一種涼藥機自動化厚度控制系統

黃 琦

(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)

為進一步提高乳化炸藥生產線的本質安全水平，加快技術革新步伐，實現《民爆行業技術進步指導意見》(工信部安[2010]227號)、《關于提升工業炸藥生產線本質安全生產水平的指導意見》(工信部安[2012]301號)以及《民用爆炸物品生產、銷售企業安全管理規程》(GB 28263—2012)的要求，以及根據《工業和信息化部辦公廳關于進一步加強乳化炸藥生產重點環節安全管理工作的通知》的要求，目前國內民用炸藥生產企業都在為實現生產線重點崗位減員及整條生產線減員的目標進行技術革新工作。為進一步提高乳化炸藥生產線的自動化水平，本研究設計了一種以組態王為上位機，西門子STEP7-300PLC為控制器，電動調節閥為執行機構，控制乳化炸藥生產線涼藥機的2級涼藥壓輥升降的自動化厚度控制系統。

1 研究背景

乳化炸藥生產線工藝流程見圖1。水、油相材料通過乳化器形成乳化基質，乳化基質通過乳化器出口被輸送至涼藥機的鋼帶上，通過安裝于涼藥機上的壓輥控制乳化基質的攤藥厚度來實現乳化基質降溫，為敏化工序加注敏化劑，提供合適的溫度。乳化炸藥涼藥機是炸藥生產中的一種重要設備，傳統涼藥機布料結構為手動碾壓式布料輥，不足之處有：①無法精確控制物料厚度，傳統涼藥機布料器通過人為搖動手輪調節布料輥與鋼帶之間的距離來實現控制乳化炸藥基質厚度，需要通過其他測量工具測量乳化炸藥基質厚度，需要反復調節布料輥與鋼帶之間的距離方可滿足厚度要求；②操作繁瑣，傳統涼藥機布料輥調節因其結構原因，每次調節需要2人同時操作，費時費力；③無法實現自動化調節，傳統涼藥機布料裝置不符合當今工業自動化生產的趨勢。

圖1 乳化炸藥生產線工藝流程

2 涼藥機自動化厚度控制系統設計

2.1 機械設計

涼藥機自動化厚度控制系統包括驅動電機支座、驅動電機、寬布料輥、窄布料輥、布料輥支座、執行器、連接絲桿、電機鏈輪、布料輥鏈輪和軸承座(圖2)[1-3]。驅動電機設置于驅動電機支座上，執行器通過螺絲安裝于布料輥支座上方，寬布料輥和窄布料輥均設置于布料輥支座中間，連接絲桿一端通過螺母與執行器相連，另一端通過開合螺母與軸承座相連，軸承座套接于寬布料輥和窄布料輥上并安裝于布料輥支座內部，電機鏈輪通過平鍵和鎖緊螺絲安裝于電機軸頭上，布料輥鏈輪分別安裝于寬布料輥和窄布料輥的端頭，布料輥鏈條與電機鏈輪相連。執行器、連接絲桿、開合螺母和軸承座位于同一中心線上，布料輥鏈輪通過平鍵和鎖緊螺絲與布料輥連接，布料輥鏈輪通過鏈條與電機鏈輪相連，驅動電機支座位于寬布料輥和窄布料輥左側。寬窄布料輥兩端由軸承與軸承座連接，軸承座安裝于布料輥支座內，可以通過支座上的2根導軌進行上下自由運動，軸承座通過連接絲桿、開合螺母與執行器連接，執行器由控制信號來執行布料輥的向上運動或向下運動。寬窄布料輥一端分別裝有2個和1個鏈輪，寬布料輥鏈輪通過鏈條與防爆驅動電機的鏈輪連接，寬布料輥另一鏈輪也通過鏈條與窄布料輥鏈輪連接，啟動驅動電機，實現寬窄布料輥同向轉動，從而碾平乳化炸藥基質。

圖2 涼藥機壓輥示意

2.2 控制設計

2.2.1 控制器

本研究設計采用的西門子STEP7-300PLC系列的CPU 315-2PN/DP控制器，具有控制功能較強和運算能力較強等特點，不僅能夠完成邏輯運算，也能進行三角函數、指數和PID等運算，工作速度較快，能夠攜帶的輸入和輸出模塊種類較多，并且輸入輸出模塊的數量也較多[4-5]。

原有壓輥為寬、窄2級壓輥，為實現調節，需要4個防爆型電動執行器，即每級壓輥需要2個調節閥分別位于壓輥兩端。本研究涼藥機自動厚度控制系統的執行器能夠通過輸入電流信號的大小，自動控制連接絲桿的伸出量，同時能夠輸出相應電流信號反饋給控制柜。當布料輥處于最底部時，即連接絲桿處于最大伸出量時，將該狀態設定為執行器的零位，假定控制柜給出X輸入信號，執行器執行相應動作，連接絲桿向上移動了Y距離，同時反饋給控制柜Z輸出信號，Y值即為乳化炸藥基質的厚度。本研究涼藥機自動厚度控制系統是通過間接方法實現對乳化炸藥基質厚度的控制。上述數值中，X與Z、Y與Z之間具有相應的函數關系，控制柜中的相應模塊可將該類參數進行相應轉化，通過數顯表或直接在上位機中顯示相應的基質厚度。本研究同步選用了2個一進兩出的4～20 mA分配器CZ來調節同一級壓輥的2個調節閥。分配器CZ接線圖見圖3。如選用的是4～20 mA輸入電流、最大抬高為16 mm的防爆型電動調節閥，則每毫安電流對應的抬升高度為1 mm。

圖3 分配器CZ接線示意

2.2.2 上位機

本研究設計采用的上位機軟件為組態王kingview6.55。如圖4所示界面上有自動調節和手動調節2種按鈕選擇。選擇自動調節時，PLC的CPU則根據預先下載到PLC程序內的配方，按照當前實際產能自動計算壓輥應達到的給定值。給定值確定后，PLC便可通過組態的AO模塊輸出與給定值相對應的電流，并通過分配器CZ傳遞給調節閥，通過調節閥控制壓輥達到給定位置。選擇手動調節后，可在人機交互界面上(圖4)直接按百分比輸入所需高度，并進行適當微調，是因為涼藥厚度與季節有一定的聯系，當季節出現變化時，預先設計下載于PLC程序內的配方有可能不適應當時的氣候，導致數值存在一定的偏差，故需進行手動微調。

圖4 人機交互界面

2.2.3 PLC程序設計

本研究系統PLC程序設計利用專門S7-300系列的PLC編程軟件SIMATIC STEP7 V5.5進行。西門子STEP7是用于SIMATIC S7-300/400站創建可編程邏輯控制程序的標準軟件，可使用梯形圖邏輯、功能塊圖和語句表進行編程[6]。本研究程序采用語局表(STL)編寫，主要通過對2級布料輥的升降控制達到控制涼藥厚度的目的。

3 自動調節裝置特點

(1)自動化控制，反應速度快。本研究系統的設計解決了涼藥機乳化炸藥基質厚度的自動化控制，能夠對厚度進行實時調節，提高了整條生產線的自動化、無人化水平。系統直接由控制中心PLC給出調節信號，現場可對PLC發出的指令立即做出反應，對于生產時出現的異常情況有一定的應急能力。

(2)具備手動控制功能，安全可靠。系統同時具備手動功能，系統任意部件出現問題后，均可通過人工方式搖動搖輪對厚度進行調節，避免了因無法調節厚度導致生產線全線停車造成的乳化炸藥堆積，確保了生產的連續性與安全性。

(3)運行平穩，操作簡單。系統安裝后可穩定調節壓輥的高低，不產生噪聲，且結構簡單、本質安全性高，對于操作人員進行簡單培訓便可使其掌握操作方法，實現了對壓輥調節的遠程控制，達到了減少在線人員操作的目的，對于提高涼藥機和生產線的自動化水平和本質安全性具有重要意義。

4 結 語

設計了一種涼藥機自動化厚度控制系統，該系統以組態王為上位機，以西門子STEP7-300PLC為控制器，以電動調節閥為執行機構。該系統已于2016年12月成功運用于遼寧通隆化工有限公司的涼藥機壓輥控制中，至今已生產乳化炸藥6 000多噸，控制系統運行穩定可靠。目前，該系統已獲得國家實用新型專利授權(專利號：201621139215.2)，該系統的應用不僅減少了乳化炸藥生產線上的手工操作，提高了生產線的無人化，自動化水平，也提高了生產線的安全性，具有一定的推廣的應用價值。