水胶炸药生产线混药工序自动化控制系统研究

刘金洲,张成俊

(1.安徽雷鸣科化有限责任公司,安徽淮北235000;2.中煤科工集团淮北爆破技术研究院有限公司,安徽淮北235000 )

0 引言

水胶炸药自20 世纪80 年代引进以来,经过了30 多年的发展,虽然工艺技术方面已经全面国产化,但是由于生产线数量少,导致对水胶炸药设备及自控技术的研究停滞不前。 特别是与乳化炸药相比,发展速度明显落后,生产过程仍然需要多人操作,简单原始,精度难以控制,导致产品质量波动较大[1-4]。 工信部要求:坚持以科学发展观为统领,以安全生产为核心,通过提升技术标准及准入条件,限制落后技术,淘汰落后产能,加快信息化技术与民爆生产技术的融合,推动民爆行业技术进步[5]。 本文利用自动控制技术,研究设计出了混药工序的无人化自动控制系统,推动了水胶炸药生产过程中的无人化、少人化,为实现水胶炸药全线自动控制做好了铺垫。

1 水胶炸药混药工序工艺过程

混药工序就是把水胶炸药的原材料如硝酸铵溶液、硝酸甲胺溶液、固态硝酸铵、硝酸钠、大理石粉等混合均匀,然后添加相应的添加剂,充分搅拌,并对密度、温度及pH 值进行调整,调整结束后即可进行装药。 混药工艺流程如图1 所示:

图1 混药工艺流程图

2 水胶炸药混药工序自动化设计方案

通过物料的自动加料、自动称重,对各种物料的重量、温度、密度、pH 值等参数进行实时监控,来控制混药的进程。

2.1 重量控制

原有混合工序固态物料的投料是现场投料到输送螺旋,通过螺旋输送到混合罐,一般需要在线1 ～2 人。 自动化工序是在防爆土地外,人工把物料投放至悬挂车,通过悬挂输送系统自动送到输送螺旋,自动对接以及自动下料,混药工房内不需要人员。

除大宗的固态物料在配料处人工称重配比外,其他固态料如密度调节剂、添加剂等通过电子称重传感器或精密小型电子秤进行控制。 控制原理为:根据生产进程,需要添加某种物料时,控制阀门或者闸板打开,此时系统持续检测储罐的总重量,当储罐的总重量减少值达到设定值时,阀门或者闸板自动关闭。

珍珠岩自动加料方式和计量是混合工序自动化控制系统关键所在。 珍珠岩宜扬尘不宜输送和计量,且不宜大量储存[6]。 原有工艺中珍珠岩的加料是提前抽取到一个储罐中,根据工艺需要,人工添加到混合罐中,没有任何计量措施,全凭人员经验操作。 而自动化控制系统则是通过在储罐上安装电子秤,实现自动下料并进行计量控制。

2.2 流量控制

原有混合工序液态小料的添加是人工通过量筒或者量杯提前量好需要的物料,人工倒入混合罐内,此种方法费事费力且不精确。 在自动化控制系统中设置五个不同的液料储罐,每天开班前把储罐加满,在生产过程中通过电子秤计量小罐进行计量,并自动按照顺序添加到混合罐中。

对液态物料采用质量流量计控制,管道采用往返循环流动式,保证管道内物料流量的稳定,根据工艺要求,需要供料时打开三通阀门,此时质量流量计开始计量,当累积量达到设定值时,阀门自动切换回循环状态。

2.3 压力控制

混药工序的压力控制主要作为联锁保护的一种手段,当压力高于或者小于设定值时,系统会根据压力的大小选择报警或者停机,用来保护设备和系统的正常运行。

2.4 温度控制

自动化控制系统混药工序的温度控制主要用来控制各种液态原材料的状态和成品药的交联速度,液态原材料温度过低时会结晶,成品药温度过高会导致交联不利于装药,利用温度传感器实时检测物料温度,当检测温度超出设定值时,系统自动报警或者开启相应阀门进行保温或者降温,确保物料温度在规定范围内。 例如:液态硝酸铵溶液的储存温度设定为下限85 ℃、上限92 ℃,当实时温度为81 ℃时,蒸汽保温阀门自动开启,对储罐物料进行加热保温,当实时温度达到92 ℃时,蒸汽保温阀门自动关闭。

2.5 密度控制

原有混合工序密度检测是靠人工从混合罐中取出样品进行测量,这种方式受温度影响较大,测量结果不准确。 自动化控制设计系统是通过压差式密度检测仪对混合罐内的半成品进行密度检测,当检测到的密度值不合格时,通过远程控制添加密度调节剂进行密度调节,直至密度到规定值。 改造前一直采用人工静态测量法,使用频域测量仪进行检测。 而水胶炸药本身呈现的是浆状胶体的物质,内部有很多颗粒分散其中,这种仪器不适用重介悬浮液密度测量,因此改用压差式仪表,压差式仪表具有误差修正、数据处理、精度高、防护等级高等优点,能实现工业在线快速测量,满足自动化生产的需求。

2.6 pH值控制

混合罐内的半成品呈现出粘稠状态,对pH 值的检测带来很大难度,半成品容易粘连在传感器上,导致数据不准确,因此传感器不能直接安装在物料内,所以设计了一种专用的测量装置,如图2所示。 在进行检测时,把传感器插入到物料中,检测结束后将传感器抽出并放置在冲洗设备内,把传感器表面的物料冲洗干净。 在调整时,根据检测值,远程控制添加pH 值调节剂,直至达到规定值。

图2 pH 值专用测量装置

3 控制系统

3.1 软件系统设计

控制系统采用国内著名的KingView 组态软件,动画式再现工艺流程。 控制系统将所有工序的生产工艺数据进行采集、显示,并通过主机对生产线实现远程自动控制,实现生产线联动;对生产线数据实时采集、存储、分析;实现实时数据查询、历史数据查询、设备数据报警、工艺参数报警及查询等。 组态系统具有Web 功能,在网络连通的情况下可以将组态的操作界面上传到公司相关管理站点,可以实现远程实时监控操作人员的操作,并可以查询历史数据等。

1)系统运行,在硝酸铵储罐内按照品种需要进行硝酸铵溶液的配制,同时固态物料按照配比进行称重准备,对其他添加剂进行自动检查,需要补料的进行提醒。

2)系统自检后,根据工艺要求分别将硝酸甲胺溶液和硝酸铵溶液计量并泵送至冷却罐内,然后进行冷却降温,并进行初步的pH 值测量。 同时固态物料投放至悬挂输送车内,等待系统指令。

3)冷却罐内的混合溶液符合要求后,计量并泵送到混合罐内,同时悬挂系统开始运行。 混合溶液输送完毕时,输送车移动到位,开启输送车闸板和下料螺旋,往混合罐内投放固态物料,并开始进行混拌。

4)混拌的过程中需要进行检测时,pH 计在气缸的推动下插入到物料中进行测量,同时对密度值进行检测,根据检测值进行相应的调整后,进行再次测量,直至调整合格。 测量结束后,pH 计抽回并水平移动到冲洗槽上方,气缸再次动作将pH 计插入冲洗装置并进行冲洗,冲洗结束后等待下次工作。

3.2 硬件系统设计

为了提高整个水胶炸药生产线的本质安全生产水平和自动化技术控制水平,新建一个中心控制室,把整个生产线电气、工艺设备的远程操作、自动控制、监视系统、安全联锁系统、智能信息系统全部纳入中心控制室的管理范围。 控制室监控操作间布置7 个工位中心操作台(分别为原料制备与中和工位、水胶混合工位、装药包装工位、视频监控、悬挂车工位、门禁工位)和一套大屏幕电视墙(配备4台大屏幕),大屏幕电视墙可以监控整个生产线的生产状况,可同时对36 个画面进行大屏监控。 同时在监控室配备一台NVR 视频服务器,实现90 d录像存储。

4 结论

水胶炸药混药工序自动控制系统的应用,减少了在线生产人员,提高了自动化水平,原有工艺需要3 ～5 人才能完成混药工序的生产,通过技术改造后,实现了该工序的无人化制备过程。 而且加强了生产过程中的本质安全性,提高了整个生产过程的自动化水平和连续性,为今后的全线无人化奠定了基础。