段仁君，張小友

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司 湖南 長沙 410012)

乳化器的實時監(jiān)測及安全保護(hù)系統(tǒng)

段仁君，張小友

(長沙礦山研究院有限責(zé)任公司 湖南 長沙 410012)

乳化器是乳化炸藥生產(chǎn)的關(guān)鍵設(shè)備，為了保證乳化器在乳化炸藥生產(chǎn)過程中的安全性， 研制了一種基于PLC控制的乳化器實時監(jiān)測及安全保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可全面監(jiān)測乳化器的運行情況, 并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對乳化器進(jìn)行狀態(tài)故障識別及安全保護(hù), 大大提高了乳化炸藥生產(chǎn)的本質(zhì)安全性。

乳化炸藥生產(chǎn)線；乳化器；PLC控制器；實時監(jiān)測；安全保護(hù)

0 引 言

在乳化炸藥生產(chǎn)中，水、油相溶液在乳化器高速運轉(zhuǎn)和強(qiáng)剪切力作用下形成乳化基質(zhì)。生產(chǎn)高質(zhì)量的乳化炸藥需要乳化器提供一定的剪切強(qiáng)度，而乳化器剪切強(qiáng)度的大小與乳化器的間隙、剪切方式、乳化時間等有關(guān)，在炸藥的生產(chǎn)過程中，若乳化器發(fā)生故障或者生產(chǎn)流程出現(xiàn)異常沒有得到及時處理，將嚴(yán)重影響炸藥的質(zhì)量，同時極有可能因機(jī)械設(shè)備之間劇烈摩擦產(chǎn)生高溫、擠壓、碰撞而導(dǎo)致爆炸，造成重大安全事故，所以乳化器是乳化炸藥生產(chǎn)設(shè)備中需安全防范的關(guān)鍵設(shè)備，對乳化器的運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)測和安全保護(hù)，在異常情況下報警及緊急聯(lián)鎖停機(jī), 是解決乳化炸藥連續(xù)化、自動化生產(chǎn)的重要措施。

乳化器是旋轉(zhuǎn)機(jī)械設(shè)備，由于各運動部件的相互作用，會產(chǎn)生一定的振動，但是這種振動平時比較小，而且比較平穩(wěn)。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)子不平衡、軸承異常、基礎(chǔ)松動等故障時，會產(chǎn)生較大的振動，在徑向或軸向發(fā)生較大的偏移。從機(jī)械和力學(xué)的觀點來看，乳化器產(chǎn)生事故前必有機(jī)械異常或流程異常發(fā)生，機(jī)械異常一定會反應(yīng)到徑向振動和軸向位移上，而流程異常必定反應(yīng)到溫度、壓力及流量上。

1 乳化器轉(zhuǎn)軸運行狀況的實時監(jiān)測

從轉(zhuǎn)子動力學(xué)、軸承學(xué)的理論上分析，旋轉(zhuǎn)機(jī)械的運行狀態(tài)主要取決于其核心——轉(zhuǎn)軸，由于電渦流振動傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、非接觸測量、響應(yīng)速度快、不受油水等介質(zhì)的影響，能測量旋轉(zhuǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)軸狀態(tài)，所以采用電渦流位移傳感器對乳化器的徑向振動和軸向位移進(jìn)行實時檢測，當(dāng)乳化器徑向振動或軸向位移超幅或者發(fā)生急劇變化時，系統(tǒng)故障報警，并實現(xiàn)系統(tǒng)急停，有效地對乳化器進(jìn)行保護(hù)及預(yù)測性維修。

1.1 乳化器徑向振動檢測

測量乳化器軸的徑向振動時，在每個測點應(yīng)安裝兩個傳感器探頭，在乳化器軸承兩邊的同一平面上相隔90°(±5°)各安裝一個電渦流振動傳感器，定義為X探頭(水平方向)和Y探頭(垂直方向)。從原動機(jī)端看，X探頭應(yīng)該在垂直中心線的右側(cè)，Y探頭應(yīng)該在垂直中心線的左側(cè)。如圖1所示。只要安裝位置可行，兩個探頭可安裝在軸承圓周的任何位置，保證其90°(±5°)的間隔，都能夠準(zhǔn)確測量軸的徑向振動。

圖1 乳化器徑向振動傳感器的安裝位置

1.2 乳化器軸向位移檢測

測量乳化器軸的軸向位移時，測量面應(yīng)該與軸是一個整體，這個測量面是以探頭中心線為中心，寬度為1.5倍探頭頭部直徑的圓環(huán)(在停機(jī)時，探頭只對正這個圓環(huán)一部分，機(jī)器啟動后，整個圓環(huán)都會成為被測面)。采用兩套電渦流傳感器對乳化器推力軸承端同時進(jìn)行監(jiān)測，這樣即使有一套傳感器損壞失效，也可以通過另一套傳感器有效地對軸的軸向位移進(jìn)行監(jiān)測。這兩個探頭可以設(shè)置在軸的同一個端面，也可以是在兩個不同端面進(jìn)行監(jiān)測，但這兩個端面應(yīng)在止推法蘭盤305 mm以內(nèi)；安裝方向可以相同，也可以不同。

圖2 乳化器軸向位移測量傳感器的安裝

1.3 乳化器轉(zhuǎn)速和工作電流的監(jiān)測

乳化器在運行過程中，若出現(xiàn)機(jī)械故障，乳化器的實際轉(zhuǎn)速和工作電流也會發(fā)生變化。

為使乳膠基質(zhì)達(dá)到一定的穩(wěn)定性，必須要有一定的剪切強(qiáng)度，也就是乳化器一定要達(dá)到一定的轉(zhuǎn)速。乳化器的轉(zhuǎn)速越高，乳化器的剪切能力也越強(qiáng)，乳化器所需的電功耗也越大。剪切線速度的降低才是保證安全的實質(zhì)性措施，而剪切線速度降低實質(zhì)上就是將乳化器轉(zhuǎn)速降低，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，剪切線速度越低越安全，根據(jù)安全與質(zhì)量的關(guān)系，工信部安全司明確規(guī)定乳化器剪切線速度應(yīng)控制在不大于15 m/s。目前國內(nèi)的乳化炸藥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中，為了滿足不同的產(chǎn)能需要，對乳化器的轉(zhuǎn)速控制是通過變頻調(diào)速來實現(xiàn)的。在小產(chǎn)能生產(chǎn)時，通過減低變頻器頻率，乳化器剪切線速度在不大于15 m/s時能生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，而在大產(chǎn)能時，為了滿足產(chǎn)品質(zhì)量要求，不得不提高變頻器頻率，使乳化器實際剪切線速度大于15 m/s。

采用電渦流轉(zhuǎn)速傳感器對乳化器的實際運行轉(zhuǎn)速進(jìn)行監(jiān)測，在運行過程中，當(dāng)乳化器轉(zhuǎn)速超過工藝設(shè)定值或者轉(zhuǎn)速突然波動不穩(wěn)定時，系統(tǒng)應(yīng)立即報警停機(jī)。

采用霍爾傳感器對乳化器的工作電流進(jìn)行實時監(jiān)測，當(dāng)乳化器的工作電流超過工藝設(shè)定值或電流發(fā)生突變時，系統(tǒng)應(yīng)立即報警停機(jī)。

1.4 乳化器溫度監(jiān)測

目前國內(nèi)大多數(shù)炸藥生產(chǎn)線對乳化器的軸承溫度沒有進(jìn)行實時在線監(jiān)測，雖有極個別廠家采用Pt100熱電阻對乳化器軸承溫度進(jìn)行測量，但Pt100熱電阻對溫度變化反映滯后，對乳化器軸承的急劇升溫不能進(jìn)行有效的監(jiān)測。

本系統(tǒng)在乳化器的軸承周邊安裝4個非接觸式的CT08紅外溫度傳感器，對乳化器軸承溫度進(jìn)行監(jiān)測；采用Φ6的接殼式鎧裝熱電偶對乳化器出口基質(zhì)溫度及乳化器冷卻夾套腔內(nèi)溫度進(jìn)行監(jiān)測。該傳感器的熱響應(yīng)時間在2 s左右。

CT08紅外溫度傳感器的主要性能參數(shù)：

溫度范圍：-30～300℃；

溫度分辨率±0.2°C；

光譜范圍8～14 Hm；

響應(yīng)時間50 ms, 100 ms,300 ms, 1 s, 3 s,10 s,可選；

模擬輸出0～20 mA或4～20 mA可選;

封裝保護(hù)IP65(IEC),NEMA4;

供電10VDC-15VDC,功耗1.6 W。

當(dāng)某一個溫度監(jiān)測點溫度超限或者短暫時間內(nèi)溫度急劇變化時，則系統(tǒng)報警并緊急停機(jī)。

1.5 乳化器冷卻水流量的監(jiān)測與控制

乳化后的乳膠基質(zhì)其導(dǎo)熱系數(shù)小，熱交換條件差，如果冷卻水流量不足或水油相斷流，乳化器剪切過程中產(chǎn)生的熱量無法冷卻，熱量大量積聚在乳化器內(nèi)腔內(nèi)，從而有可能引起爆炸事故。近些年來，乳化炸藥生產(chǎn)線發(fā)生爆炸事故，基本上都與乳化器冷卻水不正常有關(guān)。

目前國內(nèi)大部分乳化炸藥生產(chǎn)線都是采用流量開關(guān)來監(jiān)測乳化器冷卻水流量，準(zhǔn)確度不高，甚至有時產(chǎn)生誤動作，為了解決這一重大問題，本系統(tǒng)采用進(jìn)口電磁流量計對乳化器冷卻水的流量進(jìn)行精確測量，與原有的流量開關(guān)監(jiān)測信號采用“與”的邏輯關(guān)系。

目前國內(nèi)乳化器冷卻水的流量基本上是靠人工調(diào)節(jié)，還沒有實現(xiàn)自動控制，本系統(tǒng)在乳化器的冷卻水管道上安裝一個V型電動調(diào)節(jié)閥(不能采用電磁閥，乳化器冷卻水里的雜質(zhì)容易引起電磁閥關(guān)不嚴(yán)或打不開)，V型電動調(diào)節(jié)閥的開啟與乳化器同步，通過PID運算可以使乳化器冷卻水的流量穩(wěn)定在設(shè)定范圍內(nèi)。乳化器啟動10 s后,若控制系統(tǒng)檢測到V型電動調(diào)節(jié)閥沒有開啟或冷卻水流量不足，則系統(tǒng)故障報警,同時緊急停機(jī)。

2 實時監(jiān)測及安全保護(hù)系統(tǒng)的組成

2.1 硬件組成

整個乳化器實時監(jiān)測及安全保護(hù)系統(tǒng)主要由PLC和工業(yè)控制機(jī)、現(xiàn)場觸摸屏及上述各種傳感器和相關(guān)執(zhí)行器組成，控制功能主要由PLC實現(xiàn)，硬件組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件組成示意

PLC模塊主要包括CPU、PLC電源、開關(guān)量輸入模塊、開關(guān)量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊，通過開關(guān)量輸入及模擬量輸入模塊完成對乳化器徑向振動傳感器、軸向位移傳感器、溫度傳感器、冷卻水流量計、乳化器轉(zhuǎn)速、乳化器工作電流等有關(guān)運行狀況的信號采集。CPU模塊用來接收輸入模塊傳遞進(jìn)來的數(shù)字信號,并對其進(jìn)行計算分析,對乳化器實行在線監(jiān)測和故障診斷,通過開關(guān)量輸出模塊作出報警、聯(lián)鎖停機(jī)等控制指令。模擬量輸出模塊主要完成對乳化器轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)及乳化器冷卻水流量的自動調(diào)節(jié)。

2.2 軟件組成

本系統(tǒng)采用AB公司的SLC500系列PLC，編程軟件采用RSLOGIX500梯形圖邏輯編程軟件包，系統(tǒng)將計算出的特征指標(biāo)與預(yù)設(shè)的報警界限值進(jìn)行比較,判斷乳化器工作是否正常,若超過報警界限，則系統(tǒng)報警并自動做出相應(yīng)的決策，同時在計算機(jī)界面上顯示報警原因，確保乳化器工作的本質(zhì)安全。

乳化器的實時監(jiān)測及安全保護(hù)系統(tǒng)軟件的流程如圖4所示。

組態(tài)軟件采用MCGS工控軟件，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集與監(jiān)測、前端數(shù)據(jù)的處理與控制，可運行于Microsoft Windows xp操作系統(tǒng)。通過與其他相關(guān)的硬件設(shè)備結(jié)合，可以快速、方便的開發(fā)各種用于現(xiàn)場采集、數(shù)據(jù)處理和控制的設(shè)備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態(tài)就可構(gòu)造自己的應(yīng)用系統(tǒng)，它提供了各種PLC、智能儀表、板卡、變頻器等設(shè)備驅(qū)動程序，圖形功能完善、界面設(shè)計一致性好、易學(xué)易用。通過組態(tài)軟件可以實現(xiàn)系統(tǒng)管理、在線監(jiān)測、離線分析、報警記錄、數(shù)據(jù)查詢、歷史曲線等功能，能滿足系統(tǒng)控制的要求。

圖4 系統(tǒng)軟件流程

3 結(jié) 論

將振動與溫度、壓力、流量、電流、轉(zhuǎn)速等傳感器型號綜合考慮,全面監(jiān)測乳化器的運行狀況，及時全面掌握乳化器運行狀態(tài)，當(dāng)乳化器出現(xiàn)異常情況時,采取相應(yīng)的保護(hù)措施，可將故障消滅在萌芽狀態(tài)，能避免或減少重大事故的發(fā)生，提高了乳化炸藥生產(chǎn)設(shè)備的現(xiàn)代化管理水平。

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2013-10-23)

段仁君(1968-),男,湖南永州人，碩士,教授級高工,主要從事工業(yè)自動化過程控制研究,Email:545960588@qq.com。