煙花爆竹配藥車間防爆裝置的設(shè)計與應(yīng)用

賀力克 李明飛 李力

摘要：根據(jù)當(dāng)前我國煙花爆竹生產(chǎn)領(lǐng)域的發(fā)展?fàn)顩r來看，煙花爆竹原料、配方、工藝技術(shù)、生產(chǎn)設(shè)備、倉儲運輸以及燃放等多個環(huán)節(jié)都需要進一步加強安全管理，其中配藥車間的安全防爆生產(chǎn)尤為重要。本文首先對我國煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)的特征進行了分析;其次，提出了煙花爆竹產(chǎn)品種類與配藥車間潛在的危險因素;最后，結(jié)合實際情況，重點研究了煙花爆竹生產(chǎn)配藥車間的防爆裝置的設(shè)計和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煙花爆竹;防爆裝置;配藥車間;危險因素;固態(tài)繼電器

湖南省最新提出的經(jīng)濟與社會發(fā)展“十三五”綱要中提出，煙花爆竹生產(chǎn)安全化、智能化與技術(shù)化是今后這一領(lǐng)域的重點發(fā)展方向。據(jù)此，煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)要明確認(rèn)識到，要著重加強煙花爆竹生產(chǎn)配藥車間防爆裝置研究工作。本文提出的煙花爆竹生產(chǎn)配藥車間防爆裝置設(shè)計和模擬仿真應(yīng)用，對于省內(nèi)乃至全國的煙花爆竹生產(chǎn)安全都有重要的現(xiàn)實意義。

一、我國煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)特征

全國各大地區(qū)市內(nèi)已經(jīng)禁止燃放煙花爆竹，煙花爆竹需求量明顯下降，在生產(chǎn)中技術(shù)和資金投入不足，專業(yè)性的安全和防爆裝置設(shè)計水平較低，容易增加行業(yè)生產(chǎn)的安全性問題。

從“十三五”以來，國內(nèi)累計退出關(guān)閉煙花爆竹生產(chǎn)領(lǐng)域的企業(yè)超過了8000家。在這種發(fā)展背景下，煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)開始了地域性轉(zhuǎn)移，并且形成了產(chǎn)業(yè)集聚的發(fā)展傾向。湖南省和江西省等地的主要煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)也已經(jīng)制定出了生產(chǎn)廠商縮減的計劃，對于生產(chǎn)規(guī)模也進行了控制。

二、煙花爆竹配藥車間防爆裝置設(shè)計與應(yīng)用

（一）擬解決問題

在對煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)的培養(yǎng)車間防爆裝置進行設(shè)置中，擬解決問題如下：

首先，使用紅外線二極管與硬件濾波電路相互連接，可以對黑火藥燃爆的初期狀態(tài)進行檢測，從而為后續(xù)的精準(zhǔn)定位和防暴處理提供依據(jù)。

其次，使用STM系統(tǒng)得出改進型濾波算法，最終輸出的IPM信號可以實現(xiàn)人機交互通信，集中收集相關(guān)的數(shù)據(jù)信息。這種方式可以提高車間監(jiān)管人員對車間運行狀態(tài)的監(jiān)管和控制，提升系統(tǒng)運行的管理效率。

最后，在完成了防爆裝置設(shè)計之后，可實現(xiàn)系統(tǒng)硬件電路的模塊化設(shè)計，并且還能實現(xiàn)程序分布式的設(shè)計，實現(xiàn)系統(tǒng)優(yōu)化。

（二）工藝裝備發(fā)展方向

據(jù)調(diào)查，我國的煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)與煤炭和化工企業(yè)共同被劃分到高危行業(yè)當(dāng)中，但是煙花爆竹生產(chǎn)企業(yè)的規(guī)模相對較小，對于國家經(jīng)濟發(fā)展的貢獻(xiàn)有待進一步提高。從當(dāng)前國內(nèi)的煙花爆竹生產(chǎn)工藝技術(shù)水平、實際生產(chǎn)需求等方面進行分析，可以看出當(dāng)前國內(nèi)在這一領(lǐng)域的發(fā)展規(guī)劃主要是朝著多站化、自動化、高效、可靠、優(yōu)質(zhì)和安全等方向規(guī)劃，其中最為重要的是安全性與可靠性。具體包括：

首先，生產(chǎn)安全可靠。生產(chǎn)安全可靠不僅包括了設(shè)備生產(chǎn)中的安全穩(wěn)定運行，同時也包括了對危險工作站的自動隔離生產(chǎn)，避免因為設(shè)備生產(chǎn)故障而造成嚴(yán)重的人身安全和財產(chǎn)損失。

其次，多站自動化生產(chǎn)主要是引入防爆生產(chǎn)系統(tǒng)和安全運輸模式，并將類似的工藝技術(shù)結(jié)合到實際生產(chǎn)流程中，可以實現(xiàn)現(xiàn)場無人化操作。同時，多站自動化生產(chǎn)還可以加強對充電環(huán)節(jié)成危險工作的集成化處理，通過局部防暴操作的方式，最大限度地避免對車間生產(chǎn)工人造成傷害。

最后，高效優(yōu)質(zhì)的車間生產(chǎn)主要是提高設(shè)備生產(chǎn)效率，從而以此提高企業(yè)整體煙花爆竹生產(chǎn)效率。結(jié)合自動檢測技術(shù)和安全控制技術(shù)，實現(xiàn)關(guān)鍵生產(chǎn)工序的在線檢測和防爆處理，最終提高產(chǎn)品質(zhì)量。

（三）配藥車間防爆裝置設(shè)計

在對煙花爆竹生產(chǎn)配藥車間的防爆裝置進行規(guī)劃中，本課題融入了電子技術(shù)、現(xiàn)代化傳感技術(shù)、嵌入式技術(shù)等技術(shù)，同時加入了軟件算法和硬件電路，是吸納了對紅外傳感器信號的預(yù)處理。經(jīng)過對比分析得出，本文研究的設(shè)計方案有如下特征：

首先，系統(tǒng)能實現(xiàn)快速響應(yīng)，在黑火藥起火直至裝置執(zhí)行自動保護，時間控制在5ms之內(nèi)，并且在這一過程中還可以有效防止藥劑產(chǎn)生熱累積，避免出現(xiàn)黑火藥的爆炸。

其次，系統(tǒng)設(shè)計中采用了人機交互設(shè)備，不僅可以確保系統(tǒng)操作便捷性，同時還可以借助系統(tǒng)自帶的防爆裝置功能，實現(xiàn)數(shù)據(jù)模塊的保護，以便在發(fā)生事故后進行相應(yīng)的責(zé)任分析。

再次，系統(tǒng)配電總閘自動控制開關(guān)能在執(zhí)行完防爆操作之后，自動關(guān)閉總電源，從而避免再次出現(xiàn)安全事故。

最后，系統(tǒng)的冗余度與可靠性都較高，即便單個電磁閥模塊或者單個探頭失效，都不會對整個系統(tǒng)造成影響。具體如下圖1所示：

1.系統(tǒng)供電

系統(tǒng)供電方案中，本項目采用了220V的單相交流供電方式用作系統(tǒng)電源的接口。在經(jīng)過系統(tǒng)模塊處理之后，可以為各功能模塊提供相應(yīng)的直流電壓。

2.輸入與輸出信號

系統(tǒng)的輸入信號是使用紅外線傳感器提供的四根接線，其中有兩根電源線，電壓為24V。紅外傳感器信號輸出量為12V開關(guān)量，電壓范圍控制在9V至12V。在整個系統(tǒng)中，需要裝置6個此種類型的傳感器設(shè)備，同時系統(tǒng)還要額外提供單獨的溫度和濕度檢測的傳感器設(shè)備，應(yīng)用于對設(shè)備所處環(huán)境的溫度與濕度進行監(jiān)控。系統(tǒng)輸出信號是使用24V聲光報警系統(tǒng)，這一報警系統(tǒng)的功率為對6W，1套防爆裝置系統(tǒng)配備1個聲光報警器設(shè)備。

3.電磁閥

電磁閥設(shè)備主要應(yīng)用到高壓水槍噴水開關(guān)動作的控制環(huán)節(jié)，電磁閥在實際應(yīng)用中，其電壓需求量超過其額定電壓24V，且單個電磁閥電流不會超過2A，系統(tǒng)共需要4個電磁閥互相配合。

4.可控硅

可控硅主要是應(yīng)用到220V系統(tǒng)的導(dǎo)通控制，配合煙花爆竹生產(chǎn)配藥車間生產(chǎn)工作的實際特征，確定紅外感應(yīng)裝置射線探頭的安裝角度，以確保燃爆信號采集控制工作的實時性與可靠性。

5.固態(tài)繼電器

固態(tài)繼電器主要是應(yīng)用高壓噴水槍導(dǎo)通控制環(huán)節(jié)?；贑M3的32位核心單片機，可以實現(xiàn)環(huán)境裝置的綜合監(jiān)管，計算各電路的主要參數(shù)，完成電路結(jié)構(gòu)的優(yōu)化與完善。

（四）配藥車間防爆裝置應(yīng)用

1.可行性分析

在系統(tǒng)設(shè)計中，本項目綜合運用了現(xiàn)代化傳感技術(shù)、電力電子信息技術(shù)、現(xiàn)代化控制算法以及嵌入式技術(shù)，將上述各項技術(shù)作為理論基礎(chǔ)，開展理論實現(xiàn)相結(jié)合的方式。防爆系統(tǒng)設(shè)計中，應(yīng)用了德力西交流電池閥、高性能嵌入式芯片、觸摸屏實驗平臺。同時，還應(yīng)用了模塊化的集成設(shè)計思路，著重對防爆裝置進行了實驗研究。

為了更好地推進項目進展，實現(xiàn)理論成果向現(xiàn)實轉(zhuǎn)化，項目設(shè)計研發(fā)采取了校企合作的方式。煙花爆竹的生產(chǎn)企業(yè)根據(jù)配藥車間防爆需求，提出工作方向，課題組的工作人員結(jié)合具體的技術(shù)解決方案，提出裝置電路基本設(shè)計方案和軟件整體開發(fā)方案，以完成系統(tǒng)的綜合性開發(fā)。本項目研發(fā)設(shè)計中直接參與的工作人員數(shù)量多范圍廣，但均在項目負(fù)責(zé)人的協(xié)調(diào)和管理下，充分發(fā)揮出了各自的優(yōu)勢，保證項目平穩(wěn)有序發(fā)展，體現(xiàn)出了較高的可行性。

2.仿真應(yīng)用

項目仿真應(yīng)用環(huán)節(jié)主要是在合作企業(yè)配藥車間實驗室當(dāng)中進行，此種方式可以更加精準(zhǔn)地判斷出防爆裝置在實際場地和多種不同生產(chǎn)條件下的實際應(yīng)用情況，仿真模擬流程如下圖2所示：

同時，課題研究性小組還配備了多種不同的實驗工具，比如焊臺、示波器、萬用表、32位單片機設(shè)備以及軟件開發(fā)平臺等。在仿真應(yīng)用中，技術(shù)人員應(yīng)用了防爆裝置中的紅外傳感器，實現(xiàn)了生產(chǎn)線上黑火藥的全面覆蓋性監(jiān)控，結(jié)合濾波算法，完成了防爆控制。為了確保對后續(xù)的實驗與生產(chǎn)操作提供精準(zhǔn)的依據(jù)，在仿真應(yīng)用中，使用了黑匣子，對多點監(jiān)控數(shù)據(jù)進行了收集和保存，一旦出現(xiàn)事故，可將黑匣子中記錄的數(shù)據(jù)用于事故復(fù)盤與責(zé)任認(rèn)定。設(shè)計小組在企業(yè)生產(chǎn)車間中還安裝了多點實時監(jiān)控設(shè)備，在已有的安全操作基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了真正意義上的車間環(huán)境參數(shù)多點實施控制，提高了防爆裝置實際預(yù)警效果。

（五）注意事項

1.配藥安全比例混制技術(shù)

提高配藥安全比例混制技術(shù)的應(yīng)用效率，可以實現(xiàn)煙花爆竹制品當(dāng)中炸藥、黑火藥與特效藥安全配制。上述幾種不同的煙花爆竹填充藥品都是按照一定比例混合而成的化學(xué)藥劑。為了確保煙花爆竹生產(chǎn)配藥車間防爆裝置設(shè)計的合理性與應(yīng)用的有效性，相關(guān)工作人員在進行實際操作中，還要對配藥安全性進行考量。應(yīng)用高精度的自動化稱量裝置，可以根據(jù)各種藥品混合配制的比例，進行動態(tài)稱量。這種方法可以避免人工配料存在的精細(xì)度低的問題，降低了潛在的安全隱患。我國工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的配藥混合都是通過單機操作實現(xiàn)的，這一技術(shù)解決了缺乏相應(yīng)的在線質(zhì)量檢測與安全控制裝置，操作環(huán)節(jié)受到人工技術(shù)水平和操作因素的影響較大的問題。對此環(huán)節(jié)進行強化管理，防止出現(xiàn)嚴(yán)重的安全隱患。

2.噴霧與噴淋混合技術(shù)

藥劑混合過程中，生產(chǎn)車間會有大量的浮塵以及釋放物質(zhì)，這些氣體和粉塵會對生產(chǎn)人員的身體健康造成影響，同時也會影響到環(huán)境中的空氣質(zhì)量。對此，在進行藥劑混合中，可以加入噴霧和噴淋裝置，加強對生產(chǎn)車間環(huán)境的控制，同時也可以避免因為粉塵含量過高而引起爆炸事故。噴霧和噴淋裝置的聯(lián)合使用可以起到相應(yīng)的設(shè)備保護作用，并且還利于飛濺和噴涂的更加容易清洗回收。

3.自動計量與多塊電荷分離技術(shù)

目前，煙花爆竹生產(chǎn)中的稱重和裝料技術(shù)都是通過人工物理平衡稱重方式，結(jié)合簡單機械操作的方式實現(xiàn)的。這種簡單的機械操作方式存在加藥精度、在線計量難以控制的問題，最終會導(dǎo)致生產(chǎn)安全性和效率性大打折扣。面對這一情況，可以在配藥車間防爆裝置的設(shè)計中，加入自動計量裝置模塊，應(yīng)用多塊電荷分離技術(shù)，對產(chǎn)品的質(zhì)量進行檢驗。使用振動添加劑或者多組稱重模型，對配藥車間的顆粒試劑進行安全等級劃分，及時地發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品存在的質(zhì)量問題。

三、總結(jié)

綜上所述，將先進的紅外傳感技術(shù)應(yīng)用到黑火藥燃爆現(xiàn)象的檢測當(dāng)中，提高了系統(tǒng)的響應(yīng)速度，實現(xiàn)了對生產(chǎn)線著火點的滅火防爆處理，對黑火藥集中燃燒而產(chǎn)生的爆炸問題進行了有效控制，增強了煙花爆竹生產(chǎn)車間配藥的安全性。

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湖南省教育廳科學(xué)研究一般項目：煙花爆竹配藥車間防爆裝置的研制（項目編號：16C0524）

作者簡介：賀力克（1966），女，湖南常德人，碩士，高級工程師，副教授，研究方向：自動控制技術(shù)。