乳化器的實時監測及安全保護系統

段仁君，張小友

(長沙礦山研究院有限責任公司 湖南 長沙 410012)

乳化器的實時監測及安全保護系統

段仁君，張小友

(長沙礦山研究院有限責任公司 湖南 長沙 410012)

乳化器是乳化炸藥生產的關鍵設備，為了保證乳化器在乳化炸藥生產過程中的安全性， 研制了一種基于PLC控制的乳化器實時監測及安全保護系統。該系統可全面監測乳化器的運行情況, 并根據監測結果對乳化器進行狀態故障識別及安全保護, 大大提高了乳化炸藥生產的本質安全性。

乳化炸藥生產線；乳化器；PLC控制器；實時監測；安全保護

0 引 言

在乳化炸藥生產中，水、油相溶液在乳化器高速運轉和強剪切力作用下形成乳化基質。生產高質量的乳化炸藥需要乳化器提供一定的剪切強度，而乳化器剪切強度的大小與乳化器的間隙、剪切方式、乳化時間等有關，在炸藥的生產過程中，若乳化器發生故障或者生產流程出現異常沒有得到及時處理，將嚴重影響炸藥的質量，同時極有可能因機械設備之間劇烈摩擦產生高溫、擠壓、碰撞而導致爆炸，造成重大安全事故，所以乳化器是乳化炸藥生產設備中需安全防范的關鍵設備，對乳化器的運行狀況進行實時監測和安全保護，在異常情況下報警及緊急聯鎖停機, 是解決乳化炸藥連續化、自動化生產的重要措施。

乳化器是旋轉機械設備，由于各運動部件的相互作用，會產生一定的振動，但是這種振動平時比較小，而且比較平穩。當發生轉子不平衡、軸承異常、基礎松動等故障時，會產生較大的振動，在徑向或軸向發生較大的偏移。從機械和力學的觀點來看，乳化器產生事故前必有機械異常或流程異常發生，機械異常一定會反應到徑向振動和軸向位移上，而流程異常必定反應到溫度、壓力及流量上。

1 乳化器轉軸運行狀況的實時監測

從轉子動力學、軸承學的理論上分析，旋轉機械的運行狀態主要取決于其核心——轉軸，由于電渦流振動傳感器長期工作可靠性好、靈敏度高、抗干擾能力強、非接觸測量、響應速度快、不受油水等介質的影響，能測量旋轉機械的轉軸狀態，所以采用電渦流位移傳感器對乳化器的徑向振動和軸向位移進行實時檢測，當乳化器徑向振動或軸向位移超幅或者發生急劇變化時，系統故障報警，并實現系統急停，有效地對乳化器進行保護及預測性維修。

1.1 乳化器徑向振動檢測

測量乳化器軸的徑向振動時，在每個測點應安裝兩個傳感器探頭，在乳化器軸承兩邊的同一平面上相隔90°(±5°)各安裝一個電渦流振動傳感器，定義為X探頭(水平方向)和Y探頭(垂直方向)。從原動機端看，X探頭應該在垂直中心線的右側，Y探頭應該在垂直中心線的左側。如圖1所示。只要安裝位置可行，兩個探頭可安裝在軸承圓周的任何位置，保證其90°(±5°)的間隔，都能夠準確測量軸的徑向振動。

圖1 乳化器徑向振動傳感器的安裝位置

1.2 乳化器軸向位移檢測

測量乳化器軸的軸向位移時，測量面應該與軸是一個整體，這個測量面是以探頭中心線為中心，寬度為1.5倍探頭頭部直徑的圓環(在停機時，探頭只對正這個圓環一部分，機器啟動后，整個圓環都會成為被測面)。采用兩套電渦流傳感器對乳化器推力軸承端同時進行監測，這樣即使有一套傳感器損壞失效，也可以通過另一套傳感器有效地對軸的軸向位移進行監測。這兩個探頭可以設置在軸的同一個端面，也可以是在兩個不同端面進行監測，但這兩個端面應在止推法蘭盤305 mm以內；安裝方向可以相同，也可以不同。

圖2 乳化器軸向位移測量傳感器的安裝

1.3 乳化器轉速和工作電流的監測

乳化器在運行過程中，若出現機械故障，乳化器的實際轉速和工作電流也會發生變化。

為使乳膠基質達到一定的穩定性，必須要有一定的剪切強度，也就是乳化器一定要達到一定的轉速。乳化器的轉速越高，乳化器的剪切能力也越強，乳化器所需的電功耗也越大。剪切線速度的降低才是保證安全的實質性措施，而剪切線速度降低實質上就是將乳化器轉速降低，在保證產品質量的前提下，剪切線速度越低越安全，根據安全與質量的關系，工信部安全司明確規定乳化器剪切線速度應控制在不大于15 m/s。目前國內的乳化炸藥生產線控制系統中，為了滿足不同的產能需要，對乳化器的轉速控制是通過變頻調速來實現的。在小產能生產時，通過減低變頻器頻率，乳化器剪切線速度在不大于15 m/s時能生產出合格的產品，而在大產能時，為了滿足產品質量要求，不得不提高變頻器頻率，使乳化器實際剪切線速度大于15 m/s。

采用電渦流轉速傳感器對乳化器的實際運行轉速進行監測，在運行過程中，當乳化器轉速超過工藝設定值或者轉速突然波動不穩定時，系統應立即報警停機。

采用霍爾傳感器對乳化器的工作電流進行實時監測，當乳化器的工作電流超過工藝設定值或電流發生突變時，系統應立即報警停機。

1.4 乳化器溫度監測

目前國內大多數炸藥生產線對乳化器的軸承溫度沒有進行實時在線監測，雖有極個別廠家采用Pt100熱電阻對乳化器軸承溫度進行測量，但Pt100熱電阻對溫度變化反映滯后，對乳化器軸承的急劇升溫不能進行有效的監測。

本系統在乳化器的軸承周邊安裝4個非接觸式的CT08紅外溫度傳感器，對乳化器軸承溫度進行監測；采用Φ6的接殼式鎧裝熱電偶對乳化器出口基質溫度及乳化器冷卻夾套腔內溫度進行監測。該傳感器的熱響應時間在2 s左右。

CT08紅外溫度傳感器的主要性能參數：

溫度范圍：-30～300℃；

溫度分辨率±0.2°C；

光譜范圍8～14 Hm；

響應時間50 ms, 100 ms,300 ms, 1 s, 3 s,10 s,可選；

模擬輸出0～20 mA或4～20 mA可選;

封裝保護IP65(IEC),NEMA4;

供電10VDC-15VDC,功耗1.6 W。

當某一個溫度監測點溫度超限或者短暫時間內溫度急劇變化時，則系統報警并緊急停機。

1.5 乳化器冷卻水流量的監測與控制

乳化后的乳膠基質其導熱系數小，熱交換條件差，如果冷卻水流量不足或水油相斷流，乳化器剪切過程中產生的熱量無法冷卻，熱量大量積聚在乳化器內腔內，從而有可能引起爆炸事故。近些年來，乳化炸藥生產線發生爆炸事故，基本上都與乳化器冷卻水不正常有關。

目前國內大部分乳化炸藥生產線都是采用流量開關來監測乳化器冷卻水流量，準確度不高，甚至有時產生誤動作，為了解決這一重大問題，本系統采用進口電磁流量計對乳化器冷卻水的流量進行精確測量，與原有的流量開關監測信號采用“與”的邏輯關系。

目前國內乳化器冷卻水的流量基本上是靠人工調節，還沒有實現自動控制，本系統在乳化器的冷卻水管道上安裝一個V型電動調節閥(不能采用電磁閥，乳化器冷卻水里的雜質容易引起電磁閥關不嚴或打不開)，V型電動調節閥的開啟與乳化器同步，通過PID運算可以使乳化器冷卻水的流量穩定在設定范圍內。乳化器啟動10 s后,若控制系統檢測到V型電動調節閥沒有開啟或冷卻水流量不足，則系統故障報警,同時緊急停機。

2 實時監測及安全保護系統的組成

2.1 硬件組成

整個乳化器實時監測及安全保護系統主要由PLC和工業控制機、現場觸摸屏及上述各種傳感器和相關執行器組成，控制功能主要由PLC實現，硬件組成如圖3所示。

圖3 系統硬件組成示意

PLC模塊主要包括CPU、PLC電源、開關量輸入模塊、開關量輸出模塊、模擬量輸入模塊、模擬量輸出模塊，通過開關量輸入及模擬量輸入模塊完成對乳化器徑向振動傳感器、軸向位移傳感器、溫度傳感器、冷卻水流量計、乳化器轉速、乳化器工作電流等有關運行狀況的信號采集。CPU模塊用來接收輸入模塊傳遞進來的數字信號,并對其進行計算分析,對乳化器實行在線監測和故障診斷,通過開關量輸出模塊作出報警、聯鎖停機等控制指令。模擬量輸出模塊主要完成對乳化器轉速的調節及乳化器冷卻水流量的自動調節。

2.2 軟件組成

本系統采用AB公司的SLC500系列PLC，編程軟件采用RSLOGIX500梯形圖邏輯編程軟件包，系統將計算出的特征指標與預設的報警界限值進行比較,判斷乳化器工作是否正常,若超過報警界限，則系統報警并自動做出相應的決策，同時在計算機界面上顯示報警原因，確保乳化器工作的本質安全。

乳化器的實時監測及安全保護系統軟件的流程如圖4所示。

組態軟件采用MCGS工控軟件，主要完成現場數據的采集與監測、前端數據的處理與控制，可運行于Microsoft Windows xp操作系統。通過與其他相關的硬件設備結合，可以快速、方便的開發各種用于現場采集、數據處理和控制的設備。用戶只需要通過簡單的模塊化組態就可構造自己的應用系統，它提供了各種PLC、智能儀表、板卡、變頻器等設備驅動程序，圖形功能完善、界面設計一致性好、易學易用。通過組態軟件可以實現系統管理、在線監測、離線分析、報警記錄、數據查詢、歷史曲線等功能，能滿足系統控制的要求。

圖4 系統軟件流程

3 結 論

將振動與溫度、壓力、流量、電流、轉速等傳感器型號綜合考慮,全面監測乳化器的運行狀況，及時全面掌握乳化器運行狀態，當乳化器出現異常情況時,采取相應的保護措施，可將故障消滅在萌芽狀態，能避免或減少重大事故的發生，提高了乳化炸藥生產設備的現代化管理水平。

[1] 鄧聲普，邱朝陽，等.基于PLC的乳化炸藥乳化器的在線監測與智能控制[J].礦業工程，2008，10(2)：5-8.

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[3] 秦衛國,路克金,劉延義，等.炸藥乳化器安全監測方法及其發展.[J].煤礦爆破,2006,35(4):32-34.

[4] 段仁君．連續乳化炸藥生產工藝的自動控制[J]．基礎自動化,1995(6):33-35.

2013-10-23)

段仁君(1968-),男,湖南永州人，碩士,教授級高工,主要從事工業自動化過程控制研究,Email:545960588@qq.com。