引言

膨化炸藥屬于危險品,因此要求其整個生產過程安全、穩(wěn)定,自動化程度高,生產一線的工作人員盡可能少。本文以我公司為福建海峽科化股份有限公司所屬青海東諾化工有限公司設計的膨化炸藥生產線自動化控制系統(tǒng)為例,介紹其控制系統(tǒng)的結構組成以及具體的程序編寫。

1系統(tǒng)簡介

膨化炸藥生產線自動化控制系統(tǒng)包括主要控制站的模件、上位機組態(tài)軟件IFIX及控制系統(tǒng)軟件PINECAD。

1.1控制站網(wǎng)絡結構

本控制系統(tǒng)主要由上位機人機界面、控制站1、控制站2三個部份組成,如圖1所示。其中,人機界面系統(tǒng)是整個控制系統(tǒng)與操作人員進行人機交互的界面,將所有的控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息、參數(shù)設置、歷史曲線、報警信息都在操作界面上顯示出來?？刂普?位于生產區(qū)域內,屬于嚴格控制人員數(shù)量的區(qū)域。控制站2與人機界面位于控制室(為了將操作室的中控人員從生產線總定員中剔除,將控制室設計在防爆土堤內,屬于安全區(qū)域)?？刂普?主要是對現(xiàn)場設備進行控制,如接收現(xiàn)場傳感器、開關信號及輸出控制現(xiàn)場設備(如接觸器、電磁閥及變頻器等)?？刂普?主要是接收控制室的命令按鈕、輸出模擬量信號顯示及設備指示燈。

1.2系統(tǒng)硬件組成

本控制系統(tǒng)采用OMRON公司生產的大型可編程控制器CS1系列作為系統(tǒng)的控制核心硬件,使用OMRON的以太網(wǎng)及CLK通信。

人機界面選用了功能強大的IFIX5.0作為主要上位機組態(tài)軟件,經過二次開發(fā),使其與本控制系統(tǒng)完整融合成一體,滿足生產過程的要求。

目前我們使用的控制系統(tǒng)軟件PINECAD是由北京華能新銳控制有限公司開發(fā)的適用于電廠DCS的控制軟件,其在電力行業(yè)已被廣泛應用。

2控制程序編寫

2.1膨化炸藥控制工藝要求

膨化炸藥生產線的主要生產工序包括硝銨破碎、硝銨熔化、硝銨膨化、硝銨混藥、硝銨涼藥。

2.1.1硝銨破碎

袋狀硝銨容易吸取空氣中的水分,易結塊,因此需要將硝酸銨進行破碎,使其易于在下個工序中熔化。

2.1.2硝銨熔化

硝銨熔化就是將硝酸銨溶液按一定的比例熔于水后,經過一定的時間,邊攪拌邊加溫。當溫度達到設定值后,等待進入下一個工序。

2.1.3硝銨膨化

將熔化的硝銨吸入一個已經處于真空的膨化罐,此時膨化罐的真空度會逐步下降,當下降到設定值時,破真空并出料。

2.1.4硝銨混藥

在這個工藝過程中,將膨化硝銨與重油、食鹽、木粉按一定的比例充分混合。

2.1.5硝銨涼藥

將成品通過螺旋送入涼藥機,使溫度下降到常溫。

在以上幾個工序中,最主要的工序為硝銨熔化、硝銨膨化及混藥這3個工序,下面將詳細說明這幾個工序的工藝。

2.2硝銨熔化工序

熔化罐控制的具體工作流程:現(xiàn)場人員按下"A膨化罐可開機"按鈕后,在控制室操作臺按下"確認可開機",并選擇A1或A2熔化罐按鈕,A1熔化罐進入工作順序流程。

(1)當現(xiàn)場人員按下熔化罐待料按鈕,現(xiàn)場大屏幕顯示"A1待料":

(2)當現(xiàn)場人員按下A1加料按鈕后,加料閥打開到相應位置,此時大屏幕顯示"A1加料",當重量信號達到設定值時結束加料,系統(tǒng)進入熔化狀態(tài),同時大屏幕顯示"A1熔化":

(3)在A1熔化狀態(tài),攪拌電機運行,當A1熔化罐達到設定的溫度,并且延時5min后,進入"A1待排"狀態(tài):

(4)在A1待排狀態(tài)下,攪拌機繼續(xù)攪拌,防止熔化罐結晶。

通過對控制工藝進行分析后,將工藝人員對整個控制工藝的描述轉換為自動化人員的控制順序圖。在自動化編程上,采用PINECAD步進指令進行結構化編程。在每個工作步驟,都設置了狀態(tài)位。如當處于A1待料狀態(tài)時,才可以按下加料按鈕,進入加料狀態(tài)。實踐證明,這樣編程可以很大程序上防止現(xiàn)場操作人員按錯按鈕。在后續(xù)的步進控制時也都采用了類似的做法。

2.3硝銨膨化工序

膨化工序是整個炸藥生產線中最核心的環(huán)節(jié),本工序對產品性能有重大影響。其中核心指標為真空度。膨化工序主要由以下幾個狀態(tài)組成:待料、吸料、膨化、破真空、待排、出料、出料完畢、待料。

(1)膨化罐一進入工作狀態(tài)時,就將各個閥門關閉,真空泵進行抽真空,當真空度達到設定值時,膨化罐進入待料狀態(tài)。

(2)當膨化罐處于待料狀態(tài)時,且與之相連的一個熔化罐處于持排狀態(tài),膨化罐進入吸料狀態(tài)。此時,吸料閥打開,膨化罐通過負壓將熔化罐中的液態(tài)硝酸銨吸入。

(3)當膨化罐處于吸料狀態(tài)時,操作人員按下停止吸料按鈕,此時,關閉吸料閥,打開真空閥對膨化罐抽真空,此時膨化罐進入膨化狀態(tài)。

(4)當膨化罐處于膨化狀態(tài)下時,到達設定時間且真空度達到設定值后,進入破真空狀態(tài),此時破真空閥打開。

(5)當處于破真空狀態(tài)且時間達到設定值時,膨化罐進入待排狀態(tài)。膨化罐處于持排狀態(tài)時,如果沒有其他膨化罐在排料,則進入出料狀態(tài)(此設計主要是考慮如果整個系統(tǒng)的4個膨化罐都在排料,出料輸送螺旋會溢出)。

(6)當膨化罐處于出料狀態(tài)時,出料門打開,升降氣缸下降,當下降到中位時,出料電機開始運行。出料時間到達設定時間,升降氣缸上升至高位,膨化罐進入出料完畢狀態(tài)。

(7)當膨化罐處于出料完畢狀態(tài)時,現(xiàn)場人員清理好出料門后,按下待料按鈕,此時真空閥打開,破真空閥關閉,真空度達到設定值時,膨化罐進入待料狀態(tài)進行下一個工作循環(huán)。

在這道工序中,其工作過程具有明顯的順序控制,因此控制程序也用步進控制指令來進行。

2.4硝銨混藥工序

本工序將膨化硝酸銨按設定的比例,與重油、木粉、食鹽進行混合。本部分控制是先在計算機上設置混合的比例,然后根據(jù)膨化硝銨的實際流量值,動態(tài)調節(jié)其他3個組份的量。本控制系統(tǒng)中油相泵的PID調節(jié)的控制邏輯,其核心指令為TPI(PID調節(jié)切換器)。當泵剛開始啟動時,由于偏差量太大,所以不可以馬上進入PID調節(jié),而是直接輸出由系統(tǒng)中信號發(fā)生器發(fā)出的一個相對合適的指定速度。當設定值與反饋值的差值在規(guī)定范圍內時,采用TPI指令進行PID控制。

本控制邏輯同時進行了轉差比較:將模擬量輸出的轉速與油泵的轉速反饋進行比較,如果大于所設定的偏差量,則報警提示操作人員進行現(xiàn)場檢查。

本系統(tǒng)中還實現(xiàn)了PID調節(jié)與手動調節(jié)的無攏動切換。另外,食鹽、木粉的控制邏輯與油相的控制方法類似,在此不一一描述。

3上位機組態(tài)界面的二次開發(fā)

上位機組態(tài)軟件二次開發(fā)的過程就是將工藝人員及操作人員需要的數(shù)據(jù)在計算機界面上顯示出來。上位機設計包含了以下幾個部分:膨化控制系統(tǒng)界面、混藥控制系統(tǒng)界面、歷史曲線界面。

上位機組態(tài)界面的設計主要是以操作人員能夠直觀、全面了解整個生產線的狀態(tài),并發(fā)出控制指令為目標。在主界面中,顯示了4套膨化罐和與之相對應的8個熔化罐的所有狀態(tài)信息,顯示了真空度、閥門狀態(tài)信息、主要設備的電機電流及歷史曲線。在歷史曲線界面中,可以調出所有膨化罐的真空度、電機電流等模擬量曲線。對于工藝人員最關心的真空度曲線,專門做了一個畫面,供工藝人員分析生產情況。在真空度-時間歷史曲線中,可以清晰地描述出一個膨化罐的工藝過程。

(1)曲線上升階段是膨化罐抽真空的過程,同時曲線樣式也能夠清楚地反映出膨化罐是否密封完好。若曲線斜率發(fā)生變化,有可能是真空泵或機械密封出現(xiàn)了問題,中控人員通知現(xiàn)場人員檢查設備。

(2)膨化罐待料狀態(tài)時,需要保持高真空度,同時在此過程,不允許壓力下降。

(3)在吸料狀態(tài),吸料閥被打開。此時硝酸銨熔液被吸入膨化罐,真空度急速下降,當下降到零時,表示此時膨化過程結束。

(4)在出料狀態(tài),出料電機開始旋轉下降,將膨化硝銨全部推入出料螺旋,出料完畢后再次關好出料門,等待抽真空。

4經驗總結

在本次項目設計過程中,筆者得到了寶貴的經驗:需要與業(yè)主方進行充分溝通,了解控制工藝,提出最佳的自動化控制工藝。斷電后能夠繼續(xù)生產,防止誤操作等功能都是在充分討論中雙方智慧的結晶。實踐證明,正是有了這些功能,才使本控制系統(tǒng)更滿足業(yè)主的生產需要。

5結語

本次為化工廠設計的膨化硝銨炸藥生產線,歷經6個月的設備安裝與調試,成功生產出了第一批合格產品,并通過了行業(yè)主管部門組織的驗收,已經成功交付給業(yè)主使用,滿足業(yè)主提出的安全、穩(wěn)定、現(xiàn)場人少的要求。