乳化炸藥油水相流量控制

摘 要:以乳化炸藥生產線油、水相流量控制系統為研究對象，分析油、水相流量添加過程的滯后性，針對傳統PID控制理論的不足，詳細分析了自校正PID理論，采用自校正PID控制策略來實現流量的實時控制。現場運行情況表明，這種控制策略符合工業實際，采用的控制器穩定可靠。

關鍵詞:乳化炸藥;流量控制;自校正PID;軟件設計

中圖分類號:TP29文獻標識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)05-151-03

Oil and Water Flow Control of Emulsion Explosive

ZHANG Yuchi，WANG Suiping

(Information Science and Engineering College，Central South University，Changsha，410012，China)

Abstract:Studying emulsion explosive production line control system，analyzing the emulsion explosive production line control system design of the system software.Considering the oil，the process of water flow lag，in view of the inadequacy of the traditional PID，a detailed analysis of the self-tuning PID theory，using the self-tuning PID control strategy to achieve the flow of real-time control.Operation at the scene show that the control strategy in line with industry practice，usage of the controller is stable and reliable.

Keywords:emulsion explosive;flow control;self-tuning PID;software design

21世紀前20年是我國國民經濟發展重要的戰略機遇期，民用爆破器材行業作為基礎性產業，肩負著為國民經濟建設服務的重要任務。實現機械化裝藥及提供高性能、低成本炸藥，對提高礦產資源規模化高效開采及保障生產效率，使其適應我國國民經濟快速發展的步伐，都有重要意義。基于這個行業背景，實現乳化炸藥生產線的自動化就變得尤為迫切。從乳化炸藥生產線生產工藝得知，水相流量與油相流量的調節是工藝上的重點，其調節準確性直接影響炸藥的質量，因此合理設計水相流量與油相流量的調節在連續乳化炸藥生產過程中十分重要。

1 炸藥生產線油水相流量控制研究現狀

目前，發達國家使用的小直徑炸藥大部分為乳化炸藥[1]。美國的乳化炸藥生產線使用的水、油相流量控制系統，技術水平先進，機械化、自動化水平高，除極個別產品采用間斷生產以外，所有的乳化炸藥生產都采用連續化生產工藝。從自動配料開始，連續乳化，連續敏化，直到連續自動裝藥。連續化生產的基礎是操作命令由電腦程序控制和物料管道輸送。配制好的水相和油相分別過濾后混合通過管道系統送入乳化器[2]，整個生產過程實現計算機自動控制。輸送管道上有測溫裝置和自動流量計系統，通過計量泵、計量儀的雙重檢測，監控成分配比，生產安全可靠，產品性能穩定[3]。日本從美國引進該技術，然后結合日本的實際情況進行了研究和改進，使炸藥的狀況己由原來的漿狀成為現在的膠質狀，同時開發了無需乳化劑的乳化炸藥。隨著微處理芯片的出現，水、油相流量控制技術已在日本的乳化炸藥生產領域得到了廣泛應用，使乳化炸藥生產技術取得了突飛猛進的發展，幾乎所有的乳化炸藥水、油相流量的控制都采用微機控制，全連續、全自動的生產工藝。

我國自20世紀70年代末開始研制乳化炸藥[4]，北京礦冶研究院率先研究發明了EL系列乳化炸藥。進入20世紀90 年代，乳化炸藥水、油相流量的半自動控制方式以模擬屏為代表，其主要特點是控制室內設有模擬屏，它將現場儀表采集的流量信號通過變送器送到模擬屏上進行顯示;操作人員通過觀察模擬屏上顯示的流量過程參數和電機、閥門的開啟狀態，對生產過程進行監控[5]。隨著計算機的高速發展和工藝技術與設備水平的進步，出現了連續乳化型生產線。連續乳化是指水相材料和油相材料分別制備后，按照配方要求，通過各自的計量系統將其連續不斷地按比例加入到連續乳化機中形成基質，其主要特點是由自控系統完成從配料到生產整個過程的控制，操作人員在控制室內即可完成生產控制[6]。

國內乳化炸藥生產水、油相流量的控制理論研究發展很快，內容包括水相和油相流量的控制過程與原理，計算機的數據采樣與存取、系統因素造成的流量控制滯后原因。在乳化炸藥連續乳化生產中，水相和油相流量的動態特性及數字調節器的參數整定方法，采用單閉環流量調節系統的控制方案，數字調節器采用比例積分調節完全能夠達到流量控制要求[7]。構造模糊自適應PID控制器，對傳熱性能測試系統中的水相和油相流量進行控制，通過模糊規則進行推理和決策，在線整定PID控制器的三個參數。實際系統運行結果表明，此方法提高了流量的控制性能，實現了水相和油相流量控制的自動化。

2 乳化炸藥生產線油、水相流量控制

2.1 系統控制思想

乳化炸藥油、水相流量生產過程有兩個控制目標[8]，一是按照配方模型的要求保證油相的流量合理配比;二是將水相流量控制在一定的范圍內，這樣才能保證泵的效果達到最好，保證油相與水相以最佳的效果混合產出炸藥成品，從而保證炸藥成品的質量。在控制策略上，本文使用了自校正PID控制策略，利用自校正修正PID參數，改變PID控制方式，以達到最佳PID控制效果。

2.2 油、水相流量自校正PID控制器

基于生產工藝考慮，構造油、水相流量PID控制器，其控制框圖如圖1所示。

圖1 流量控制框圖

圖1中，油、水相流量設定值與實際值的偏差e作為油、水相流量PID控制器的輸入，同時分析檢測數據中的油、水相流量值將根據配方模型的參考比例作為油、水相流量的設定值[9]。油、水相流量PID控制器經過運算修改油控制器的參數，由PID控制器給出油泵的控制量u。選擇油、水相流量的控制方案是將系統按四輸入二輸出的多變量處理，并設計一個自校正控制器，該控制原理框圖如圖2所示。

圖2 控制原理框圖

系統的輸入:u(k)=T;

系統的輸出:y(k)=T。

該系統的數學模型是:

A(z-1)y(k)=z-dB(z-1)u(k)+ξ(k)

式中:ξ(k)為白噪聲。

A(z-1)y(t)=z-dB(z-1)u(t)+ξ(t)

(1)

式中:

A(z-1)=1+a1z-1+a2z-2+…+anz-n;

B(z-1)=b0+b1z-1+b2z-2+…+bmz-m;

d為被控對象的純滯后;

z-1為后移算子;

y(t)和u(t)分別為過程的輸出和輸入;

ξ(t)為隨機干擾。

為了便于分析問題，式(1)可以表示為:

y(t)=-(a1+a2z-1+…+anz-(n-1))y(t-1)+

(b0+b1z-1+…+bmz-m)u(t-d)+ξ(t)

(2)

設:

A1(z-1)=a1+a2z-1+…+anz-(n-1)

則有:

y(t)=-A1(z-1)y(t-1)+B(z-1)u(t-d)+ξ(t)

選擇估計模型為:

y(t)=-A1(z-1)y(t-1)+B(z-1)u(t-d)+(t)

=xT(t)Q(t)+(t)

(3)

式中:(t)為擬和誤差。

由輸入和輸出組成的數據信息向量為:

x(t)=y(t-1)，-y(t-2)，…，-y(t-n)，

u(t-d)，…，u(t-d-m)〗T

(4)

被控過程的參數向量為:

Q(t)=T

(5)

應用加權遞推最小二乘法進行參數估計:

Q(t)=Q(t-1)+k(t)y(t)-xT(t)Q(t-1)〗

(6)

k(t)=P(t-1)x(t)xT(t)P(t-1)x(t)〗

(7)

P(t)=xT(t)〗P(t-1)/ρ

(8)

式中: ρ為遺忘因子;P(t)為正定協方差矩陣。

系統辨識環節根據u(k)和y(k)在線辨識變化的系統工藝參數，再根據給定的優化指標進行參數估計，改變控制器參數。

3 油、水相流量自校正PID控制系統實現

3.1 硬件實現

乳化炸藥油、水相流量控制工序段硬件組成結構如圖3所示，其基礎是底層的集散控制系統(DCS)。系統控制結構至少有三層，與DCS系統相連接的可編程控制器(PLC)以及處于PLC上一層的若干臺實時監控計算機構成現場控制層，優化計算機構成上一級管理優化層。

監控級主要完成:現場溫度、壓力、料位的記錄及電機狀態顯示等工藝過程的監控;完成工藝數據的存儲、曲線顯示;生產過程工藝及設備故障預警與報警;專家系統監控以及系統的調度。

現場級主要完成:接收來自監控計算機遙控的開關量輸出和模擬量設定值，并作用于執行機構;檢測現場開關量的輸入，采集水相流量、油相流量、油相溫度、料位、等傳感器的工藝參數，并傳輸給監控計算機，以完成油、水相流量控制的在線控制。

執行機構主要有異步電動機、油相泵、水相泵、電動閥等。

圖3 系統硬件結構

數據采集機構主要完成現場數據的采集及預處理[10]。由于乳化炸藥的生產過程具有很高的危險性，所以現場采集機構都需要具有隔爆特性。根據工藝要求、控制需要和成本考慮，系統選用了如下的傳感器:由于水相的滯后性，采用HXLDE型智能電磁流量計測量其流量值;根據油相特性，采用科里奧利質量流量計測量其流量值;同時系統還采用了溫度傳感器、壓力傳感器、電流傳感器和電壓傳感器。

3.2 控制系統軟件功能實現

控制軟件采用組態軟件“組態王” 6.5版。 “組態王”是建立工業控制對象人機接口的一種智能軟件包，它以Windows NT中文操作系統作為其操作平臺，充分利用了Windows的完備圖形功能、友好界面及易學易用的特點。界面實時監視窗口提供了形象、直觀的工藝流程圖畫面，在畫面上顯示所有設備的工作狀況、控制點的控制參數、過程控制系統的實時數據顯示，給用戶提供重要的參數信息。

4 工業應用效果及分析

乳化炸藥生產線油、水相流量自校正PID控制系統已于2008年6月在廣西柳州威奇化工有限公司投入生產使用。在產能保持恒定的前提下，將油、水相流量自校正PID控制器投入運行，截取了不同時刻的運行曲線，如圖4所示。圖中，上方的曲線表示經過PID控制后水相流量的檢測值，下方的曲線表示經過PID控制后的油相流量的曲線圖(由于兩檢測值相差一個數量級，為了顯示的方便，把油相流量的檢測值加一個定值后再顯示輸出)。圖4中，曲線1表示水相流量實際值，曲線2表示水相流量設定值，曲線3表示油相流量時實際值，曲線4表示油相流量設定值。由圖4可以看出，經過自校正PID控制器的調節，油、水相流量輸出能按流量設定值變化，其誤差范圍在0.5%以內，滿足了工藝控制精度的要求，最終達到炸藥組分的質量要求。

圖4 油、水相流量運行曲線

5 結 語

系統采用基于以太網的集散控制結構，使得控制系統的硬件實現具有更大的靈活性。通過把自校正PID控制思想轉化為實際的應用軟件嵌入到炸藥生產過程油、水相流量控制系統中，有效地實現了流量的自動控制。投入工業運行后，從現場的運行效果來看，該乳化炸藥生產線流量控制系統達到了生產工藝的要求，保證了油、水相流量穩定運行，實現了乳化炸藥生產過程的自動控制，得到了令人滿意的效果，取得了顯著的經濟效益和社會效益。

參考文獻

[1]汪旭光.乳化炸藥[M].北京:冶金工業出版社，1993.

[2]熊代余.BJC系列乳化炸藥現場混裝車的研制與應用[J].爆破器材，2004，33(6):12-16.

[3]呂春緒，劉祖亮，倪歐琪.工業炸藥[M].北京:兵器工業出版社，1994.

[4]賀建軍，喻壽益，桂衛華.基于微機監控的乳化炸藥全自動連續生產線[J].中南工業大學學報，1998，30(4):422-425.

[5]朱凌云，蔣峰，何端陽.乳化炸藥連續化生產線計算機控制系統[J].現代電子技術，2003，26(3):68-70.

[6]楊啟堯，王越勝.乳化炸藥生產線油水相流量的模糊控制及仿真[J].工業控制計算機，2004(7):17-19.

[7]唐永哲.自校正PID調節器的極點配置設計法[J].工業儀表與自動化裝置，1995(1):3-5.

[8]甲馮濤.基于模糊PID的傳熱性能測試系統流量控制研究[J].控制與決策，2007，22(10):1-12.

[9]劉茂后.連續乳化的水相與油相流量調節系統參數整定[J].爆破器材，2003，32(4):3-6.

[10]吳龍祥，裴海興.乳化炸藥連續化生產工藝安全性淺析[J].爆破器材，2003，32(2):3-8.