乳化炸藥密度在線(xiàn)快速檢測(cè)與調(diào)控技術(shù)研究

胥雪萍，肖厚標(biāo)

(廣東宏大民爆集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 511300)

乳化炸藥，自20世紀(jì)70年代出現(xiàn)以來(lái)，由于具有較好的爆轟和防水性能，且制造原材料來(lái)源廣、成本低等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于采石場(chǎng)、隧道掘進(jìn)、鐵路及公路等爆破作業(yè)中[1]。

乳化炸藥的密度是炸藥重要的物理參數(shù)之一，直接關(guān)系到炸藥起爆的可靠性及爆轟性能[2-3]。隨著乳化炸藥使用范圍的逐步擴(kuò)大，其在工業(yè)炸藥中的占比也在逐年攀升。因此，實(shí)現(xiàn)乳化炸藥生產(chǎn)的連續(xù)化、自動(dòng)化，以及產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)的智能化，是滿(mǎn)足乳化炸藥市場(chǎng)需求的關(guān)鍵[4-7]。目前，乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中溫度、壓力及液位等參數(shù)均已實(shí)現(xiàn)了在線(xiàn)監(jiān)控，但乳化炸藥的密度檢測(cè)還常采用人工抽檢，即離線(xiàn)檢測(cè)的方式，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且檢測(cè)結(jié)果具有一定的遲滯性，不利于指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)[2]。隨著乳化炸藥自動(dòng)化生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，研究乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中密度在線(xiàn)快速檢測(cè)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)乳化炸藥密度在線(xiàn)測(cè)量及調(diào)控，對(duì)于乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)品質(zhì)量管控，提高生產(chǎn)線(xiàn)本質(zhì)安全水平，保障乳化炸藥起爆的安全性及可靠性具有重要意義[8]。

1 常見(jiàn)的密度測(cè)量方法及應(yīng)用

目前，常見(jiàn)的密度測(cè)量方法包括直接測(cè)量法和間接測(cè)量法。其中，基于密度公式的直接測(cè)量法原理較為簡(jiǎn)單，且應(yīng)用廣泛；而密度間接測(cè)量法一般基于密度與某物理量之間關(guān)系而得到，通常由探測(cè)傳感器接收到某一與密度有關(guān)的物理參數(shù)的變化信號(hào)，間接確定被測(cè)物質(zhì)的密度，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)不間斷地對(duì)物質(zhì)密度進(jìn)行在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。間接測(cè)量法常見(jiàn)的有：密度聲波探測(cè)法、放射性同位素探測(cè)法、光電探測(cè)法、頻率震動(dòng)探測(cè)法及動(dòng)態(tài)稱(chēng)重法等[9-11]。

上述密度間接在線(xiàn)檢測(cè)方法通常應(yīng)用于石油工業(yè)及食品等領(lǐng)域的流體密度在線(xiàn)檢測(cè)，如低黏度油品、充填礦漿、乳化液、流體食品等，但在敏化后高黏度乳化基質(zhì)密度在線(xiàn)測(cè)定方面的應(yīng)用研究較少。

2 數(shù)字速率在線(xiàn)探測(cè)法

針對(duì)高黏度乳化炸藥的密度在線(xiàn)檢測(cè)，本文提出了一種數(shù)字速率間接探測(cè)技術(shù)。采用此技術(shù)構(gòu)建的乳化炸藥密度在線(xiàn)檢測(cè)及調(diào)控系統(tǒng)原理示意圖如圖1所示。

該樣品密度在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)包括兩部分功能，分別為在線(xiàn)檢測(cè)和調(diào)控，具體包含PLC控制器、變頻器、人機(jī)交互界面屏和加料電機(jī)，可設(shè)置于乳化炸藥裝藥機(jī)裝藥口處。數(shù)字速率傳感器可將管道內(nèi)乳化炸藥的運(yùn)動(dòng)速率模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)傳輸給PLC控制器，之后由PLC控制器內(nèi)程序算法對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行處理。依據(jù)密度與電流的線(xiàn)性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)管道內(nèi)乳化炸藥密度的在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)。將PLC控制器接收數(shù)字速率傳感器間接得到的密度值與實(shí)際標(biāo)定的密度值進(jìn)行對(duì)比；當(dāng)該值不在標(biāo)定的密度范圍內(nèi)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警，同時(shí)，PLC控制器通過(guò)信號(hào)反饋調(diào)節(jié)變頻器輸出頻率來(lái)改變加料電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而達(dá)到控制密度調(diào)節(jié)劑加料速度的目的，使得乳化炸藥密度控制在標(biāo)定范圍內(nèi)，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

圖1 乳化炸藥密度在線(xiàn)檢測(cè)及調(diào)控系統(tǒng)示意圖

在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的程序軟件部分包含樣品運(yùn)動(dòng)速率檢測(cè)系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)、人機(jī)交互系統(tǒng)及變頻調(diào)控系統(tǒng)四個(gè)模塊，具體構(gòu)成見(jiàn)圖2所示。本文中針對(duì)管道內(nèi)乳化炸藥的運(yùn)動(dòng)速率檢測(cè)采用電阻應(yīng)變式數(shù)字傳感器，PLC控制器采用可編程的存儲(chǔ)器進(jìn)行信息存儲(chǔ)，并可執(zhí)行必要的操作指令，通過(guò)模擬信號(hào)的輸入、輸出來(lái)實(shí)現(xiàn)相關(guān)過(guò)程的操控。變頻調(diào)控系統(tǒng)通過(guò)改變信號(hào)輸出頻率來(lái)調(diào)控加料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制密度調(diào)節(jié)劑的加料速度?？赏ㄟ^(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)直接對(duì)主機(jī)進(jìn)行操控，使系統(tǒng)運(yùn)作更加簡(jiǎn)便。

圖2 樣品密度在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)組成

3 乳化炸藥密度在線(xiàn)實(shí)時(shí)檢測(cè)

3.1 系統(tǒng)標(biāo)定

密度在線(xiàn)檢測(cè)系統(tǒng)的標(biāo)定是利用樣品運(yùn)動(dòng)速率檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)已知乳化炸藥密度的樣品進(jìn)行標(biāo)定，得到管道內(nèi)乳化炸藥樣品密度與數(shù)字速率傳感器輸出電流信號(hào)之間具有較好的線(xiàn)性關(guān)系，見(jiàn)圖3所示。管道內(nèi)乳化炸藥運(yùn)動(dòng)速率傳感器的理論檢測(cè)精度可達(dá)到0.030%。

圖3 樣品密度與輸出電流之間關(guān)系

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)得到變頻器輸入電流、輸出頻率及加料電機(jī)轉(zhuǎn)速之間具體量化關(guān)系來(lái)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速系統(tǒng)的標(biāo)定。變頻調(diào)速系統(tǒng)的相關(guān)工作特性曲線(xiàn)如圖4所示?，F(xiàn)場(chǎng)乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中，變頻器輸出頻率與加料流量之間關(guān)系曲線(xiàn)如圖5所示。由圖4與圖5可看出，樣品運(yùn)動(dòng)速率檢測(cè)系統(tǒng)間接得到的樣品密度與輸出電流和變頻器調(diào)速之間均表現(xiàn)出較好的線(xiàn)性關(guān)系。

圖4 變頻調(diào)控系統(tǒng)工作特性曲線(xiàn)

當(dāng)被測(cè)樣品的密度超出標(biāo)定范圍時(shí)，樣品密度在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將信號(hào)反饋至PLC控制器，緊接著控制器通過(guò)調(diào)節(jié)加料電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)達(dá)到在線(xiàn)實(shí)時(shí)調(diào)整樣品密度的目的。

圖5 變頻器調(diào)控頻率與加料流量之間關(guān)系

3.2 樣品密度在線(xiàn)檢測(cè)試驗(yàn)

在乳化炸藥生產(chǎn)過(guò)程中，管道內(nèi)乳化炸藥運(yùn)動(dòng)速率數(shù)字傳感器若能測(cè)得并輸出電流信號(hào)，則可根據(jù)圖2所述關(guān)系曲線(xiàn)得到管道內(nèi)乳化炸藥的密度。通過(guò)將乳化炸藥密度試驗(yàn)值與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比可知，試驗(yàn)相對(duì)誤差約為1.0%，分析認(rèn)為該誤差主要產(chǎn)生于管道內(nèi)乳化炸藥運(yùn)動(dòng)速率數(shù)字傳感器輸出電流信號(hào)反饋至PLC控制器時(shí)的信號(hào)匹配電阻誤差，同時(shí)線(xiàn)路電阻及溫度變化也會(huì)產(chǎn)生試驗(yàn)誤差。后期通過(guò)修正PLC相關(guān)控制程序，所得樣品密度檢測(cè)結(jié)果平均相對(duì)誤差縮小至0.2%，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 樣品密度在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控綜合測(cè)試數(shù)值

乳化炸藥密度在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)試驗(yàn)綜合結(jié)果見(jiàn)表1所示。變頻器輸出頻率隨著被測(cè)樣品在線(xiàn)檢測(cè)密度值的變化而變化，并可根據(jù)密度在線(xiàn)檢測(cè)值自動(dòng)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)樣品密度在線(xiàn)調(diào)控的目的。當(dāng)樣品密度ρ<1050 kg/m3或ρ>1200 kg/m3時(shí)，樣品在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警報(bào)并將信號(hào)反饋至PLC控制程序以調(diào)節(jié)加料電機(jī)的轉(zhuǎn)速，進(jìn)而控制密度調(diào)節(jié)劑的流量，以使樣品密度處于標(biāo)定范圍內(nèi)；當(dāng)樣品密度 1050 kg/m3≤ρ≤1200 kg/m3時(shí)，樣品在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)工作正常，變頻器輸出頻率與樣品密度實(shí)時(shí)對(duì)應(yīng)。

該樣品在線(xiàn)密度檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)的信號(hào)輸入模塊自帶濾波功能，增強(qiáng)了管道內(nèi)乳化炸藥運(yùn)動(dòng)速率數(shù)字傳感器記錄信號(hào)的抗干擾能力。PLC控制器基于數(shù)字濾波功能降低了反饋信號(hào)匹配電阻、線(xiàn)路電壓降及溫度變化等因素對(duì)檢測(cè)精度的影響。但系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)整體因素仍會(huì)使得樣品密度調(diào)控產(chǎn)生一定的滯后性，這主要是由于管道內(nèi)乳化炸藥運(yùn)動(dòng)速率數(shù)字傳感器響應(yīng)時(shí)間、PLC控制器反饋信號(hào)輸入/輸出處理時(shí)間、變頻器響應(yīng)時(shí)間及加料電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)執(zhí)行動(dòng)作滯后等因素引起的。

4 結(jié)論

1)建立了樣品密度在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)，包括在線(xiàn)檢測(cè)和調(diào)控兩部分，具體包含PLC控制器、變頻器、人機(jī)交互界面屏和加料電機(jī)，并對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了量化標(biāo)定；

2)研究表明，管道內(nèi)乳化炸藥運(yùn)動(dòng)速率數(shù)字傳感器輸出電流與樣品密度之間和變頻器調(diào)控工作特性曲線(xiàn)均具有明顯的線(xiàn)性關(guān)系；

3)試驗(yàn)表明該樣品在線(xiàn)檢測(cè)與調(diào)控系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)乳化炸藥密度的在線(xiàn)檢測(cè)、實(shí)時(shí)顯示及信號(hào)自動(dòng)反饋與調(diào)控，當(dāng)樣品密度超出標(biāo)定范圍時(shí)，該系統(tǒng)能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，并通過(guò)PLC控制器對(duì)執(zhí)行單元進(jìn)行調(diào)控，以使乳化炸藥產(chǎn)品符合標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量要求。