水膠炸藥生產(chǎn)線混藥工序自動化控制系統(tǒng)研究

劉金洲,張成俊

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

0 引言

水膠炸藥自20 世紀80 年代引進以來,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)量波動較大[1-4]。 工信部要求:堅持以科學發(fā)展觀為統(tǒng)領(lǐng),以安全生產(chǎn)為核心,通過提升技術(shù)標準及準入條件,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,推動民爆行業(yè)技術(shù)進步[5]。 本文利用自動控制技術(shù),研究設(shè)計出了混藥工序的無人化自動控制系統(tǒng),推動了水膠炸藥生產(chǎn)過程中的無人化、少人化,為實現(xiàn)水膠炸藥全線自動控制做好了鋪墊。

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,充分攪拌,并對密度、溫度及pH 值進行調(diào)整,調(diào)整結(jié)束后即可進行裝藥。 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化設(shè)計方案

通過物料的自動加料、自動稱重,對各種物料的重量、溫度、密度、pH 值等參數(shù)進行實時監(jiān)控,來控制混藥的進程。

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)自動送到輸送螺旋,自動對接以及自動下料,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行控制。 控制原理為:根據(jù)生產(chǎn)進程,需要添加某種物料時,控制閥門或者閘板打開,此時系統(tǒng)持續(xù)檢測儲罐的總重量,當儲罐的總重量減少值達到設(shè)定值時,閥門或者閘板自動關(guān)閉。

珍珠巖自動加料方式和計量是混合工序自動化控制系統(tǒng)關(guān)鍵所在。 珍珠巖宜揚塵不宜輸送和計量,且不宜大量儲存[6]。 原有工藝中珍珠巖的加料是提前抽取到一個儲罐中,根據(jù)工藝需要,人工添加到混合罐中,沒有任何計量措施,全憑人員經(jīng)驗操作。 而自動化控制系統(tǒng)則是通過在儲罐上安裝電子秤,實現(xiàn)自動下料并進行計量控制。

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),此種方法費事費力且不精確。 在自動化控制系統(tǒng)中設(shè)置五個不同的液料儲罐,每天開班前把儲罐加滿,在生產(chǎn)過程中通過電子秤計量小罐進行計量,并自動按照順序添加到混合罐中。

對液態(tài)物料采用質(zhì)量流量計控制,管道采用往返循環(huán)流動式,保證管道內(nèi)物料流量的穩(wěn)定,根據(jù)工藝要求,需要供料時打開三通閥門,此時質(zhì)量流量計開始計量,當累積量達到設(shè)定值時,閥門自動切換回循環(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)鎖保護的一種手段,當壓力高于或者小于設(shè)定值時,系統(tǒng)會根據(jù)壓力的大小選擇報警或者停機,用來保護設(shè)備和系統(tǒng)的正常運行。

2.4 溫度控制

自動化控制系統(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)原材料溫度過低時會結(jié)晶,成品藥溫度過高會導(dǎo)致交聯(lián)不利于裝藥,利用溫度傳感器實時檢測物料溫度,當檢測溫度超出設(shè)定值時,系統(tǒng)自動報警或者開啟相應(yīng)閥門進行保溫或者降溫,確保物料溫度在規(guī)定范圍內(nèi)。 例如:液態(tài)硝酸銨溶液的儲存溫度設(shè)定為下限85 ℃、上限92 ℃,當實時溫度為81 ℃時,蒸汽保溫閥門自動開啟,對儲罐物料進行加熱保溫,當實時溫度達到92 ℃時,蒸汽保溫閥門自動關(guān)閉。

2.5 密度控制

原有混合工序密度檢測是靠人工從混合罐中取出樣品進行測量,這種方式受溫度影響較大,測量結(jié)果不準確。 自動化控制設(shè)計系統(tǒng)是通過壓差式密度檢測儀對混合罐內(nèi)的半成品進行密度檢測,當檢測到的密度值不合格時,通過遠程控制添加密度調(diào)節(jié)劑進行密度調(diào)節(jié),直至密度到規(guī)定值。 改造前一直采用人工靜態(tài)測量法,使用頻域測量儀進行檢測。 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、防護等級高等優(yōu)點,能實現(xiàn)工業(yè)在線快速測量,滿足自動化生產(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pH 值的檢測帶來很大難度,半成品容易粘連在傳感器上,導(dǎo)致數(shù)據(jù)不準確,因此傳感器不能直接安裝在物料內(nèi),所以設(shè)計了一種專用的測量裝置,如圖2所示。 在進行檢測時,把傳感器插入到物料中,檢測結(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,根據(jù)檢測值,遠程控制添加pH 值調(diào)節(jié)劑,直至達到規(guī)定值。

圖2 pH 值專用測量裝置

3 控制系統(tǒng)

3.1 軟件系統(tǒng)設(shè)計

控制系統(tǒng)采用國內(nèi)著名的KingView 組態(tài)軟件,動畫式再現(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)進行采集、顯示,并通過主機對生產(chǎn)線實現(xiàn)遠程自動控制,實現(xiàn)生產(chǎn)線聯(lián)動;對生產(chǎn)線數(shù)據(jù)實時采集、存儲、分析;實現(xiàn)實時數(shù)據(jù)查詢、歷史數(shù)據(jù)查詢、設(shè)備數(shù)據(jù)報警、工藝參數(shù)報警及查詢等。 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,可以實現(xiàn)遠程實時監(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)運行,在硝酸銨儲罐內(nèi)按照品種需要進行硝酸銨溶液的配制,同時固態(tài)物料按照配比進行稱重準備,對其他添加劑進行自動檢查,需要補料的進行提醒。

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量并泵送至冷卻罐內(nèi),然后進行冷卻降溫,并進行初步的pH 值測量。 同時固態(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,計量并泵送到混合罐內(nèi),同時懸掛系統(tǒng)開始運行。 混合溶液輸送完畢時,輸送車移動到位,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,并開始進行混拌。

4)混拌的過程中需要進行檢測時,pH 計在氣缸的推動下插入到物料中進行測量,同時對密度值進行檢測,根據(jù)檢測值進行相應(yīng)的調(diào)整后,進行再次測量,直至調(diào)整合格。 測量結(jié)束后,pH 計抽回并水平移動到?jīng)_洗槽上方,氣缸再次動作將pH 計插入沖洗裝置并進行沖洗,沖洗結(jié)束后等待下次工作。

3.2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

為了提高整個水膠炸藥生產(chǎn)線的本質(zhì)安全生產(chǎn)水平和自動化技術(shù)控制水平,新建一個中心控制室,把整個生產(chǎn)線電氣、工藝設(shè)備的遠程操作、自動控制、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 個工位中心操作臺(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臺大屏幕),大屏幕電視墻可以監(jiān)控整個生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀況,可同時對36 個畫面進行大屏監(jiān)控。 同時在監(jiān)控室配備一臺NVR 視頻服務(wù)器,實現(xiàn)90 d錄像存儲。

4 結(jié)論

水膠炸藥混藥工序自動控制系統(tǒng)的應(yīng)用,減少了在線生產(chǎn)人員,提高了自動化水平,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,實現(xiàn)了該工序的無人化制備過程。 而且加強了生產(chǎn)過程中的本質(zhì)安全性,提高了整個生產(chǎn)過程的自動化水平和連續(xù)性,為今后的全線無人化奠定了基礎(chǔ)。