乳化炸藥生產線網絡式主從站自動化控制系統開發

陳勇亮 張 欣 王燦燦

(1.中鋼集團馬鞍山礦山研究院有限公司；2.金屬礦山安全與健康國家重點實驗室；3.華唯金屬礦產資源高效循環利用國家工程研究中心有限公司；4.安徽恒源技研化工有限公司)

安徽恒源技研化工有限公司原有的老舊廠房和乳化炸藥生產工藝已經無法滿足行業的最新要求，為有效降低乳化炸藥生產線操作人員的勞動強度，提高生產自動化水平并滿足國家工業信息化部《關于增補完善民爆生產線安全監控手段的通知》(工信安函[2013]53號)的要求，在該公司原有生產線西側新建了一條乳化炸藥生產線。參照安徽江南化工集團有關“無固定操作人員智能化粉狀乳化炸藥生產線”的要求，為提高工業炸藥生產線的自動化、信息化、無人化水平，本研究對該生產線網絡式主從站自動化控制系統進行了設計和開發。該系統的中央控制系統采用西門子S7-300PLC系統，通過子站級聯方式擴展，并采用以太網的方式進行通信。對于其他廠家開發的獨立子控制模塊，系統通過新增網絡端口模塊(如三菱接口模塊、ABB接口模塊)進行銜接，統一由交換機調度，并通過最終的上位控制終端(組態王軟件)實現對整個線系統進行控制和調度。

1 乳化炸藥全自動生產工藝

安徽恒源技研化工有限公司生產的乳化炸藥為粉狀乳化炸藥[1-2]，主要生產設備為水相配比泵、油相配比泵、乳化機、螺桿泵、噴粉塔、中包機、皮帶運輸、大包機等。硝銨廠家將一定濃度的成品硝銨溶液經由大型槽罐運輸車運至生產現場，抽存至一個75 m3的大型室外儲存硝銨大罐中，加熱保溫，并控制在適當的濃度(生產需要)范圍內。當生產開始時，打開該大罐的放料閥，依據管道中流量計的顯示數據，累計算出需要輸送至溶化罐中的量值。油相材料配比方式相同，前提是需要生產廠家制備原材料，而后儲存至另一個45 m3的大型室外油罐中。準備生產時，需要將水溶罐中配制的原料泵送至制藥工房的水相材料儲存罐中，將油溶罐中配置的原料泵送至制藥工房的油相小儲存罐中。2種原料分別通過相應的水、油相泵經靜態混合器送入乳化機中進行攪拌混合，成膠后的乳化基質進入噴粉塔霧化，除濕干燥后的粉狀炸藥經全自動中包機稱重封包，再由長皮帶輸送至包裝工房。根據最終用戶對炸藥類型(大、小直徑藥卷)的不同需要，分為2種規格。在生產小直徑藥卷時，需要對制藥工房運送的中包袋裝炸藥進行二次分裝，再由小直徑裝藥機和小包機分包成所需的小直徑尺寸藥卷，裝箱后經皮帶運輸至裝藥車、入庫；如果用戶需要大包產品，則直接經該工房的皮帶運送至裝藥車。

2 自動化控制系統開發

2.1 系統設計

2.1.1 設計原則

(1)實用性原則。系統力求實用，不采用過時淘汰的技術，注重合理的性價比[3-4]。

(2)可靠性原則。系統穩定可靠，確保數據采集及監控的準確性和穩定性[5-6]。

(3)安全性原則。嚴格按照《民用爆破器材工廠設計安全規范》(GB 50089-98)[7]和《工業炸藥生產線電子監控系統設置安全技術條件》進行設計。

2.1.2 自動化控制要求

控制系統中配備PLC數據采集模塊和PLC數據通信模塊，用于提取現場數據和各個工段的PLC數據，通過上位機控制軟件對系統采集的數據進行處理來控制整個生產線的運行，所有參數及生產線各部分設備狀態信息將在上位機上進行集中輸入和顯示。乳化炸藥生產線關鍵設備所需加裝的數據采集點為：

(1)水、油水相輸送泵。水油相輸送泵電機電流檢測，水油相輸送泵出口壓力、流量檢測。

(2)乳化器。乳化器電機過電流保護，乳化器出口壓力檢測，乳化器出口溫度檢測，乳化器轉子軸向、徑向振動檢測，乳化器冷卻水斷流檢測。

(3)螺桿輸送泵。螺桿輸送泵電機電流檢測，螺桿輸送泵出口壓力、流量檢測。

(4)噴粉塔狀態。噴粉塔工作狀態檢測，噴粉塔空壓機狀態檢測。

(5)裝藥機。裝藥機工作狀態、每臺裝藥機正常狀態、故障狀態分類等信息。能接入控制室報警信號，進行報警，并阻止裝藥機工作。

(6)包裝系統。包裝機工作狀態、故障報警狀態、安全連鎖保護狀態等信息。能接入控制室報警信號，進行報警，并阻止包裝機工作。

(7)炸藥成品出廠計數實時信息。通過前端炸藥生產量和已包裝運出生產工房的炸藥量可統計出在線存藥量。嚴格控制在線藥量，若在線藥量即將超出規定的最大在線藥量，系統將報警；若在線藥量超出規定的最大在線藥量，系統將報警并全線停機(圖1)。

2.2 硬件配置

系統主控系統采用了1個CPU控制主站和2個西門子從站，通過交換機和其他生產設備交互通信，達到利用1個中央控制室監控全線的目的。系統可編程控制器采用CPU314C-2PN/DP主機，共4個電源模塊，1個DI16×DC24V模塊，2個DI32×DC24V模塊，5個DO32×DC24V/0.5A模塊，7個AI8×12Bit模塊，4個A04×12Bit模塊(圖2)。根據對系統控制要求的分析，采用以太網通訊方式[8-9]，便于噴粉、裝藥、包裝等系統聯網；其他需要聯網的子系統應配備對應專業的Ethernet模塊，并掛設于同一個網關中方可進行通信。

圖1 自動化控制系統架構

圖2 系統硬件配置

2.3 軟件設計

2.3.1 現場運行信號監測

系統上位人機界面采用北京亞控科技發展有限公司高版本組態王軟件進行開發，用戶可通過人機界面讀取系統運行參數及故障報警信息，統計生產數據，還可以對生產運行及報警參數進行設定。下位監測軟件采用西門子SIMATIC STEP 7軟件，該軟件是由SIMATIC S7-300/400站創建的可編程邏輯控制程序的標準軟件，PLC控制元件都安置于現場低配電室(圖3)。系統可將現場采集的模擬量信號接入模塊進行相應換算，根據控制量的需要，輸出標準的工業信號給執行機構，達到理想的位置控制效果；可以對生產過程中設備的工作狀態、點位、通斷與否等信息進行采集，并依據控制要求，給出反饋的開關執行位置。

圖3 自動控制系統軟件界面

2.3.2 數據歷史趨勢記錄和分析

系統可對PLC測量到的數據進行換算、記錄，并以曲線形式進行展示(圖4)。生產過程中可以根據需要，調取相應的歷史曲線，還可以根據選定的時間、時段長短，清晰地展現該時間段內對應設備的工作狀態，便于設備維護。

圖4 自動化控制系統數據分析軟件界面

2.3.3 水油相流量自動調節

在乳化炸藥生產線中，有必要根據工藝要求，合理設置水相、油相材料的比例[10]。通過安裝于對應設備上的質量流量計來計量流速，并將數據反饋給PLC。當乳化炸藥產能發生變化時，PLC根據工藝配方計算出所需要的目標流量，輸出控制開度，并反饋給控制執行機構——變頻器，變頻器據此調整泵的轉速。

2.3.4 基質料斗液位控制調節

系統基質料斗的液位控制方法類似于水油相調節，主要取決于相應變頻器和對應料斗的液位，不同的是該項調節為反方向。轉速越快，料斗液位越低；轉速越慢，料斗液位越高。有必要設定安全的停車保護低值，嚴禁斷料空轉，以確保安全。

3 結 語

對安徽恒源技研化工有限公司乳化炸藥生產線網絡式主從站自動化控制系統進行了設計和開發。該系統于2016年12月份建成并投產，生產出的乳化炸藥質量完全達到了國家各項指標要求。目前該控制系統運行穩定可靠，為公司創造出可觀的經濟效益，對于實現乳化炸藥生產線智能化控制、多元化平臺展示、生產設備遠程操作有一定的參考意義。

[1] 王永斌，裴海興，吳龍祥，等.MRB型乳化炸藥大產能微機控制連續化生產線的研究及應用[J].爆破器材，2004(S)：1-4.

[2] 王 立，于 玲. 基于Profibus-DP總線控制的機電一體化系統[J].電力自動化設備，2009，29(6)：127-129.

[3] 李志峰，遲淑萍，宋仁峰.國內外乳化炸藥現狀及技術發展建議[J].礦業工程，2011，9(5)：42-44.

[4] 王 璐，劉天生.低溫乳化炸藥穩定性實驗研究[J].工程爆破，2014，20(2)：40-42.

[5] 鄔本志.對粉狀乳化炸藥生產工藝的淺析[J].煤礦爆破，2014(1)：14-16.

[6] 王 力，吳紅波.乳化炸藥生產中危險源分析及其預防措施[J].中國科技信息，2012(15)：101-102.

[7] 中華人民共和國建設部.GB 50089-98 民用爆破器材工廠設計安全規范[S].北京：中國計劃出版社，1998.

[8] 許長新，夏夕雯，胡亞軍，等.石人溝鐵礦-180 m水平中央水泵房無人值守系統設計與應用[J].現代礦業，2016(5)：224-227.

[9] 閆愛青，田俊梅.非煤礦山智能控制系統的設計[J].金屬礦山，2017(2)：113-116.

[10] 謝皆見，劉建華.無人值守水油相集中制備系統工藝設計[J].現代礦業，2016(8)：255-257.