劉金洲,張成俊

(1.安徽雷鳴科化有限責(zé)任公司,安徽淮北235000;2.中煤科工集團(tuán)淮北爆破技術(shù)研究院有限公司,安徽淮北235000 )

0 引言

水膠炸藥自20 世紀(jì)80 年代引進(jìn)以來,經(jīng)過了30 多年的發(fā)展,雖然工藝技術(shù)方面已經(jīng)全面國產(chǎn)化,但是由于生產(chǎn)線數(shù)量少,導(dǎo)致對(duì)水膠炸藥設(shè)備及自控技術(shù)的研究停滯不前。 特別是與乳化炸藥相比,發(fā)展速度明顯落后,生產(chǎn)過程仍然需要多人操作,簡單原始,精度難以控制,導(dǎo)致產(chǎn)品質(zhì)量波動(dòng)較大[1-4]。 工信部要求:堅(jiān)持以科學(xué)發(fā)展觀為統(tǒng)領(lǐng),以安全生產(chǎn)為核心,通過提升技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及準(zhǔn)入條件,限制落后技術(shù),淘汰落后產(chǎn)能,加快信息化技術(shù)與民爆生產(chǎn)技術(shù)的融合,推動(dòng)民爆行業(yè)技術(shù)進(jìn)步[5]。 本文利用自動(dòng)控制技術(shù),研究設(shè)計(jì)出了混藥工序的無人化自動(dòng)控制系統(tǒng),推動(dòng)了水膠炸藥生產(chǎn)過程中的無人化、少人化,為實(shí)現(xiàn)水膠炸藥全線自動(dòng)控制做好了鋪墊。

1 水膠炸藥混藥工序工藝過程

混藥工序就是把水膠炸藥的原材料如硝酸銨溶液、硝酸甲胺溶液、固態(tài)硝酸銨、硝酸鈉、大理石粉等混合均勻,然后添加相應(yīng)的添加劑,充分?jǐn)嚢?并對(duì)密度、溫度及pH 值進(jìn)行調(diào)整,調(diào)整結(jié)束后即可進(jìn)行裝藥。 混藥工藝流程如圖1 所示:

圖1 混藥工藝流程圖

2 水膠炸藥混藥工序自動(dòng)化設(shè)計(jì)方案

通過物料的自動(dòng)加料、自動(dòng)稱重,對(duì)各種物料的重量、溫度、密度、pH 值等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,來控制混藥的進(jìn)程。

2.1 重量控制

原有混合工序固態(tài)物料的投料是現(xiàn)場(chǎng)投料到輸送螺旋,通過螺旋輸送到混合罐,一般需要在線1 ～2 人。 自動(dòng)化工序是在防爆土地外,人工把物料投放至懸掛車,通過懸掛輸送系統(tǒng)自動(dòng)送到輸送螺旋,自動(dòng)對(duì)接以及自動(dòng)下料,混藥工房內(nèi)不需要人員。

除大宗的固態(tài)物料在配料處人工稱重配比外,其他固態(tài)料如密度調(diào)節(jié)劑、添加劑等通過電子稱重傳感器或精密小型電子秤進(jìn)行控制。 控制原理為:根據(jù)生產(chǎn)進(jìn)程,需要添加某種物料時(shí),控制閥門或者閘板打開,此時(shí)系統(tǒng)持續(xù)檢測(cè)儲(chǔ)罐的總重量,當(dāng)儲(chǔ)罐的總重量減少值達(dá)到設(shè)定值時(shí),閥門或者閘板自動(dòng)關(guān)閉。

珍珠巖自動(dòng)加料方式和計(jì)量是混合工序自動(dòng)化控制系統(tǒng)關(guān)鍵所在。 珍珠巖宜揚(yáng)塵不宜輸送和計(jì)量,且不宜大量儲(chǔ)存[6]。 原有工藝中珍珠巖的加料是提前抽取到一個(gè)儲(chǔ)罐中,根據(jù)工藝需要,人工添加到混合罐中,沒有任何計(jì)量措施,全憑人員經(jīng)驗(yàn)操作。 而自動(dòng)化控制系統(tǒng)則是通過在儲(chǔ)罐上安裝電子秤,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)下料并進(jìn)行計(jì)量控制。

2.2 流量控制

原有混合工序液態(tài)小料的添加是人工通過量筒或者量杯提前量好需要的物料,人工倒入混合罐內(nèi),此種方法費(fèi)事費(fèi)力且不精確。 在自動(dòng)化控制系統(tǒng)中設(shè)置五個(gè)不同的液料儲(chǔ)罐,每天開班前把儲(chǔ)罐加滿,在生產(chǎn)過程中通過電子秤計(jì)量小罐進(jìn)行計(jì)量,并自動(dòng)按照順序添加到混合罐中。

對(duì)液態(tài)物料采用質(zhì)量流量計(jì)控制,管道采用往返循環(huán)流動(dòng)式,保證管道內(nèi)物料流量的穩(wěn)定,根據(jù)工藝要求,需要供料時(shí)打開三通閥門,此時(shí)質(zhì)量流量計(jì)開始計(jì)量,當(dāng)累積量達(dá)到設(shè)定值時(shí),閥門自動(dòng)切換回循環(huán)狀態(tài)。

2.3 壓力控制

混藥工序的壓力控制主要作為聯(lián)鎖保護(hù)的一種手段,當(dāng)壓力高于或者小于設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)會(huì)根據(jù)壓力的大小選擇報(bào)警或者停機(jī),用來保護(hù)設(shè)備和系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.4 溫度控制

自動(dòng)化控制系統(tǒng)混藥工序的溫度控制主要用來控制各種液態(tài)原材料的狀態(tài)和成品藥的交聯(lián)速度,液態(tài)原材料溫度過低時(shí)會(huì)結(jié)晶,成品藥溫度過高會(huì)導(dǎo)致交聯(lián)不利于裝藥,利用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)物料溫度,當(dāng)檢測(cè)溫度超出設(shè)定值時(shí),系統(tǒng)自動(dòng)報(bào)警或者開啟相應(yīng)閥門進(jìn)行保溫或者降溫,確保物料溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。 例如:液態(tài)硝酸銨溶液的儲(chǔ)存溫度設(shè)定為下限85 ℃、上限92 ℃,當(dāng)實(shí)時(shí)溫度為81 ℃時(shí),蒸汽保溫閥門自動(dòng)開啟,對(duì)儲(chǔ)罐物料進(jìn)行加熱保溫,當(dāng)實(shí)時(shí)溫度達(dá)到92 ℃時(shí),蒸汽保溫閥門自動(dòng)關(guān)閉。

2.5 密度控制

原有混合工序密度檢測(cè)是靠人工從混合罐中取出樣品進(jìn)行測(cè)量,這種方式受溫度影響較大,測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。 自動(dòng)化控制設(shè)計(jì)系統(tǒng)是通過壓差式密度檢測(cè)儀對(duì)混合罐內(nèi)的半成品進(jìn)行密度檢測(cè),當(dāng)檢測(cè)到的密度值不合格時(shí),通過遠(yuǎn)程控制添加密度調(diào)節(jié)劑進(jìn)行密度調(diào)節(jié),直至密度到規(guī)定值。 改造前一直采用人工靜態(tài)測(cè)量法,使用頻域測(cè)量儀進(jìn)行檢測(cè)。 而水膠炸藥本身呈現(xiàn)的是漿狀膠體的物質(zhì),內(nèi)部有很多顆粒分散其中,這種儀器不適用重介懸浮液密度測(cè)量,因此改用壓差式儀表,壓差式儀表具有誤差修正、數(shù)據(jù)處理、精度高、防護(hù)等級(jí)高等優(yōu)點(diǎn),能實(shí)現(xiàn)工業(yè)在線快速測(cè)量,滿足自動(dòng)化生產(chǎn)的需求。

2.6 pH值控制

混合罐內(nèi)的半成品呈現(xiàn)出粘稠狀態(tài),對(duì)pH 值的檢測(cè)帶來很大難度,半成品容易粘連在傳感器上,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確,因此傳感器不能直接安裝在物料內(nèi),所以設(shè)計(jì)了一種專用的測(cè)量裝置,如圖2所示。 在進(jìn)行檢測(cè)時(shí),把傳感器插入到物料中,檢測(cè)結(jié)束后將傳感器抽出并放置在沖洗設(shè)備內(nèi),把傳感器表面的物料沖洗干凈。 在調(diào)整時(shí),根據(jù)檢測(cè)值,遠(yuǎn)程控制添加pH 值調(diào)節(jié)劑,直至達(dá)到規(guī)定值。

圖2 pH 值專用測(cè)量裝置

3 控制系統(tǒng)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)采用國內(nèi)著名的KingView 組態(tài)軟件,動(dòng)畫式再現(xiàn)工藝流程。 控制系統(tǒng)將所有工序的生產(chǎn)工藝數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、顯示,并通過主機(jī)對(duì)生產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制,實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線聯(lián)動(dòng);對(duì)生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集、存儲(chǔ)、分析;實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備數(shù)據(jù)報(bào)警、工藝參數(shù)報(bào)警及查詢等。 組態(tài)系統(tǒng)具有Web 功能,在網(wǎng)絡(luò)連通的情況下可以將組態(tài)的操作界面上傳到公司相關(guān)管理站點(diǎn),可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控操作人員的操作,并可以查詢歷史數(shù)據(jù)等。

1)系統(tǒng)運(yùn)行,在硝酸銨儲(chǔ)罐內(nèi)按照品種需要進(jìn)行硝酸銨溶液的配制,同時(shí)固態(tài)物料按照配比進(jìn)行稱重準(zhǔn)備,對(duì)其他添加劑進(jìn)行自動(dòng)檢查,需要補(bǔ)料的進(jìn)行提醒。

2)系統(tǒng)自檢后,根據(jù)工藝要求分別將硝酸甲胺溶液和硝酸銨溶液計(jì)量并泵送至冷卻罐內(nèi),然后進(jìn)行冷卻降溫,并進(jìn)行初步的pH 值測(cè)量。 同時(shí)固態(tài)物料投放至懸掛輸送車內(nèi),等待系統(tǒng)指令。

3)冷卻罐內(nèi)的混合溶液符合要求后,計(jì)量并泵送到混合罐內(nèi),同時(shí)懸掛系統(tǒng)開始運(yùn)行。 混合溶液輸送完畢時(shí),輸送車移動(dòng)到位,開啟輸送車閘板和下料螺旋,往混合罐內(nèi)投放固態(tài)物料,并開始進(jìn)行混拌。

4)混拌的過程中需要進(jìn)行檢測(cè)時(shí),pH 計(jì)在氣缸的推動(dòng)下插入到物料中進(jìn)行測(cè)量,同時(shí)對(duì)密度值進(jìn)行檢測(cè),根據(jù)檢測(cè)值進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整后,進(jìn)行再次測(cè)量,直至調(diào)整合格。 測(cè)量結(jié)束后,pH 計(jì)抽回并水平移動(dòng)到?jīng)_洗槽上方,氣缸再次動(dòng)作將pH 計(jì)插入沖洗裝置并進(jìn)行沖洗,沖洗結(jié)束后等待下次工作。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高整個(gè)水膠炸藥生產(chǎn)線的本質(zhì)安全生產(chǎn)水平和自動(dòng)化技術(shù)控制水平,新建一個(gè)中心控制室,把整個(gè)生產(chǎn)線電氣、工藝設(shè)備的遠(yuǎn)程操作、自動(dòng)控制、監(jiān)視系統(tǒng)、安全聯(lián)鎖系統(tǒng)、智能信息系統(tǒng)全部納入中心控制室的管理范圍。 控制室監(jiān)控操作間布置7 個(gè)工位中心操作臺(tái)(分別為原料制備與中和工位、水膠混合工位、裝藥包裝工位、視頻監(jiān)控、懸掛車工位、門禁工位)和一套大屏幕電視墻(配備4臺(tái)大屏幕),大屏幕電視墻可以監(jiān)控整個(gè)生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況,可同時(shí)對(duì)36 個(gè)畫面進(jìn)行大屏監(jiān)控。 同時(shí)在監(jiān)控室配備一臺(tái)NVR 視頻服務(wù)器,實(shí)現(xiàn)90 d錄像存儲(chǔ)。

4 結(jié)論

水膠炸藥混藥工序自動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用,減少了在線生產(chǎn)人員,提高了自動(dòng)化水平,原有工藝需要3 ～5 人才能完成混藥工序的生產(chǎn),通過技術(shù)改造后,實(shí)現(xiàn)了該工序的無人化制備過程。 而且加強(qiáng)了生產(chǎn)過程中的本質(zhì)安全性,提高了整個(gè)生產(chǎn)過程的自動(dòng)化水平和連續(xù)性,為今后的全線無人化奠定了基礎(chǔ)。