乳化基質地面站自控系統的設計和研究①

劉林林

（湖南金聚能科技有限公司，湖南 長沙 410012）

乳化基質地面站和工業炸藥混裝車的出現給爆破工程帶來了重大變革，通過對傳統炸藥制造工序進行一系列簡化，去除炸藥包裝等生產環節，不僅節約了生產成本，還減少了炸藥中間流通風險。現場混裝技術在我國得到了成功應用。隨著乳化基質生產工藝與裝備日益完善，以及計算機控制系統在地面站生產系統的成功應用，乳化基質的生產趨向智能化［1］。地面站自控系統主要由工業控制機、監視器、可編程控制器、變頻調速器、傳感器和各種變送器執行機構等硬件和控制軟件組成，實現了連續生產全過程的自動控制。本文針對黑龍江華安民爆器材有限公司年產20 000 t乳化基質固定地面站工藝及裝備，在湖南金聚能科技有限公司現有自控系統的基礎上，對涉及產品質量與生產安全的關鍵工序進行了再分析和再設計，力求對影響生產本質安全和產品質量的生產工序進行精準控制和聯鎖保護。

1 乳化基質地面站自控系統簡介

乳化基質地面站生產工序包含油相配制、水相配制、連續制藥等三個工藝環節，具體自控工藝流程如圖1所示。控制系統是保證各個生產工序穩定、安全、可靠運行的基礎。該系統采用西門子PROFINET及PROFIBUS DP雙總線分布式、多機冗余控制技術，本著安全、先進、可靠、穩定及實用的原則進行設計。

圖1 乳化基質生產自控流程

該控制系統采用現場總線技術，基于分散型控制系統（DCS），通過工控機、觸摸屏構成人機界面，分別控制生產過程中多個控制回路，同時對整個生產線進行集中獲取數據、集中管理和集中控制。各分布式控制系統采用PLC分別控制各個回路，而用工控機、觸摸屏實施上一級的控制。各回路之間以及上下級之間通過西門子PROFINET、PROFIBUS DP現場總線及普通以太網總線技術進行信息交換。這種分布式控制方式能改善控制的可靠性，不會由于上位機的故障而使整個系統失去控制。當管理級發生故障時，過程控制級（控制回路）仍具有獨立控制能力，個別控制回路發生故障時也不會影響全局。同時系統能很方便地實現與工廠管理信息系統進行數據交換。

2 系統硬件設計

控制系統強電部件由空氣開關、接觸器、熱繼電器、變頻器等組成，集中在低壓配電柜以實現各種設備運轉的驅動和短路保護、過載保護。低壓配電柜內還裝有可編程控制器PLC。PLC具有很強的抗干擾能力，它的CPU系統與I／O接口采用光電隔離，可在各種惡劣環境下工作。該系統的自控硬件結構如圖2所示。采用PROFINET、PROFIBUS DP現場總線技術對PLC及控制儀表進行數據采集、控制，各分布式子系統采用普通以太網總線技術進行信息交換。

圖2 自動控制系統硬件結構框圖

2.1 可編程控制器（PLC）

用PLC取代傳統的繼電器控制系統，通過控制開關量實現邏輯和順序控制；運用模擬量I／O模塊控制溫度、振動、壓力、速度、流量、料位等連續變化的模擬量，并采集、分析及處理數據；實現PLC與PLC之間、PLC與上位計算機或其他智能設備間的通信，構成“集中管理、分散控制”的多級分布式控制系統，建立工廠的自動化網絡。

可編程控制器是系統的核心。在PLC內部增設內部濾波處理器，同時設計CPU與I／O光電進行隔離，以提高控制系統整體抗干擾能力和在各種惡劣環境下工作的穩定性。

2.2 低壓配電柜及觸摸屏

由空氣開關、接觸器、熱繼電器、變頻器等組成的低壓配電柜能實現各種設備運轉的驅動和短路保護、電機過載保護。在緊急情況下，還能進行緊急停機。觸摸屏能實時監控顯示生產時的溫度、液位等，并能通過授權對設備進行現場操作。

2.3 智能儀表和現場執行機構

本系統要求智能儀表精度高、功耗低、抗干擾能力強，這對系統穩定可靠運行起到關鍵作用。

3 系統軟件設計

控制系統人機界面在Windows 10環境下、采用WINCC編寫。在控制系統人機界面設計時，設計了多幅畫面，主要包括用戶登錄、工藝流程、數據監控、故障報警、數據查詢、參數設定、安全聯鎖參數設定、電機控制、閥門控制、用戶注銷、用戶退出等。各界面緊扣生產工藝流程，能夠形象地反映生產中各工序之間的邏輯關系，便于操作人員熟練掌握。如圖3～6所示。

圖3 自控系統人機操作主界面

圖4 自控系統操作報警查詢界面

圖5 自控系統人機操作數據查詢界面

圖6 自控系統人機操作參數設置界面

工作人員通過這些畫面不僅可隨時監視各個生產環節的運行狀況，也可隨時根據生產產品的改變而直接對各種工藝參數進行修改，實現生產管理的高度集約化。

4 控制系統功能的設計

本控制系統的設計緊扣生產工藝，并結合多年的民爆行業從業經驗，從用戶使用習慣和工業儀表及傳感器靈敏度等諸多方面著手，力求設計出一套安全可靠的系統，達到既能提高生產工藝的自動化程度，又能對生產中涉及安全的關鍵工序的各過程進行全程監控，并深挖生產中各個重要參數之間的邏輯關系，通過PLC程序進行聯鎖控制。

4.1 溫度超限報警及保護

結合乳化基質生產特點，對涉及生產安全的溫度參數設置了立即報警停機，對生產工藝條件有關溫度參數進行報警提示。對油相儲罐溫度、水相儲罐溫度、基質溫度（乳化機出口溫度）、基質泵出口溫度等參數設置了聯鎖停機功能，油相儲罐溫度報警溫度上限為90℃，油相儲罐溫度報警溫度上限為60℃，基質溫度（乳化機出口）報警溫度上限為90℃，基質泵出口溫度報警上限為90℃。對油相溶化罐溫度、水相溶化罐溫度、水相輸送管路溫度、熱水溫度等參數設置了報警功能，油相溶化罐溫度報警上限為60℃，水相溶化罐溫度上限為90℃，水相輸送管路溫度報警低限為72℃，熱水溫度報警上限為98℃。

4.2 工藝物料斷料報警及保護

油相斷料和水相斷料檢測在油水相泵運行30 s后啟用。油相斷料或水相斷料一旦報警，所有設備停機，確保乳化過程的安全性。

4.3 乳化機冷卻水斷流報警及保護

乳化機冷卻水斷流是根據水流開關狀態與乳化機運行二元條件判斷的，為避免干擾，水斷流判斷設置2 s延時，如果水斷流狀態持續存在，則觸發報警及保護條件，實現乳化機保護停機及主流程停機。

4.4 關鍵設備過電流報警及保護

系統對關鍵設備如乳化器、基質泵、水相泵、油相泵進行運行電流檢測，過電流判斷一旦成立，立即激勵電鈴發出報警聲音，并進行主流程設備停機保護，各關鍵設備報警電流上限為各設備電機額定電流值。

4.5 超壓報警及保護

對乳化機進、出口壓力，基質泵、油水相螺桿泵出口壓力進行檢測。乳化機進口壓力最貼近乳化機工作腔實際壓力；油水相螺桿泵出口壓力既是乳化機壓力的源頭又對螺桿泵工況具有重要意義。這4個壓力參數都采用上限報警及主流程保護停機。乳化機進、出口壓力報警上限為0.6 MPa，油水相螺桿泵出口壓力報警上限為0.6 MPa，基質泵出口壓力報警上限為1.2 MPa。

4.6 水蒸汽壓力報警及保護

對水蒸汽壓力進行檢測，水蒸汽超高壓及低壓限均報警。水蒸汽壓力報警上限為0.8 MPa。

4.7 乳化機振動速度超限報警及保護

乳化機振動傳感器輸出三軸振動速度，其數值大小反映了“振動大小”。振動超限，則會觸發報警及保護條件，實現乳化機保護停機及主流程停機。乳化機振動傳感器振動報警上限為10 mm／s。

4.8 基質料斗料位超高報警及保護

對基質料斗料位進行檢測，當料位超設定值時間超過30 s時，各主流程停機。料斗料位報警上限為0.5 m。

4.9 電機過載報警保護

電機過載保護采用常規的熱繼電器，它具有反時限動作保護特性，其整定值由電氣專業設定。主流程電機具有聯鎖停機功能，只要其中任何一臺電機發生過載保護，主流程全線電機都會停機。非主流程電機過載只觸發單機保護停機。每臺電機過載都會報警并鳴響電笛。

5 結 語

乳化基質地面站自動化控制系統自2019年建成至今，已穩定運行了3年多，共生產近6萬噸乳化基質，運行情況表明，該自動化控制系統安全聯鎖保護功能強大，能滿足一鍵自動制乳的工藝生產要求，大幅降低了生產開機時因不熟悉生產工藝而導致的產品質量問題和開機先后順序錯亂而帶來的安全隱患。