劉林林

（湖南金聚能科技有限公司，湖南 長沙 410012）

乳化基質(zhì)地面站和工業(yè)炸藥混裝車的出現(xiàn)給爆破工程帶來了重大變革，通過對傳統(tǒng)炸藥制造工序進(jìn)行一系列簡化，去除炸藥包裝等生產(chǎn)環(huán)節(jié)，不僅節(jié)約了生產(chǎn)成本，還減少了炸藥中間流通風(fēng)險(xiǎn)。現(xiàn)場混裝技術(shù)在我國得到了成功應(yīng)用。隨著乳化基質(zhì)生產(chǎn)工藝與裝備日益完善，以及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)在地面站生產(chǎn)系統(tǒng)的成功應(yīng)用，乳化基質(zhì)的生產(chǎn)趨向智能化［1］。地面站自控系統(tǒng)主要由工業(yè)控制機(jī)、監(jiān)視器、可編程控制器、變頻調(diào)速器、傳感器和各種變送器執(zhí)行機(jī)構(gòu)等硬件和控制軟件組成，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)生產(chǎn)全過程的自動控制。本文針對黑龍江華安民爆器材有限公司年產(chǎn)20 000 t乳化基質(zhì)固定地面站工藝及裝備，在湖南金聚能科技有限公司現(xiàn)有自控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對涉及產(chǎn)品質(zhì)量與生產(chǎn)安全的關(guān)鍵工序進(jìn)行了再分析和再設(shè)計(jì)，力求對影響生產(chǎn)本質(zhì)安全和產(chǎn)品質(zhì)量的生產(chǎn)工序進(jìn)行精準(zhǔn)控制和聯(lián)鎖保護(hù)。

1 乳化基質(zhì)地面站自控系統(tǒng)簡介

乳化基質(zhì)地面站生產(chǎn)工序包含油相配制、水相配制、連續(xù)制藥等三個(gè)工藝環(huán)節(jié)，具體自控工藝流程如圖1所示?？刂葡到y(tǒng)是保證各個(gè)生產(chǎn)工序穩(wěn)定、安全、可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。該系統(tǒng)采用西門子PROFINET及PROFIBUS DP雙總線分布式、多機(jī)冗余控制技術(shù)，本著安全、先進(jìn)、可靠、穩(wěn)定及實(shí)用的原則進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖1 乳化基質(zhì)生產(chǎn)自控流程

該控制系統(tǒng)采用現(xiàn)場總線技術(shù)，基于分散型控制系統(tǒng)（DCS），通過工控機(jī)、觸摸屏構(gòu)成人機(jī)界面，分別控制生產(chǎn)過程中多個(gè)控制回路，同時(shí)對整個(gè)生產(chǎn)線進(jìn)行集中獲取數(shù)據(jù)、集中管理和集中控制。各分布式控制系統(tǒng)采用PLC分別控制各個(gè)回路，而用工控機(jī)、觸摸屏實(shí)施上一級的控制。各回路之間以及上下級之間通過西門子PROFINET、PROFIBUS DP現(xiàn)場總線及普通以太網(wǎng)總線技術(shù)進(jìn)行信息交換。這種分布式控制方式能改善控制的可靠性，不會由于上位機(jī)的故障而使整個(gè)系統(tǒng)失去控制。當(dāng)管理級發(fā)生故障時(shí)，過程控制級（控制回路）仍具有獨(dú)立控制能力，個(gè)別控制回路發(fā)生故障時(shí)也不會影響全局。同時(shí)系統(tǒng)能很方便地實(shí)現(xiàn)與工廠管理信息系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)強(qiáng)電部件由空氣開關(guān)、接觸器、熱繼電器、變頻器等組成，集中在低壓配電柜以實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動和短路保護(hù)、過載保護(hù)。低壓配電柜內(nèi)還裝有可編程控制器PLC。PLC具有很強(qiáng)的抗干擾能力，它的CPU系統(tǒng)與I／O接口采用光電隔離，可在各種惡劣環(huán)境下工作。該系統(tǒng)的自控硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。采用PROFINET、PROFIBUS DP現(xiàn)場總線技術(shù)對PLC及控制儀表進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、控制，各分布式子系統(tǒng)采用普通以太網(wǎng)總線技術(shù)進(jìn)行信息交換。

圖2 自動控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

2.1 可編程控制器（PLC）

用PLC取代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)，通過控制開關(guān)量實(shí)現(xiàn)邏輯和順序控制；運(yùn)用模擬量I／O模塊控制溫度、振動、壓力、速度、流量、料位等連續(xù)變化的模擬量，并采集、分析及處理數(shù)據(jù)；實(shí)現(xiàn)PLC與PLC之間、PLC與上位計(jì)算機(jī)或其他智能設(shè)備間的通信，構(gòu)成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統(tǒng)，建立工廠的自動化網(wǎng)絡(luò)。

可編程控制器是系統(tǒng)的核心。在PLC內(nèi)部增設(shè)內(nèi)部濾波處理器，同時(shí)設(shè)計(jì)CPU與I／O光電進(jìn)行隔離，以提高控制系統(tǒng)整體抗干擾能力和在各種惡劣環(huán)境下工作的穩(wěn)定性。

2.2 低壓配電柜及觸摸屏

由空氣開關(guān)、接觸器、熱繼電器、變頻器等組成的低壓配電柜能實(shí)現(xiàn)各種設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)的驅(qū)動和短路保護(hù)、電機(jī)過載保護(hù)。在緊急情況下，還能進(jìn)行緊急停機(jī)。觸摸屏能實(shí)時(shí)監(jiān)控顯示生產(chǎn)時(shí)的溫度、液位等，并能通過授權(quán)對設(shè)備進(jìn)行現(xiàn)場操作。

2.3 智能儀表和現(xiàn)場執(zhí)行機(jī)構(gòu)

本系統(tǒng)要求智能儀表精度高、功耗低、抗干擾能力強(qiáng)，這對系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行起到關(guān)鍵作用。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)人機(jī)界面在Windows 10環(huán)境下、采用WINCC編寫。在控制系統(tǒng)人機(jī)界面設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)了多幅畫面，主要包括用戶登錄、工藝流程、數(shù)據(jù)監(jiān)控、故障報(bào)警、數(shù)據(jù)查詢、參數(shù)設(shè)定、安全聯(lián)鎖參數(shù)設(shè)定、電機(jī)控制、閥門控制、用戶注銷、用戶退出等。各界面緊扣生產(chǎn)工藝流程，能夠形象地反映生產(chǎn)中各工序之間的邏輯關(guān)系，便于操作人員熟練掌握。如圖3～6所示。

圖3 自控系統(tǒng)人機(jī)操作主界面

圖4 自控系統(tǒng)操作報(bào)警查詢界面

圖5 自控系統(tǒng)人機(jī)操作數(shù)據(jù)查詢界面

圖6 自控系統(tǒng)人機(jī)操作參數(shù)設(shè)置界面

工作人員通過這些畫面不僅可隨時(shí)監(jiān)視各個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀況，也可隨時(shí)根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的改變而直接對各種工藝參數(shù)進(jìn)行修改，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)管理的高度集約化。

4 控制系統(tǒng)功能的設(shè)計(jì)

本控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)緊扣生產(chǎn)工藝，并結(jié)合多年的民爆行業(yè)從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，從用戶使用習(xí)慣和工業(yè)儀表及傳感器靈敏度等諸多方面著手，力求設(shè)計(jì)出一套安全可靠的系統(tǒng)，達(dá)到既能提高生產(chǎn)工藝的自動化程度，又能對生產(chǎn)中涉及安全的關(guān)鍵工序的各過程進(jìn)行全程監(jiān)控，并深挖生產(chǎn)中各個(gè)重要參數(shù)之間的邏輯關(guān)系，通過PLC程序進(jìn)行聯(lián)鎖控制。

4.1 溫度超限報(bào)警及保護(hù)

結(jié)合乳化基質(zhì)生產(chǎn)特點(diǎn)，對涉及生產(chǎn)安全的溫度參數(shù)設(shè)置了立即報(bào)警停機(jī)，對生產(chǎn)工藝條件有關(guān)溫度參數(shù)進(jìn)行報(bào)警提示。對油相儲罐溫度、水相儲罐溫度、基質(zhì)溫度（乳化機(jī)出口溫度）、基質(zhì)泵出口溫度等參數(shù)設(shè)置了聯(lián)鎖停機(jī)功能，油相儲罐溫度報(bào)警溫度上限為90℃，油相儲罐溫度報(bào)警溫度上限為60℃，基質(zhì)溫度（乳化機(jī)出口）報(bào)警溫度上限為90℃，基質(zhì)泵出口溫度報(bào)警上限為90℃。對油相溶化罐溫度、水相溶化罐溫度、水相輸送管路溫度、熱水溫度等參數(shù)設(shè)置了報(bào)警功能，油相溶化罐溫度報(bào)警上限為60℃，水相溶化罐溫度上限為90℃，水相輸送管路溫度報(bào)警低限為72℃，熱水溫度報(bào)警上限為98℃。

4.2 工藝物料斷料報(bào)警及保護(hù)

油相斷料和水相斷料檢測在油水相泵運(yùn)行30 s后啟用。油相斷料或水相斷料一旦報(bào)警，所有設(shè)備停機(jī)，確保乳化過程的安全性。

4.3 乳化機(jī)冷卻水?dāng)嗔鲌?bào)警及保護(hù)

乳化機(jī)冷卻水?dāng)嗔魇歉鶕?jù)水流開關(guān)狀態(tài)與乳化機(jī)運(yùn)行二元條件判斷的，為避免干擾，水?dāng)嗔髋袛嘣O(shè)置2 s延時(shí)，如果水?dāng)嗔鳡顟B(tài)持續(xù)存在，則觸發(fā)報(bào)警及保護(hù)條件，實(shí)現(xiàn)乳化機(jī)保護(hù)停機(jī)及主流程停機(jī)。

4.4 關(guān)鍵設(shè)備過電流報(bào)警及保護(hù)

系統(tǒng)對關(guān)鍵設(shè)備如乳化器、基質(zhì)泵、水相泵、油相泵進(jìn)行運(yùn)行電流檢測，過電流判斷一旦成立，立即激勵(lì)電鈴發(fā)出報(bào)警聲音，并進(jìn)行主流程設(shè)備停機(jī)保護(hù)，各關(guān)鍵設(shè)備報(bào)警電流上限為各設(shè)備電機(jī)額定電流值。

4.5 超壓報(bào)警及保護(hù)

對乳化機(jī)進(jìn)、出口壓力，基質(zhì)泵、油水相螺桿泵出口壓力進(jìn)行檢測。乳化機(jī)進(jìn)口壓力最貼近乳化機(jī)工作腔實(shí)際壓力；油水相螺桿泵出口壓力既是乳化機(jī)壓力的源頭又對螺桿泵工況具有重要意義。這4個(gè)壓力參數(shù)都采用上限報(bào)警及主流程保護(hù)停機(jī)。乳化機(jī)進(jìn)、出口壓力報(bào)警上限為0.6 MPa，油水相螺桿泵出口壓力報(bào)警上限為0.6 MPa，基質(zhì)泵出口壓力報(bào)警上限為1.2 MPa。

4.6 水蒸汽壓力報(bào)警及保護(hù)

對水蒸汽壓力進(jìn)行檢測，水蒸汽超高壓及低壓限均報(bào)警。水蒸汽壓力報(bào)警上限為0.8 MPa。

4.7 乳化機(jī)振動速度超限報(bào)警及保護(hù)

乳化機(jī)振動傳感器輸出三軸振動速度，其數(shù)值大小反映了“振動大小”。振動超限，則會觸發(fā)報(bào)警及保護(hù)條件，實(shí)現(xiàn)乳化機(jī)保護(hù)停機(jī)及主流程停機(jī)。乳化機(jī)振動傳感器振動報(bào)警上限為10 mm／s。

4.8 基質(zhì)料斗料位超高報(bào)警及保護(hù)

對基質(zhì)料斗料位進(jìn)行檢測，當(dāng)料位超設(shè)定值時(shí)間超過30 s時(shí)，各主流程停機(jī)。料斗料位報(bào)警上限為0.5 m。

4.9 電機(jī)過載報(bào)警保護(hù)

電機(jī)過載保護(hù)采用常規(guī)的熱繼電器，它具有反時(shí)限動作保護(hù)特性，其整定值由電氣專業(yè)設(shè)定。主流程電機(jī)具有聯(lián)鎖停機(jī)功能，只要其中任何一臺電機(jī)發(fā)生過載保護(hù)，主流程全線電機(jī)都會停機(jī)。非主流程電機(jī)過載只觸發(fā)單機(jī)保護(hù)停機(jī)。每臺電機(jī)過載都會報(bào)警并鳴響電笛。

5 結(jié) 語

乳化基質(zhì)地面站自動化控制系統(tǒng)自2019年建成至今，已穩(wěn)定運(yùn)行了3年多，共生產(chǎn)近6萬噸乳化基質(zhì)，運(yùn)行情況表明，該自動化控制系統(tǒng)安全聯(lián)鎖保護(hù)功能強(qiáng)大，能滿足一鍵自動制乳的工藝生產(chǎn)要求，大幅降低了生產(chǎn)開機(jī)時(shí)因不熟悉生產(chǎn)工藝而導(dǎo)致的產(chǎn)品質(zhì)量問題和開機(jī)先后順序錯(cuò)亂而帶來的安全隱患。