水膠炸藥混合無人化技術(shù)研究與應(yīng)用

汪美瓊,侯 陸,代克州

(安徽淮南舜泰化工有限責(zé)任公司,安徽淮南232072)

0 引言

近年來,隨著國民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展,自動化、智能化及信息化技術(shù)在各行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用。我國民爆行業(yè)的技術(shù)水平也得到了較大提升,工業(yè)炸藥生產(chǎn)方式正在向著以“機(jī)器人換人、自動化減人”為代表的“少(無)人操作”目標(biāo)快速邁進(jìn)[1]。

安徽淮南舜泰化工有限責(zé)任公司水膠炸藥生產(chǎn)線建于1993年,采用美國杜邦公司技術(shù)工藝,生產(chǎn)方式為間斷式生產(chǎn)。長期以來,作為生產(chǎn)線核心之一的混合工序,一直采用人工直接操作方式,進(jìn)行人工配料、投料、測量?，F(xiàn)場人工操作控制柜操作人員3 人,不但勞動強(qiáng)度大,而且現(xiàn)場粉塵、噪音較大,不利于工人身心健康,已成為制約水膠炸藥生產(chǎn)線整體自動化水平提升的瓶頸。文中在生產(chǎn)線中采用水膠炸藥混合自動控制系統(tǒng),實現(xiàn)物料的自動輸送、加料、稱重、在線測量和遠(yuǎn)程控制等功能,從而實現(xiàn)混合工序的無人化操作。

1 水膠炸藥原有混合工序生產(chǎn)工藝

工藝設(shè)計中,作業(yè)采用隔離操作、連續(xù)化、自動化的生產(chǎn)方式[2]。水膠炸藥生產(chǎn)線主要包括中和、混合、包裝等工序,其中混合工序是將各種液體和固體物料按一定工藝配比加入到混合機(jī)內(nèi)進(jìn)行攪拌混合,制得水膠炸藥。原有工藝過程全部操作需要在現(xiàn)場完成,其中固體硝酸銨、硝酸鈉/田菁粉、大理石粉從斜螺旋加入,并且硝酸鈉/田菁粉需要提前在混拌機(jī)混勻,主操作手通過現(xiàn)場控制柜進(jìn)行斜螺旋、液體加料和混合罐攪拌機(jī)的操作,對人體影響較大的珍珠巖、鋁粉、交聯(lián)劑、發(fā)泡劑等由人工直接從加料口加入[3]。混合工序加料工藝如圖1 所示。

圖1 混合工序加料工藝示意圖

2 混合工序自動化控制系統(tǒng)的設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計

總體設(shè)計包括固體物料、液態(tài)物料的自動加料、部分固體物料的自動稱重、在線自動測量、混合包裝部分全線聯(lián)動自動控制等,實現(xiàn)各物料加入的模塊化、自動化,通過生產(chǎn)線控制室,對混合工序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作及生產(chǎn)線全程監(jiān)控。改進(jìn)后的混合加料工藝如圖2 所示。

圖2 混合工序新加料工藝示意圖

2.2 固體物料的加料

2.2.1 斜螺旋自動加料

固體物料包括固體硝酸銨、大理石粉、硝酸鈉、田菁粉、鋁粉等,這些固體物料按照每批的工藝配比稱好后,由原材料倉庫運至加料平臺。首先把固體硝酸銨或大理石粉由加料口加入斜螺旋。再從加料口2 將硝酸鈉加入斜螺旋,膠凝劑(田菁粉)則由專用螺旋加料機(jī)加入斜螺旋內(nèi),由硝酸鈉帶入螺旋,使兩者在斜螺旋內(nèi)進(jìn)行混拌。采用這種方式代替了原有的硝酸鈉混拌工序,不僅使膠凝劑均勻加入,避免了膠凝劑附著在螺旋內(nèi)壁及螺旋動軸上,而且解決了在混合器內(nèi)因不均勻遇水結(jié)團(tuán)結(jié)塊的問題。人工加料結(jié)束后,控制系統(tǒng)獲得信號,斜螺旋啟動進(jìn)行自動輸送,送料結(jié)束后自動停止。

2.2.2 鋁粉、珍珠巖自動上料系統(tǒng)

鋁粉和珍珠巖的自動加料方式和計量是混合工序自動化控制系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。鋁粉與珍珠巖易揚塵不易輸送和計量,均不宜大量儲存[4]。本方案巧妙地將兩種物流的輸送結(jié)合起來,并創(chuàng)新性應(yīng)用了自動減重稱量技術(shù)。首先以稱重傳感器為支點,稱量料倉和計量螺旋的總重量,然后通過混合工序自動控制系統(tǒng)設(shè)置計量值,設(shè)置為珍珠巖加料先行啟動,隨后鋁粉加料啟動,鋁粉離開計量螺旋后將在輸送螺旋內(nèi)由珍珠巖帶入混合器內(nèi)。當(dāng)料倉及減重螺旋的總重量減少值到達(dá)計量值時,加料完成。該自動減重加料系統(tǒng),包括處理程序軟件、秤上喂料裝置、稱重傳感器等,具有鍵盤校準(zhǔn)、自動跟蹤零點、去皮、斷電保護(hù)等功能。其中配料系統(tǒng)采用推進(jìn)下料方式,通過變頻器來實現(xiàn)兩種速度的下料過程。配料系統(tǒng)完成配料后,通過水平螺旋輸送機(jī)將物料送致攪拌機(jī)里,攪拌機(jī)按照編好的工作流程,進(jìn)行工作,到設(shè)定時間自動卸料。

2.3 液體物料的加入

2.3.1 硝酸甲胺溶液、硝酸銨溶液

硝酸甲胺溶液通過隔膜泵輸送至混合工序,再通過流量計與加料閥輸送至混合罐內(nèi)。硝酸銨溶液是指高溫高濃度的液態(tài)硝酸銨經(jīng)稀釋后達(dá)到工藝要求濃度和溫度后的溶液,通過泵、閥門和流量計輸送至混合罐內(nèi)。兩種溶液的泵送、開關(guān)閥門與計量均在監(jiān)控室內(nèi)進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。

2.3.2 液體小料的加入

液體小料是指交聯(lián)劑、泡沫穩(wěn)定劑等用量較少的液體物料。交聯(lián)劑和泡沫穩(wěn)定劑較為粘稠,滯留管道內(nèi)易阻塞管道,干擾流量計的劑量,所以輸送和計量都非常困難。原工藝是由人工直接加入混合罐,本方案采用簡便的液位控制及二次供料的方式,如圖3 所示。即首先通過輸送泵將交聯(lián)劑、泡沫穩(wěn)定劑加入罐中,當(dāng)液體到達(dá)指定液位后,停止輸送;然后,在混合工序自動控制系統(tǒng)發(fā)出加料信號后,發(fā)泡劑和泡沫穩(wěn)定劑的計量槽放料,順利解決了液體小料易阻塞管道和流量計的難題。

2.4 pH值、密度值的測量

混合罐裝有pH 計和密度計,測量的數(shù)據(jù)通過電纜引入控制室。在控制室不僅可監(jiān)視pH 值和密度的變化,還可通過加入其它物料的方式對pH值和密度進(jìn)行及時調(diào)整。

圖3 交聯(lián)劑、泡沫穩(wěn)定劑輸料系統(tǒng)

2.5 控制系統(tǒng)

電器控制系統(tǒng)主要由PLC 控制系統(tǒng)、配電柜、變頻器、儀表系統(tǒng)等組成?；旌瞎ば蚩刂葡到y(tǒng)拓?fù)浜唸D如圖4 所示。

圖4 混合工序控制系統(tǒng)拓?fù)浜唸D

PLC(可編程控制器)控制系統(tǒng)采用德國西門子的S7-300 控制系統(tǒng),主要實現(xiàn)現(xiàn)場的基本自動化控制功能和工況數(shù)據(jù)采集、報警、聯(lián)鎖控制及配比調(diào)節(jié)等功能。控制系統(tǒng)的PLC 站,通過電纜連接到控制室監(jiān)控電腦上,可以對生產(chǎn)線進(jìn)行監(jiān)控、故障報警、參數(shù)設(shè)定等操作。

配電柜為各控制系統(tǒng)及現(xiàn)場各工作單元提供必須的動力電源。變頻器通過PLC 控制現(xiàn)場泵、混合器攪拌等設(shè)備的運行。

控制室由一個操作臺及兩臺監(jiān)控計算機(jī),計算機(jī)通過以太網(wǎng)口與PLC 進(jìn)行TCP/IP 協(xié)議通訊連接,通過組態(tài)王組態(tài)軟件對控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。

儀表系統(tǒng)對生產(chǎn)過程的溫度、電流、流量等物理量進(jìn)行采集轉(zhuǎn)換。

3 混合工序自動化控制系統(tǒng)的實踐應(yīng)用

混合工序自動化控制系統(tǒng)的各個子系統(tǒng)于2017年9月陸續(xù)投入試運行,經(jīng)過不斷調(diào)試和改進(jìn),于2018年8月通過了“水膠炸藥自動化生產(chǎn)線”科技成果鑒定,正式投入生產(chǎn)。截至目前,設(shè)備運行正常,產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定,完全實現(xiàn)了現(xiàn)場無人化操作。

3.1 系統(tǒng)的安全性

該自動化系統(tǒng)設(shè)有監(jiān)控、報警、連鎖聯(lián)動等功能,保證了系統(tǒng)本身以及生產(chǎn)的安全,同時避免或減少了人與危險源(炸藥、設(shè)備等)的直接接觸。在中和實驗試生產(chǎn)中,均未出現(xiàn)過任何安全問題,生產(chǎn)過程不但無新的危險因素產(chǎn)生,反而減少了危險因素,生產(chǎn)的本質(zhì)安全性得到了提高。

3.2 產(chǎn)品質(zhì)量

從試生產(chǎn)開始截至目前,所生產(chǎn)的各品種水膠炸藥質(zhì)量均保持穩(wěn)定。并經(jīng)中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院爆破器材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗中心對安全性和爆炸性能進(jìn)行檢測,各項性能指標(biāo)合格,符合《工業(yè)炸藥通用技術(shù)條件》(GB 28286-2012)要求。具體實測數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 三級煤礦許用水膠炸藥性能測試結(jié)果[5]

3.3 經(jīng)濟(jì)和社會效益

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

采用自動化控制系統(tǒng)后,生產(chǎn)線實際操作人員較以前減少3 人/單班,使人工成本降低?；焖幮视? t/h 提高到5 t/h,提高了生產(chǎn)效率,降低了能耗。若雙班生產(chǎn),按人均工資7 萬元/年計算,據(jù)綜合測算,每年產(chǎn)生的直接經(jīng)濟(jì)效益約為50 萬元。

3.3.2 生態(tài)環(huán)境效益與社會效益

利用自動化控制系統(tǒng),減少了現(xiàn)場人與物料的直接接觸,有利于職工的身體健康,同時減少了固體物料的飛散、灑落和噪音,有利于清潔生產(chǎn)和環(huán)境保護(hù),提高了清潔化生產(chǎn)水平,符合民爆行業(yè)安全、可靠、環(huán)保及標(biāo)準(zhǔn)化的發(fā)展方向[6-7]。

水膠炸藥混合工序的升級換代,大幅度提高了生產(chǎn)的自動化水平和勞動生產(chǎn)率,生產(chǎn)成本降低,生產(chǎn)本質(zhì)安全性得到提高,對推進(jìn)企業(yè)技術(shù)進(jìn)步,實現(xiàn)安全發(fā)展、清潔發(fā)展、節(jié)約發(fā)展具有重要意義[8]。

4 結(jié)論

針對水膠炸藥混合工序的特點,研發(fā)了自動加料和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng),其中,(硝酸鈉/田菁粉)輸送裝置、(珍珠巖、鋁粉)自動減重加料系統(tǒng)及液體小料(交聯(lián)劑、泡沫穩(wěn)定劑)自動加料系統(tǒng)具有一定的獨創(chuàng)性?；旌瞎ば虻淖詣踊刂葡到y(tǒng)提高了生產(chǎn)效率,混藥效率由4 t/h 提高到5 t/h,同時現(xiàn)場操作人員減少了3 人,極大地提高了生產(chǎn)的本質(zhì)安全性,減少了現(xiàn)場粉塵、噪音等的污染和對人體的傷害,提高了混合工序的清潔生產(chǎn)技術(shù)水平[9],符合《民爆行業(yè)技術(shù)進(jìn)步的指導(dǎo)意見》、《民爆物品行業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020)》、《民用爆炸物品行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向及目標(biāo)》等國家和行業(yè)相關(guān)文件精神要求。