起爆藥連續化合自動控制系統研究*

馮 勃，張建浩，陳敏慧，陳小松，鄭挺軍

(中國兵器工業集團第213研究所，陜西西安 710061)

1 前言

因起爆藥的特殊性能，它在國防軍事中有著不可替代的作用，在航天、航空、兵器等許多方面應用廣泛。隨著我國軍事現代化的快速發展，高性能武器裝備的不斷研制，對于高質量起爆藥的需求也日益增漲。但在起爆藥生產中一直存在兩個關鍵問題:安全和質量一致性。因起爆藥的本身性質，決定其在生產中存在高危性，傳統間歇生產方式也影響起爆藥的質量一致性。為解決起爆藥生產中的兩個關鍵問題，實現高效、安全的自動化生產，起爆藥采用程序控制連續化生產，邊加料邊出料，這樣不僅可使粒度控制均勻且得率也高，提高產品質量的同時又確保生產安全［1］。

2 起爆藥連續化合總體結構及工藝流程

起爆藥連續化合過程見圖1，操作人員預先配置好的原料分別放置在2個原料桶里，通過2臺計量泵，按設定的速度加入到反應釜內，在一定的溫度、攪拌速度下進行化學反應，反應生成起爆藥。在初始工位上放置空藥盒，工作轉臺每次轉動90°，依次完成出料、水洗、酒精脫水，反應過程的母液通過真空泵抽入廢液槽。

圖1 起爆藥連續化合系統設備結構示意圖

3 控制系統硬件構成

為實現起爆藥的程序控制連續化生產，并保證可靠性，控制系統分為現場級與遠程級。選擇PLC作為下位控制器，工控機作為PLC的上位機，工控機上運行Windows XP操作系統和組態軟件WinCC，上位機通過CP561l通訊卡按MPI方式與下位機通訊，以圖形和表格形式顯示系統運行狀態，發出控制命令并完成報警、歸檔和報表打印等消息處理。下位機采用西門子S7-300 PLC可編程控制器，PLC向上位機傳遞設備的實時狀態，接受并執行上位機的實時控制指令［2］。現場的輸入、輸出信號經過隔離柵與PLC的輸入、輸出模塊連接，隔離柵可以保護PLC模塊，同時使控制柜內、外自成系統，便于維護。為確保系統的安全，PLC運行控制時完全獨立于上位機，即使上位機出現故障或者關機的情況下，PLC也能獨立通過控制繼電器、接觸器等電氣元件實現對計量泵、工作轉臺、出料閥等現場設備的控制［3］，如圖2所示。

圖2 控制系統硬件結構圖

4 系統軟件設計

4.1 PLC程序的設計

起爆藥連續化合控制系統PLC程序設計采用順序功能設計法，該法則用輸入量I控制代表各步的編程元件(例如存儲器位M)，再用它們控制輸出量Q［4］。順序功能設計法簡單、規范、通用，程序結構清晰，易于調試修改，編程軟件采用西門子公司STEP7 V5.4，使用梯形圖語言編寫。

4.1.1 順序功能法設計PLC控制程序

圖3為起爆藥連續化合自動控制系統的順序功能圖，在起始步M0.0完成系統運行的初始化，滿足初始條件后，點擊控制面板上的啟動按鈕，在工作模式下選擇自動，系統開始運行。在步M0.1后是1個并行序列的分支，3個分支實現不同的功能，第1個分支完成出料，第2個分支完成水洗，第3個分支完成酒精脫水。在3個選擇分支功能序列最后是1個合并步，當 3 個步 M0.8、M1.3、M2.6 同時為活動步時，系統進行轉換，進入廢液抽濾序列。在步M3.3之后有1個選擇分支，當按住雙手開關時，系統完成了一個完整的循環，進入下一次循環。當生產任務完成后，按下停止按鈕，系統回到初始步，如果按下啟動，并選擇自動模式，系統開始重新運行。

圖3 控制系統順序功能圖

4.1.2 程序的結構及調用

PLC程序結構如圖4所示，包括初始化程序模塊OB100、公用模塊FC1、手動模塊FC2、自動模塊FC3、模擬量模塊FC4、報警模塊FC5。PLC的軟件結構如圖4所示，初始化模塊OB100在PLC系統啟動時只被調用一次，將整個系統進行初始化，循環組織模塊OB1實現系統的總體架構，提供系統功能實現的框架和基礎，以循環掃描方式調用其它功能塊或系統塊。當選擇M(手動模式)，OB1調用模塊FC2實現系統的手動運行，當選擇 A(自動模式)，OB1調用模塊FC3實現系統的自動運行，模擬量模塊FC4的主要作用是將0～27 648的數字量轉化為實際的工程量，以便送上位機顯示。FC5為報警模塊，在系統出現故障或者運行參數超出一定范圍時，發出報警信息，提示操作員作相應處理。循環中斷組織塊OB35用來實現對特殊內部事件或外部事件的快速響應。

圖4 PLC軟件結構圖

4.2 上位機軟件的設計

由于本系統的自動化程度較高，設備運行過程中各個執行機構的動作比較復雜，傳統的操作人員通過現場觀察窗，對設備進行監控，不僅難以全面掌握設備的實時運行狀態，而且由于起爆藥的高危險性，也對操作人員存在一定的安全隱患，所以設計一個遠程的設備實時工藝流程監控系統尤為必要。

本實時工藝流程監控系統采用WinCC V6.0編寫，系統開機后，上位機的啟動監視界面及為起爆藥連續化合監控主界面，如圖5所示。該界面提供起爆藥連續化合過程的主要參數的監視與動態的模擬，包括反應釜的化合溫度、攪拌速度、液位高度，及出料次數，水洗次數，酒精脫水次數。

圖5 上位監控主界面圖

監控畫面分為四個區域:左上角為指示燈區，顯示系統的運行狀態，綠色為運行，紅色為停止。中間部分為主畫面區，采用抽象的手法，對整個化合系統進行模擬。系統管路上的閥門以及計量泵、廢水攪拌器、真空泵變成綠色時表示運行，紅色為停止。主畫面下邊是系統的文字報警欄，當系統不滿足初始條件或在運行中出現故障時，會進行文字報警提示。畫面的底端為按鈕區，實現不同監視界面與功能的切換，主要包括參數設置、報警管理、趨勢顯示、報表輸出及系統退出。

5 系統冗余設計

因起爆藥的高危險性，控制系統的可靠性直接影響整個起爆藥連續化合生產中的安全，所以對整個系統進行冗余設計，提高起爆藥連續化合生產的安全性。

5.1 軟件冗余設計

軟件設計了手動程序、初始化程序、報警程序等，如在系統運行到某一工藝點，控制系統發出執行某一動作指令，在規定時間內該動作沒有完成，則信息會反饋給控制系統，控制系統將按照預設定程序進行處理，例如報警、停機，同時在控制系統人機界面上顯示該故障點及原因。

5.2 電源及氣動設備的冗余設計

電網的供電有時可能出現電壓持續過高、電壓持續過低、電壓瞬間過高、電壓瞬間過低、雷擊、突破、雜訊干擾等情況，且有時出現故障而突然斷電，前者可導致系統等無法正常工作，后者可造成起爆藥連續化合設備停車及誤動作，甚至引發危險［5］。為避免此類情況發生，系統所用交流電源采用無擾切換，交流切換裝置是當起爆藥連續化合控制系統中的一路AC220 V失電時，能立即無擾動的自動切換到另一路供電。控制系統的供電采用UPS系統，輸入、輸出24 V電源均采用冗余電源。系統中用到的閥較多，現場所有的閥均采用氣動閥，通過電磁閥控制氣路，完成氣動閥的控制，反應釜的攪拌采用氣動馬達。系統的供氣方式采用遠程-現場供氣，當遠程氣路突然中斷時，現場儲氣罐為氣動設備提供足夠的壓力，保證了系統的正常工作，提高了系統運行的可靠性。

6 結語

起爆藥連續化合控制系統實現了藥劑的連續化生產并提高了安全性，改善了藥劑質量一致性，經過一段時間運行，控制效果良好、運行穩定可靠，具有廣闊的應用前景。

［1］ 馮國田，孟憲珍.關于火工品科研生產及發展的建議與思路［J］.火品，2002(12):42-44.

［2］ 蘇昆哲，何 華.深入淺出西門子WinCC V6［M］.北京:北京航空航天大學出版社，2005.

［3］ 歐陽維燦，馬 碩，李春山.基于S7-300PLC與WinCC V6.0的污水處理系統［J］.儀表技術與傳感器，2007(6):77-78.

［4］ 廖常初.S7-300/400 PLC應用技術［M］.北京:機械工業出版社，2006.

［5］ 孟亞男，孫厚鐵，曹玉波.單質起爆藥生產中控制方案的研究與實現［J］.吉林化工學院學報，2003(3):37-38.