煙花爆竹配藥車間防爆裝置的設計與應用

賀力克 李明飛 李力

摘要：根據當前我國煙花爆竹生產領域的發展狀況來看，煙花爆竹原料、配方、工藝技術、生產設備、倉儲運輸以及燃放等多個環節都需要進一步加強安全管理，其中配藥車間的安全防爆生產尤為重要。本文首先對我國煙花爆竹生產企業的特征進行了分析;其次，提出了煙花爆竹產品種類與配藥車間潛在的危險因素;最后，結合實際情況，重點研究了煙花爆竹生產配藥車間的防爆裝置的設計和應用。

關鍵詞：煙花爆竹;防爆裝置;配藥車間;危險因素;固態繼電器

湖南省最新提出的經濟與社會發展“十三五”綱要中提出，煙花爆竹生產安全化、智能化與技術化是今后這一領域的重點發展方向。據此，煙花爆竹生產企業要明確認識到，要著重加強煙花爆竹生產配藥車間防爆裝置研究工作。本文提出的煙花爆竹生產配藥車間防爆裝置設計和模擬仿真應用，對于省內乃至全國的煙花爆竹生產安全都有重要的現實意義。

一、我國煙花爆竹生產企業特征

全國各大地區市內已經禁止燃放煙花爆竹，煙花爆竹需求量明顯下降，在生產中技術和資金投入不足，專業性的安全和防爆裝置設計水平較低，容易增加行業生產的安全性問題。

從“十三五”以來，國內累計退出關閉煙花爆竹生產領域的企業超過了8000家。在這種發展背景下，煙花爆竹生產企業開始了地域性轉移，并且形成了產業集聚的發展傾向。湖南省和江西省等地的主要煙花爆竹生產企業也已經制定出了生產廠商縮減的計劃，對于生產規模也進行了控制。

二、煙花爆竹配藥車間防爆裝置設計與應用

（一）擬解決問題

在對煙花爆竹生產企業的培養車間防爆裝置進行設置中，擬解決問題如下：

首先，使用紅外線二極管與硬件濾波電路相互連接，可以對黑火藥燃爆的初期狀態進行檢測，從而為后續的精準定位和防暴處理提供依據。

其次，使用STM系統得出改進型濾波算法，最終輸出的IPM信號可以實現人機交互通信，集中收集相關的數據信息。這種方式可以提高車間監管人員對車間運行狀態的監管和控制，提升系統運行的管理效率。

最后，在完成了防爆裝置設計之后，可實現系統硬件電路的模塊化設計，并且還能實現程序分布式的設計，實現系統優化。

（二）工藝裝備發展方向

據調查，我國的煙花爆竹生產企業與煤炭和化工企業共同被劃分到高危行業當中，但是煙花爆竹生產企業的規模相對較小，對于國家經濟發展的貢獻有待進一步提高。從當前國內的煙花爆竹生產工藝技術水平、實際生產需求等方面進行分析，可以看出當前國內在這一領域的發展規劃主要是朝著多站化、自動化、高效、可靠、優質和安全等方向規劃，其中最為重要的是安全性與可靠性。具體包括：

首先，生產安全可靠。生產安全可靠不僅包括了設備生產中的安全穩定運行，同時也包括了對危險工作站的自動隔離生產，避免因為設備生產故障而造成嚴重的人身安全和財產損失。

其次，多站自動化生產主要是引入防爆生產系統和安全運輸模式，并將類似的工藝技術結合到實際生產流程中，可以實現現場無人化操作。同時，多站自動化生產還可以加強對充電環節成危險工作的集成化處理，通過局部防暴操作的方式，最大限度地避免對車間生產工人造成傷害。

最后，高效優質的車間生產主要是提高設備生產效率，從而以此提高企業整體煙花爆竹生產效率。結合自動檢測技術和安全控制技術，實現關鍵生產工序的在線檢測和防爆處理，最終提高產品質量。

（三）配藥車間防爆裝置設計

在對煙花爆竹生產配藥車間的防爆裝置進行規劃中，本課題融入了電子技術、現代化傳感技術、嵌入式技術等技術，同時加入了軟件算法和硬件電路，是吸納了對紅外傳感器信號的預處理。經過對比分析得出，本文研究的設計方案有如下特征：

首先，系統能實現快速響應，在黑火藥起火直至裝置執行自動保護，時間控制在5ms之內，并且在這一過程中還可以有效防止藥劑產生熱累積，避免出現黑火藥的爆炸。

其次，系統設計中采用了人機交互設備，不僅可以確保系統操作便捷性，同時還可以借助系統自帶的防爆裝置功能，實現數據模塊的保護，以便在發生事故后進行相應的責任分析。

再次，系統配電總閘自動控制開關能在執行完防爆操作之后，自動關閉總電源，從而避免再次出現安全事故。

最后，系統的冗余度與可靠性都較高，即便單個電磁閥模塊或者單個探頭失效，都不會對整個系統造成影響。具體如下圖1所示：

1.系統供電

系統供電方案中，本項目采用了220V的單相交流供電方式用作系統電源的接口。在經過系統模塊處理之后，可以為各功能模塊提供相應的直流電壓。

2.輸入與輸出信號

系統的輸入信號是使用紅外線傳感器提供的四根接線，其中有兩根電源線，電壓為24V。紅外傳感器信號輸出量為12V開關量，電壓范圍控制在9V至12V。在整個系統中，需要裝置6個此種類型的傳感器設備，同時系統還要額外提供單獨的溫度和濕度檢測的傳感器設備，應用于對設備所處環境的溫度與濕度進行監控。系統輸出信號是使用24V聲光報警系統，這一報警系統的功率為對6W，1套防爆裝置系統配備1個聲光報警器設備。

3.電磁閥

電磁閥設備主要應用到高壓水槍噴水開關動作的控制環節，電磁閥在實際應用中，其電壓需求量超過其額定電壓24V，且單個電磁閥電流不會超過2A，系統共需要4個電磁閥互相配合。

4.可控硅

可控硅主要是應用到220V系統的導通控制，配合煙花爆竹生產配藥車間生產工作的實際特征，確定紅外感應裝置射線探頭的安裝角度，以確保燃爆信號采集控制工作的實時性與可靠性。

5.固態繼電器

固態繼電器主要是應用高壓噴水槍導通控制環節。基于CM3的32位核心單片機，可以實現環境裝置的綜合監管，計算各電路的主要參數，完成電路結構的優化與完善。

（四）配藥車間防爆裝置應用

1.可行性分析

在系統設計中，本項目綜合運用了現代化傳感技術、電力電子信息技術、現代化控制算法以及嵌入式技術，將上述各項技術作為理論基礎，開展理論實現相結合的方式。防爆系統設計中，應用了德力西交流電池閥、高性能嵌入式芯片、觸摸屏實驗平臺。同時，還應用了模塊化的集成設計思路，著重對防爆裝置進行了實驗研究。

為了更好地推進項目進展，實現理論成果向現實轉化，項目設計研發采取了校企合作的方式。煙花爆竹的生產企業根據配藥車間防爆需求，提出工作方向，課題組的工作人員結合具體的技術解決方案，提出裝置電路基本設計方案和軟件整體開發方案，以完成系統的綜合性開發。本項目研發設計中直接參與的工作人員數量多范圍廣，但均在項目負責人的協調和管理下，充分發揮出了各自的優勢，保證項目平穩有序發展，體現出了較高的可行性。

2.仿真應用

項目仿真應用環節主要是在合作企業配藥車間實驗室當中進行，此種方式可以更加精準地判斷出防爆裝置在實際場地和多種不同生產條件下的實際應用情況，仿真模擬流程如下圖2所示：

同時，課題研究性小組還配備了多種不同的實驗工具，比如焊臺、示波器、萬用表、32位單片機設備以及軟件開發平臺等。在仿真應用中，技術人員應用了防爆裝置中的紅外傳感器，實現了生產線上黑火藥的全面覆蓋性監控，結合濾波算法，完成了防爆控制。為了確保對后續的實驗與生產操作提供精準的依據，在仿真應用中，使用了黑匣子，對多點監控數據進行了收集和保存，一旦出現事故，可將黑匣子中記錄的數據用于事故復盤與責任認定。設計小組在企業生產車間中還安裝了多點實時監控設備，在已有的安全操作基礎上，實現了真正意義上的車間環境參數多點實施控制，提高了防爆裝置實際預警效果。

（五）注意事項

1.配藥安全比例混制技術

提高配藥安全比例混制技術的應用效率，可以實現煙花爆竹制品當中炸藥、黑火藥與特效藥安全配制。上述幾種不同的煙花爆竹填充藥品都是按照一定比例混合而成的化學藥劑。為了確保煙花爆竹生產配藥車間防爆裝置設計的合理性與應用的有效性，相關工作人員在進行實際操作中，還要對配藥安全性進行考量。應用高精度的自動化稱量裝置，可以根據各種藥品混合配制的比例，進行動態稱量。這種方法可以避免人工配料存在的精細度低的問題，降低了潛在的安全隱患。我國工業生產領域的配藥混合都是通過單機操作實現的，這一技術解決了缺乏相應的在線質量檢測與安全控制裝置，操作環節受到人工技術水平和操作因素的影響較大的問題。對此環節進行強化管理，防止出現嚴重的安全隱患。

2.噴霧與噴淋混合技術

藥劑混合過程中，生產車間會有大量的浮塵以及釋放物質，這些氣體和粉塵會對生產人員的身體健康造成影響，同時也會影響到環境中的空氣質量。對此，在進行藥劑混合中，可以加入噴霧和噴淋裝置，加強對生產車間環境的控制，同時也可以避免因為粉塵含量過高而引起爆炸事故。噴霧和噴淋裝置的聯合使用可以起到相應的設備保護作用，并且還利于飛濺和噴涂的更加容易清洗回收。

3.自動計量與多塊電荷分離技術

目前，煙花爆竹生產中的稱重和裝料技術都是通過人工物理平衡稱重方式，結合簡單機械操作的方式實現的。這種簡單的機械操作方式存在加藥精度、在線計量難以控制的問題，最終會導致生產安全性和效率性大打折扣。面對這一情況，可以在配藥車間防爆裝置的設計中，加入自動計量裝置模塊，應用多塊電荷分離技術，對產品的質量進行檢驗。使用振動添加劑或者多組稱重模型，對配藥車間的顆粒試劑進行安全等級劃分，及時地發現產品存在的質量問題。

三、總結

綜上所述，將先進的紅外傳感技術應用到黑火藥燃爆現象的檢測當中，提高了系統的響應速度，實現了對生產線著火點的滅火防爆處理，對黑火藥集中燃燒而產生的爆炸問題進行了有效控制，增強了煙花爆竹生產車間配藥的安全性。

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湖南省教育廳科學研究一般項目：煙花爆竹配藥車間防爆裝置的研制（項目編號：16C0524）

作者簡介：賀力克（1966），女，湖南常德人，碩士，高級工程師，副教授，研究方向：自動控制技術。