(jiàn)》(工信部安[2012]301號(hào))以及《民用爆炸物品生產(chǎn)、銷(xiāo)售企業(yè)安全管理規(guī)程》(GB 28263—2012)的要求，以及根據(jù)《工業(yè)和信息化部辦公廳關(guān)于進(jìn)一步加強(qiáng)乳化炸藥生產(chǎn)重點(diǎn)環(huán)節(jié)安全管理工作的通知》的要求，目前國(guó)內(nèi)民用炸藥生產(chǎn)企業(yè)都在為實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線(xiàn)重點(diǎn)崗位減員及整條生產(chǎn)線(xiàn)減員的目標(biāo)進(jìn)行技術(shù)革新工作。為進(jìn)一步提高乳化炸藥生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化水平，本研究設(shè)計(jì)了一種以組態(tài)王為上位機(jī)，西門(mén)子STEP7-300PLC為控制器，電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，控制乳化炸藥生產(chǎn)線(xiàn)涼藥機(jī)的2級(jí)涼藥壓輥升降的自動(dòng)化厚度控制系統(tǒng)。

1 研究背景

乳化炸藥生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程見(jiàn)圖1。水、油相材料通過(guò)乳化器形成乳化基質(zhì)，乳化基質(zhì)通過(guò)乳化器出口被輸送至涼藥機(jī)的鋼帶上，通過(guò)安裝于涼藥機(jī)上的壓輥控制乳化基質(zhì)的攤藥厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)乳化基質(zhì)降溫，為敏化工序加注敏化劑，提供合適的溫度。乳化炸藥涼藥機(jī)是炸藥生產(chǎn)中的一種重要設(shè)備，傳統(tǒng)涼藥機(jī)布料結(jié)構(gòu)為手動(dòng)碾壓式布料輥，不足之處有：①無(wú)法精確控制物料厚度，傳統(tǒng)涼藥機(jī)布料器通過(guò)人為搖動(dòng)手輪調(diào)節(jié)布料輥與鋼帶之間的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)控制乳化炸藥基質(zhì)厚度，需要通過(guò)其他測(cè)量工具測(cè)量乳化炸藥基質(zhì)厚度，需要反復(fù)調(diào)節(jié)布料輥與鋼帶之間的距離方可滿(mǎn)足厚度要求；②操作繁瑣，傳統(tǒng)涼藥機(jī)布料輥調(diào)節(jié)因其結(jié)構(gòu)原因，每次調(diào)節(jié)需要2人同時(shí)操作，費(fèi)時(shí)費(fèi)力；③無(wú)法實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化調(diào)節(jié)，傳統(tǒng)涼藥機(jī)布料裝置不符合當(dāng)今工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)的趨勢(shì)。

圖1 乳化炸藥生產(chǎn)線(xiàn)工藝流程

2 涼藥機(jī)自動(dòng)化厚度控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 機(jī)械設(shè)計(jì)

涼藥機(jī)自動(dòng)化厚度控制系統(tǒng)包括驅(qū)動(dòng)電機(jī)支座、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、寬布料輥、窄布料輥、布料輥支座、執(zhí)行器、連接絲桿、電機(jī)鏈輪、布料輥鏈輪和軸承座(圖2)[1-3]。驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)置于驅(qū)動(dòng)電機(jī)支座上，執(zhí)行器通過(guò)螺絲安裝于布料輥支座上方，寬布料輥和窄布料輥均設(shè)置于布料輥支座中間，連接絲桿一端通過(guò)螺母與執(zhí)行器相連，另一端通過(guò)開(kāi)合螺母與軸承座相連，軸承座套接于寬布料輥和窄布料輥上并安裝于布料輥支座內(nèi)部，電機(jī)鏈輪通過(guò)平鍵和鎖緊螺絲安裝于電機(jī)軸頭上，布料輥鏈輪分別安裝于寬布料輥和窄布料輥的端頭，布料輥鏈條與電機(jī)鏈輪相連。執(zhí)行器、連接絲桿、開(kāi)合螺母和軸承座位于同一中心線(xiàn)上，布料輥鏈輪通過(guò)平鍵和鎖緊螺絲與布料輥連接，布料輥鏈輪通過(guò)鏈條與電機(jī)鏈輪相連，驅(qū)動(dòng)電機(jī)支座位于寬布料輥和窄布料輥?zhàn)髠?cè)。寬窄布料輥兩端由軸承與軸承座連接，軸承座安裝于布料輥支座內(nèi)，可以通過(guò)支座上的2根導(dǎo)軌進(jìn)行上下自由運(yùn)動(dòng)，軸承座通過(guò)連接絲桿、開(kāi)合螺母與執(zhí)行器連接，執(zhí)行器由控制信號(hào)來(lái)執(zhí)行布料輥的向上運(yùn)動(dòng)或向下運(yùn)動(dòng)。寬窄布料輥一端分別裝有2個(gè)和1個(gè)鏈輪，寬布料輥鏈輪通過(guò)鏈條與防爆驅(qū)動(dòng)電機(jī)的鏈輪連接，寬布料輥另一鏈輪也通過(guò)鏈條與窄布料輥鏈輪連接，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)寬窄布料輥同向轉(zhuǎn)動(dòng)，從而碾平乳化炸藥基質(zhì)。

圖2 涼藥機(jī)壓輥示意

2.2 控制設(shè)計(jì)

2.2.1 控制器

本研究設(shè)計(jì)采用的西門(mén)子STEP7-300PLC系列的CPU 315-2PN/DP控制器，具有控制功能較強(qiáng)和運(yùn)算能力較強(qiáng)等特點(diǎn)，不僅能夠完成邏輯運(yùn)算，也能進(jìn)行三角函數(shù)、指數(shù)和PID等運(yùn)算，工作速度較快，能夠攜帶的輸入和輸出模塊種類(lèi)較多，并且輸入輸出模塊的數(shù)量也較多[4-5]。

原有壓輥為寬、窄2級(jí)壓輥，為實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)，需要4個(gè)防爆型電動(dòng)執(zhí)行器，即每級(jí)壓輥需要2個(gè)調(diào)節(jié)閥分別位于壓輥兩端。本研究涼藥機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)的執(zhí)行器能夠通過(guò)輸入電流信號(hào)的大小，自動(dòng)控制連接絲桿的伸出量，同時(shí)能夠輸出相應(yīng)電流信號(hào)反饋給控制柜。當(dāng)布料輥處于最底部時(shí)，即連接絲桿處于最大伸出量時(shí)，將該狀態(tài)設(shè)定為執(zhí)行器的零位，假定控制柜給出X輸入信號(hào)，執(zhí)行器執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作，連接絲桿向上移動(dòng)了Y距離，同時(shí)反饋給控制柜Z輸出信號(hào)，Y值即為乳化炸藥基質(zhì)的厚度。本研究涼藥機(jī)自動(dòng)厚度控制系統(tǒng)是通過(guò)間接方法實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化炸藥基質(zhì)厚度的控制。上述數(shù)值中，X與Z、Y與Z之間具有相應(yīng)的函數(shù)關(guān)系，控制柜中的相應(yīng)模塊可將該類(lèi)參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)化，通過(guò)數(shù)顯表或直接在上位機(jī)中顯示相應(yīng)的基質(zhì)厚度。本研究同步選用了2個(gè)一進(jìn)兩出的4～20 mA分配器CZ來(lái)調(diào)節(jié)同一級(jí)壓輥的2個(gè)調(diào)節(jié)閥。分配器CZ接線(xiàn)圖見(jiàn)圖3。如選用的是4～20 mA輸入電流、最大抬高為16 mm的防爆型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，則每毫安電流對(duì)應(yīng)的抬升高度為1 mm。

圖3 分配器CZ接線(xiàn)示意

2.2.2 上位機(jī)

本研究設(shè)計(jì)采用的上位機(jī)軟件為組態(tài)王kingview6.55。如圖4所示界面上有自動(dòng)調(diào)節(jié)和手動(dòng)調(diào)節(jié)2種按鈕選擇。選擇自動(dòng)調(diào)節(jié)時(shí)，PLC的CPU則根據(jù)預(yù)先下載到PLC程序內(nèi)的配方，按照當(dāng)前實(shí)際產(chǎn)能自動(dòng)計(jì)算壓輥應(yīng)達(dá)到的給定值。給定值確定后，PLC便可通過(guò)組態(tài)的AO模塊輸出與給定值相對(duì)應(yīng)的電流，并通過(guò)分配器CZ傳遞給調(diào)節(jié)閥，通過(guò)調(diào)節(jié)閥控制壓輥達(dá)到給定位置。選擇手動(dòng)調(diào)節(jié)后，可在人機(jī)交互界面上(圖4)直接按百分比輸入所需高度，并進(jìn)行適當(dāng)微調(diào)，是因?yàn)闆鏊幒穸扰c季節(jié)有一定的聯(lián)系，當(dāng)季節(jié)出現(xiàn)變化時(shí)，預(yù)先設(shè)計(jì)下載于PLC程序內(nèi)的配方有可能不適應(yīng)當(dāng)時(shí)的氣候，導(dǎo)致數(shù)值存在一定的偏差，故需進(jìn)行手動(dòng)微調(diào)。

圖4 人機(jī)交互界面

2.2.3 PLC程序設(shè)計(jì)

本研究系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)利用專(zhuān)門(mén)S7-300系列的PLC編程軟件SIMATIC STEP7 V5.5進(jìn)行。西門(mén)子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語(yǔ)句表進(jìn)行編程[6]。本研究程序采用語(yǔ)局表(STL)編寫(xiě)，主要通過(guò)對(duì)2級(jí)布料輥的升降控制達(dá)到控制涼藥厚度的目的。

3 自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置特點(diǎn)

(1)自動(dòng)化控制，反應(yīng)速度快。本研究系統(tǒng)的設(shè)計(jì)解決了涼藥機(jī)乳化炸藥基質(zhì)厚度的自動(dòng)化控制，能夠?qū)穸冗M(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，提高了整條生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化、無(wú)人化水平。系統(tǒng)直接由控制中心PLC給出調(diào)節(jié)信號(hào)，現(xiàn)場(chǎng)可對(duì)PLC發(fā)出的指令立即做出反應(yīng)，對(duì)于生產(chǎn)時(shí)出現(xiàn)的異常情況有一定的應(yīng)急能力。

(2)具備手動(dòng)控制功能，安全可靠。系統(tǒng)同時(shí)具備手動(dòng)功能，系統(tǒng)任意部件出現(xiàn)問(wèn)題后，均可通過(guò)人工方式搖動(dòng)搖輪對(duì)厚度進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免了因無(wú)法調(diào)節(jié)厚度導(dǎo)致生產(chǎn)線(xiàn)全線(xiàn)停車(chē)造成的乳化炸藥堆積，確保了生產(chǎn)的連續(xù)性與安全性。

(3)運(yùn)行平穩(wěn)，操作簡(jiǎn)單。系統(tǒng)安裝后可穩(wěn)定調(diào)節(jié)壓輥的高低，不產(chǎn)生噪聲，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、本質(zhì)安全性高，對(duì)于操作人員進(jìn)行簡(jiǎn)單培訓(xùn)便可使其掌握操作方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓輥調(diào)節(jié)的遠(yuǎn)程控制，達(dá)到了減少在線(xiàn)人員操作的目的，對(duì)于提高涼藥機(jī)和生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化水平和本質(zhì)安全性具有重要意義。

4 結(jié) 語(yǔ)

設(shè)計(jì)了一種涼藥機(jī)自動(dòng)化厚度控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)以組態(tài)王為上位機(jī)，以西門(mén)子STEP7-300PLC為控制器，以電動(dòng)調(diào)節(jié)閥為執(zhí)行機(jī)構(gòu)。該系統(tǒng)已于2016年12月成功運(yùn)用于遼寧通隆化工有限公司的涼藥機(jī)壓輥控制中，至今已生產(chǎn)乳化炸藥6 000多噸，控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。目前，該系統(tǒng)已獲得國(guó)家實(shí)用新型專(zhuān)利授權(quán)(專(zhuān)利號(hào)：201621139215.2)，該系統(tǒng)的應(yīng)用不僅減少了乳化炸藥生產(chǎn)線(xiàn)上的手工操作，提高了生產(chǎn)線(xiàn)的無(wú)人化，自動(dòng)化水平，也提高了生產(chǎn)線(xiàn)的安全性，具有一定的推廣的應(yīng)用價(jià)值。