陳勇亮 張 欣 王燦燦

(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；3.華唯金屬礦產(chǎn)資源高效循環(huán)利用國(guó)家工程研究中心有限公司；4.安徽恒源技研化工有限公司)

安徽恒源技研化工有限公司原有的老舊廠房和乳化炸藥生產(chǎn)工藝已經(jīng)無(wú)法滿足行業(yè)的最新要求，為有效降低乳化炸藥生產(chǎn)線操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高生產(chǎn)自動(dòng)化水平并滿足國(guó)家工業(yè)信息化部《關(guān)于增補(bǔ)完善民爆生產(chǎn)線安全監(jiān)控手段的通知》(工信安函[2013]53號(hào))的要求，在該公司原有生產(chǎn)線西側(cè)新建了一條乳化炸藥生產(chǎn)線。參照安徽江南化工集團(tuán)有關(guān)“無(wú)固定操作人員智能化粉狀乳化炸藥生產(chǎn)線”的要求，為提高工業(yè)炸藥生產(chǎn)線的自動(dòng)化、信息化、無(wú)人化水平，本研究對(duì)該生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)式主從站自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)的中央控制系統(tǒng)采用西門子S7-300PLC系統(tǒng)，通過(guò)子站級(jí)聯(lián)方式擴(kuò)展，并采用以太網(wǎng)的方式進(jìn)行通信。對(duì)于其他廠家開(kāi)發(fā)的獨(dú)立子控制模塊，系統(tǒng)通過(guò)新增網(wǎng)絡(luò)端口模塊(如三菱接口模塊、ABB接口模塊)進(jìn)行銜接，統(tǒng)一由交換機(jī)調(diào)度，并通過(guò)最終的上位控制終端(組態(tài)王軟件)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)線系統(tǒng)進(jìn)行控制和調(diào)度。

1 乳化炸藥全自動(dòng)生產(chǎn)工藝

安徽恒源技研化工有限公司生產(chǎn)的乳化炸藥為粉狀乳化炸藥[1-2]，主要生產(chǎn)設(shè)備為水相配比泵、油相配比泵、乳化機(jī)、螺桿泵、噴粉塔、中包機(jī)、皮帶運(yùn)輸、大包機(jī)等。硝銨廠家將一定濃度的成品硝銨溶液經(jīng)由大型槽罐運(yùn)輸車運(yùn)至生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)，抽存至一個(gè)75 m3的大型室外儲(chǔ)存硝銨大罐中，加熱保溫，并控制在適當(dāng)?shù)臐舛?生產(chǎn)需要)范圍內(nèi)。當(dāng)生產(chǎn)開(kāi)始時(shí)，打開(kāi)該大罐的放料閥，依據(jù)管道中流量計(jì)的顯示數(shù)據(jù)，累計(jì)算出需要輸送至溶化罐中的量值。油相材料配比方式相同，前提是需要生產(chǎn)廠家制備原材料，而后儲(chǔ)存至另一個(gè)45 m3的大型室外油罐中。準(zhǔn)備生產(chǎn)時(shí)，需要將水溶罐中配制的原料泵送至制藥工房的水相材料儲(chǔ)存罐中，將油溶罐中配置的原料泵送至制藥工房的油相小儲(chǔ)存罐中。2種原料分別通過(guò)相應(yīng)的水、油相泵經(jīng)靜態(tài)混合器送入乳化機(jī)中進(jìn)行攪拌混合，成膠后的乳化基質(zhì)進(jìn)入噴粉塔霧化，除濕干燥后的粉狀炸藥經(jīng)全自動(dòng)中包機(jī)稱重封包，再由長(zhǎng)皮帶輸送至包裝工房。根據(jù)最終用戶對(duì)炸藥類型(大、小直徑藥卷)的不同需要，分為2種規(guī)格。在生產(chǎn)小直徑藥卷時(shí)，需要對(duì)制藥工房運(yùn)送的中包袋裝炸藥進(jìn)行二次分裝，再由小直徑裝藥機(jī)和小包機(jī)分包成所需的小直徑尺寸藥卷，裝箱后經(jīng)皮帶運(yùn)輸至裝藥車、入庫(kù)；如果用戶需要大包產(chǎn)品，則直接經(jīng)該工房的皮帶運(yùn)送至裝藥車。

2 自動(dòng)化控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

2.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1.1 設(shè)計(jì)原則

(1)實(shí)用性原則。系統(tǒng)力求實(shí)用，不采用過(guò)時(shí)淘汰的技術(shù)，注重合理的性價(jià)比[3-4]。

(2)可靠性原則。系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，確保數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性[5-6]。

(3)安全性原則。嚴(yán)格按照《民用爆破器材工廠設(shè)計(jì)安全規(guī)范》(GB 50089-98)[7]和《工業(yè)炸藥生產(chǎn)線電子監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置安全技術(shù)條件》進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2.1.2 自動(dòng)化控制要求

控制系統(tǒng)中配備PLC數(shù)據(jù)采集模塊和PLC數(shù)據(jù)通信模塊，用于提取現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和各個(gè)工段的PLC數(shù)據(jù)，通過(guò)上位機(jī)控制軟件對(duì)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理來(lái)控制整個(gè)生產(chǎn)線的運(yùn)行，所有參數(shù)及生產(chǎn)線各部分設(shè)備狀態(tài)信息將在上位機(jī)上進(jìn)行集中輸入和顯示。乳化炸藥生產(chǎn)線關(guān)鍵設(shè)備所需加裝的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為：

(1)水、油水相輸送泵。水油相輸送泵電機(jī)電流檢測(cè)，水油相輸送泵出口壓力、流量檢測(cè)。

(2)乳化器。乳化器電機(jī)過(guò)電流保護(hù)，乳化器出口壓力檢測(cè)，乳化器出口溫度檢測(cè)，乳化器轉(zhuǎn)子軸向、徑向振動(dòng)檢測(cè)，乳化器冷卻水?dāng)嗔鳈z測(cè)。

(3)螺桿輸送泵。螺桿輸送泵電機(jī)電流檢測(cè)，螺桿輸送泵出口壓力、流量檢測(cè)。

(4)噴粉塔狀態(tài)。噴粉塔工作狀態(tài)檢測(cè)，噴粉塔空壓機(jī)狀態(tài)檢測(cè)。

(5)裝藥機(jī)。裝藥機(jī)工作狀態(tài)、每臺(tái)裝藥機(jī)正常狀態(tài)、故障狀態(tài)分類等信息。能接入控制室報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行報(bào)警，并阻止裝藥機(jī)工作。

(6)包裝系統(tǒng)。包裝機(jī)工作狀態(tài)、故障報(bào)警狀態(tài)、安全連鎖保護(hù)狀態(tài)等信息。能接入控制室報(bào)警信號(hào)，進(jìn)行報(bào)警，并阻止包裝機(jī)工作。

(7)炸藥成品出廠計(jì)數(shù)實(shí)時(shí)信息。通過(guò)前端炸藥生產(chǎn)量和已包裝運(yùn)出生產(chǎn)工房的炸藥量可統(tǒng)計(jì)出在線存藥量。嚴(yán)格控制在線藥量，若在線藥量即將超出規(guī)定的最大在線藥量，系統(tǒng)將報(bào)警；若在線藥量超出規(guī)定的最大在線藥量，系統(tǒng)將報(bào)警并全線停機(jī)(圖1)。

2.2 硬件配置

系統(tǒng)主控系統(tǒng)采用了1個(gè)CPU控制主站和2個(gè)西門子從站，通過(guò)交換機(jī)和其他生產(chǎn)設(shè)備交互通信，達(dá)到利用1個(gè)中央控制室監(jiān)控全線的目的。系統(tǒng)可編程控制器采用CPU314C-2PN/DP主機(jī)，共4個(gè)電源模塊，1個(gè)DI16×DC24V模塊，2個(gè)DI32×DC24V模塊，5個(gè)DO32×DC24V/0.5A模塊，7個(gè)AI8×12Bit模塊，4個(gè)A04×12Bit模塊(圖2)。根據(jù)對(duì)系統(tǒng)控制要求的分析，采用以太網(wǎng)通訊方式[8-9]，便于噴粉、裝藥、包裝等系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)；其他需要聯(lián)網(wǎng)的子系統(tǒng)應(yīng)配備對(duì)應(yīng)專業(yè)的Ethernet模塊，并掛設(shè)于同一個(gè)網(wǎng)關(guān)中方可進(jìn)行通信。

圖1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件配置

2.3 軟件設(shè)計(jì)

2.3.1 現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行信號(hào)監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)上位人機(jī)界面采用北京亞控科技發(fā)展有限公司高版本組態(tài)王軟件進(jìn)行開(kāi)發(fā)，用戶可通過(guò)人機(jī)界面讀取系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及故障報(bào)警信息，統(tǒng)計(jì)生產(chǎn)數(shù)據(jù)，還可以對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行及報(bào)警參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。下位監(jiān)測(cè)軟件采用西門子SIMATIC STEP 7軟件，該軟件是由SIMATIC S7-300/400站創(chuàng)建的可編程邏輯控制程序的標(biāo)準(zhǔn)軟件，PLC控制元件都安置于現(xiàn)場(chǎng)低配電室(圖3)。系統(tǒng)可將現(xiàn)場(chǎng)采集的模擬量信號(hào)接入模塊進(jìn)行相應(yīng)換算，根據(jù)控制量的需要，輸出標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)信號(hào)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)，達(dá)到理想的位置控制效果；可以對(duì)生產(chǎn)過(guò)程中設(shè)備的工作狀態(tài)、點(diǎn)位、通斷與否等信息進(jìn)行采集，并依據(jù)控制要求，給出反饋的開(kāi)關(guān)執(zhí)行位置。

圖3 自動(dòng)控制系統(tǒng)軟件界面

2.3.2 數(shù)據(jù)歷史趨勢(shì)記錄和分析

系統(tǒng)可對(duì)PLC測(cè)量到的數(shù)據(jù)進(jìn)行換算、記錄，并以曲線形式進(jìn)行展示(圖4)。生產(chǎn)過(guò)程中可以根據(jù)需要，調(diào)取相應(yīng)的歷史曲線，還可以根據(jù)選定的時(shí)間、時(shí)段長(zhǎng)短，清晰地展現(xiàn)該時(shí)間段內(nèi)對(duì)應(yīng)設(shè)備的工作狀態(tài)，便于設(shè)備維護(hù)。

圖4 自動(dòng)化控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)分析軟件界面

2.3.3 水油相流量自動(dòng)調(diào)節(jié)

在乳化炸藥生產(chǎn)線中，有必要根據(jù)工藝要求，合理設(shè)置水相、油相材料的比例[10]。通過(guò)安裝于對(duì)應(yīng)設(shè)備上的質(zhì)量流量計(jì)來(lái)計(jì)量流速，并將數(shù)據(jù)反饋給PLC。當(dāng)乳化炸藥產(chǎn)能發(fā)生變化時(shí)，PLC根據(jù)工藝配方計(jì)算出所需要的目標(biāo)流量，輸出控制開(kāi)度，并反饋給控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)——變頻器，變頻器據(jù)此調(diào)整泵的轉(zhuǎn)速。

2.3.4 基質(zhì)料斗液位控制調(diào)節(jié)

系統(tǒng)基質(zhì)料斗的液位控制方法類似于水油相調(diào)節(jié)，主要取決于相應(yīng)變頻器和對(duì)應(yīng)料斗的液位，不同的是該項(xiàng)調(diào)節(jié)為反方向。轉(zhuǎn)速越快，料斗液位越低；轉(zhuǎn)速越慢，料斗液位越高。有必要設(shè)定安全的停車保護(hù)低值，嚴(yán)禁斷料空轉(zhuǎn)，以確保安全。

3 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)安徽恒源技研化工有限公司乳化炸藥生產(chǎn)線網(wǎng)絡(luò)式主從站自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)。該系統(tǒng)于2016年12月份建成并投產(chǎn)，生產(chǎn)出的乳化炸藥質(zhì)量完全達(dá)到了國(guó)家各項(xiàng)指標(biāo)要求。目前該控制系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為公司創(chuàng)造出可觀的經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)于實(shí)現(xiàn)乳化炸藥生產(chǎn)線智能化控制、多元化平臺(tái)展示、生產(chǎn)設(shè)備遠(yuǎn)程操作有一定的參考意義。

[1] 王永斌，裴海興，吳龍祥，等.MRB型乳化炸藥大產(chǎn)能微機(jī)控制連續(xù)化生產(chǎn)線的研究及應(yīng)用[J].爆破器材，2004(S)：1-4.

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