起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線控制系統(tǒng)研究

郭 衛(wèi)，陳小松

（西安科技大學(xué) 機械工程學(xué)院，西安 710054）

0 引言

起爆藥是火工藥劑技術(shù)的核心和基礎(chǔ)，是火工藥劑最關(guān)鍵、最主要的能源原材料之一。起爆藥生產(chǎn)的安全性、質(zhì)量的一致性是起爆藥生產(chǎn)的核心問題。但是，目前我國起爆藥生產(chǎn)大多數(shù)采用不同量級的間歇式人工批量生產(chǎn)。在化合的關(guān)鍵工序中，人為控制、人工操作較多，因此造成產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性差、生產(chǎn)安全性差、生產(chǎn)效率低等諸多問題。針對這些問題，本文在分析起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線工藝流程和相應(yīng)控制、安全要求的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一套基于PLC、觸摸屏和遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線控制系統(tǒng)，使得整個起爆藥生產(chǎn)過程實現(xiàn)了計算機監(jiān)測、控制和管理，以實現(xiàn)高質(zhì)量、低成本、穩(wěn)定可靠的運營方式。

1 起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線組成

根據(jù)生產(chǎn)的工藝順序，我們將起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線分為三個部分，即：保溫進料部分、化合攪拌出料部分和清洗排液部分，主要由原料制備裝置、加熱保溫裝置、進料裝置、化合沉淀裝置、過濾清洗裝置、廢液收集處理裝置等多部分設(shè)備組成。生產(chǎn)線組成如圖1所示。

2 起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線工藝流程

起爆藥生產(chǎn)線工藝流程圖如圖2所示。由圖2所示的工藝流程可知：通過兩臺連續(xù)進料裝置配合流量計將兩種原料藥劑溶液連續(xù)可控地按規(guī)定的流量準(zhǔn)確注入到化合柱中進行化合沉淀反應(yīng)。通過加熱恒溫浴（即溫控?zé)崴洌┖蜔崴h(huán)系統(tǒng)保證整個設(shè)備的工作溫度維持在起爆藥結(jié)晶沉淀所需的最佳溫度范圍。

合成反應(yīng)在由玻璃材料制成的柱狀化合沉淀設(shè)備中進行。化合柱上方有三個管路，分別向化合柱內(nèi)注入2種配料和蒸餾水。底部裝有出料口及其控制出藥的2個氣動閥門。

圖1 生產(chǎn)線三維數(shù)字樣機效果圖

圖2 起爆藥生產(chǎn)線工藝流程圖

過濾清洗工作臺有三個工作位置。在排放過濾工位，結(jié)晶體藥劑淌入抽濾杯中，大部分母液被過濾到廢液罐內(nèi)，一小部分殘留母液附著在結(jié)晶體上。對結(jié)晶體進行酒精洗和水洗，去除殘留母液。工作臺每個工位底部都有一個廢液罐，用來臨時存放沖洗后的廢液。三個工位有廢液需要被抽取處理，這主要由真空泵提供真空，并結(jié)合若干氣動隔膜閥的通斷來完成的。

3 控制方案

該系統(tǒng)采用典型的“PLC+工業(yè)PC機”構(gòu)成的中型集散結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。管理層級,工業(yè)控制計算機作為上位機直接監(jiān)控起爆藥生產(chǎn)過程。現(xiàn)場控制層級采用可編程序控制器(PLC)和觸摸屏控制完成起爆藥的原料進料、化合、出藥、過濾、酒精洗、水洗、廢液排放等動作和狀態(tài)顯示。設(shè)備層級，監(jiān)測系統(tǒng)為控制系統(tǒng)測量采集現(xiàn)場設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)，執(zhí)行元器件執(zhí)行控制指令。根據(jù)起爆藥生產(chǎn)的工藝要求和控制需要,整個控制系統(tǒng)按功能可劃分為3個層次:現(xiàn)場設(shè)備層、現(xiàn)場控制層和管理監(jiān)控層。PLC和上位機通過工業(yè)以太網(wǎng)進行通信。下位機與觸摸屏采用MPI方式通信。控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖

4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計

起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計主要包括：系統(tǒng)元件的選型以及各功能模塊的電路設(shè)計，即電源電路，安全繼電器電路，安全柵電路，執(zhí)行電機電路和氣動控制；I/O點地址分配和PLC系統(tǒng)的外部接線圖等。從硬件上實現(xiàn)控制方案中各個組成模塊的功能。硬件配置示意圖如圖4所示。

圖4 硬件配置示意圖

5 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計

5.1 控制系統(tǒng)的程序設(shè)計

該系統(tǒng)程序設(shè)計采用梯形圖語言進行編程。

PLC程序控制流程圖如圖5所示。其控制程序主要是根據(jù)工藝流程，完成對起爆藥化合生產(chǎn)過程控制及和觸摸屏、上位機、各種儀表的參數(shù)傳遞及信息交換。

根據(jù)生產(chǎn)工藝流程，對各主體設(shè)備的運行狀態(tài)分配變量，確定各狀態(tài)的先后順序及聯(lián)鎖關(guān)系，明確系統(tǒng)所要涉及的輸入/輸出量，畫出PLC各輸出信號與輸入信號間的邏輯關(guān)系，并由邏輯關(guān)系轉(zhuǎn)化為梯形圖。

在編程之前要對硬件進行組態(tài)和參數(shù)設(shè)定，下一步根據(jù)對起爆藥生產(chǎn)線的工藝流程和控制原理的分析，按照模塊化的程序設(shè)計思想，起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線監(jiān)控系統(tǒng)的PLC控制程序由下面的各程序塊組成：公共處理程序、手動控制程序和自動控制程序。程序結(jié)構(gòu)圖如圖6所示。其中自動控制程序主要采用順序控制設(shè)計法來設(shè)計。在手動工作模式下，由操作人員根據(jù)要求和經(jīng)驗手工完成打開HVK204閥注水、旋轉(zhuǎn)工作臺沿順時針/逆時針方向的循環(huán)轉(zhuǎn)動、在“取出/插入位”（4工位）放入取樣杯等工序。在自動工作模式下，除了系統(tǒng)的啟停與初始參數(shù)設(shè)定、工作臺轉(zhuǎn)動、HVK204閥注水其它的控制過程均由系統(tǒng)自動完成。

圖5 PLC程序控制主流程圖

圖6 程序結(jié)構(gòu)圖

5.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控人機界面的設(shè)計

上位機采用監(jiān)控軟件實現(xiàn)畫面的組態(tài)和監(jiān)控，并在整個企業(yè)網(wǎng)絡(luò)中傳遞信息。系統(tǒng)實現(xiàn)的基本功能如下：1）顯示功能：主要包括工藝流程、設(shè)備工作狀態(tài)、過程參數(shù)值、變化趨勢顯示等；2）操作功能：主要包括畫面切換、控制參數(shù)設(shè)置、配方輸入、報警確認(rèn)操作等；3）報警功能：包括設(shè)備報警信息顯示和確認(rèn)，設(shè)有報警優(yōu)先極，對重要設(shè)備重點監(jiān)控，根據(jù)過程狀態(tài)生成報警顯示，并通過報警打印機打印輸出，形成記錄文件。人機畫面框圖如圖7所示.

圖7 人機畫面框圖

觸摸屏組態(tài)軟件設(shè)計的過程、方法、實現(xiàn)的功能都與上位機相似，在這不予贅述。

6 結(jié)論

該控制系統(tǒng)特點是：具有安全聯(lián)鎖功能、使系統(tǒng)安全可靠；能適時監(jiān)控生產(chǎn)過程和顯示數(shù)據(jù)；人機界面友好，使操作簡單方便；故障響應(yīng)及時。該監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和運用不僅可以改善安全生產(chǎn)狀況，而且在很大程度上可以提高起爆藥生產(chǎn)的自動化水平、安全可靠性和質(zhì)量的穩(wěn)定性，對于起爆藥的連續(xù)穩(wěn)定生產(chǎn)起著重要作用，具有重要的推廣價值。

[1] 西門子(中國)有限公司自動化與驅(qū)動集團.深入淺出西門子S7-300PLC[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[2] 祖龍起,蔣洋,田甜.蛋粉干燥生產(chǎn)線控制系統(tǒng)設(shè)計[J].電氣傳動,2009(6).

[3] 張還,張后國,唐菊蘭.PLC和觸摸屏技術(shù)在真空玻璃生產(chǎn)線控制系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].玻璃,2009(7):38-41.

[4] 仝維,何軍紅,吳旭光.組態(tài)軟件WinCC在化工廠自動監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].機械與電子,2008(3):72-74.

[5] 郭衛(wèi),康寧.自動控制系統(tǒng)在起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)線中的應(yīng)用[J].火工品,2008 (2):27-29.

[6] 張揚,曲延濱.基于PLC和現(xiàn)場總線的鎳網(wǎng)鍍槽監(jiān)控系統(tǒng)[J].測控自動化,2007,23.