引言

膨化炸藥屬于危險(xiǎn)品,因此要求其整個(gè)生產(chǎn)過程安全、穩(wěn)定,自動(dòng)化程度高,生產(chǎn)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(shè)計(jì)的膨化炸藥生產(chǎn)線自動(dòng)化控制系統(tǒng)為例,介紹其控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成以及具體的程序編寫。

1系統(tǒng)簡(jiǎn)介

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

1.1控制站網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本控制系統(tǒng)主要由上位機(jī)人機(jī)界面、控制站1、控制站2三個(gè)部份組成,如圖1所示。其中,人機(jī)界面系統(tǒng)是整個(gè)控制系統(tǒng)與操作人員進(jìn)行人機(jī)交互的界面,將所有的控制系統(tǒng)的狀態(tài)信息、參數(shù)設(shè)置、歷史曲線、報(bào)警信息都在操作界面上顯示出來?？刂普?位于生產(chǎn)區(qū)域內(nèi),屬于嚴(yán)格控制人員數(shù)量的區(qū)域?？刂普?與人機(jī)界面位于控制室(為了將操作室的中控人員從生產(chǎn)線總定員中剔除,將控制室設(shè)計(jì)在防爆土堤內(nèi),屬于安全區(qū)域)?？刂普?主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行控制,如接收現(xiàn)場(chǎng)傳感器、開關(guān)信號(hào)及輸出控制現(xiàn)場(chǎng)設(shè)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(hào)顯示及設(shè)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(chǎn)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(jī)界面選用了功能強(qiáng)大的IFIX5.0作為主要上位機(jī)組態(tài)軟件,經(jīng)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(chǎn)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(yīng)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(chǎn)線的主要生產(chǎn)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(jié)塊,因此需要將硝酸銨進(jìn)行破碎,使其易于在下個(gè)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(jīng)過一定的時(shí)間,邊攪拌邊加溫。當(dāng)溫度達(dá)到設(shè)定值后,等待進(jìn)入下一個(gè)工序。

2.1.3硝銨膨化

將熔化的硝銨吸入一個(gè)已經(jīng)處于真空的膨化罐,此時(shí)膨化罐的真空度會(huì)逐步下降,當(dāng)下降到設(shè)定值時(shí),破真空并出料。

2.1.4硝銨混藥

在這個(gè)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(jī),使溫度下降到常溫。

在以上幾個(gè)工序中,最主要的工序?yàn)橄蹁@熔化、硝銨膨化及混藥這3個(gè)工序,下面將詳細(xì)說明這幾個(gè)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(chǎng)人員按下"A膨化罐可開機(jī)"按鈕后,在控制室操作臺(tái)按下"確認(rèn)可開機(jī)",并選擇A1或A2熔化罐按鈕,A1熔化罐進(jìn)入工作順序流程。

(1)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員按下熔化罐待料按鈕,現(xiàn)場(chǎng)大屏幕顯示"A1待料":

(2)當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)人員按下A1加料按鈕后,加料閥打開到相應(yīng)位置,此時(shí)大屏幕顯示"A1加料",當(dāng)重量信號(hào)達(dá)到設(shè)定值時(shí)結(jié)束加料,系統(tǒng)進(jìn)入熔化狀態(tài),同時(shí)大屏幕顯示"A1熔化":

(3)在A1熔化狀態(tài),攪拌電機(jī)運(yùn)行,當(dāng)A1熔化罐達(dá)到設(shè)定的溫度,并且延時(shí)5min后,進(jìn)入"A1待排"狀態(tài):

(4)在A1待排狀態(tài)下,攪拌機(jī)繼續(xù)攪拌,防止熔化罐結(jié)晶。

通過對(duì)控制工藝進(jìn)行分析后,將工藝人員對(duì)整個(gè)控制工藝的描述轉(zhuǎn)換為自動(dòng)化人員的控制順序圖。在自動(dòng)化編程上,采用PINECAD步進(jìn)指令進(jìn)行結(jié)構(gòu)化編程。在每個(gè)工作步驟,都設(shè)置了狀態(tài)位。如當(dāng)處于A1待料狀態(tài)時(shí),才可以按下加料按鈕,進(jìn)入加料狀態(tài)。實(shí)踐證明,這樣編程可以很大程序上防止現(xiàn)場(chǎng)操作人員按錯(cuò)按鈕。在后續(xù)的步進(jìn)控制時(shí)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(gè)炸藥生產(chǎn)線中最核心的環(huán)節(jié),本工序?qū)Ξa(chǎn)品性能有重大影響。其中核心指標(biāo)為真空度。膨化工序主要由以下幾個(gè)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(jìn)入工作狀態(tài)時(shí),就將各個(gè)閥門關(guān)閉,真空泵進(jìn)行抽真空,當(dāng)真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí),膨化罐進(jìn)入待料狀態(tài)。

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

(3)當(dāng)膨化罐處于吸料狀態(tài)時(shí),操作人員按下停止吸料按鈕,此時(shí),關(guān)閉吸料閥,打開真空閥對(duì)膨化罐抽真空,此時(shí)膨化罐進(jìn)入膨化狀態(tài)。

(4)當(dāng)膨化罐處于膨化狀態(tài)下時(shí),到達(dá)設(shè)定時(shí)間且真空度達(dá)到設(shè)定值后,進(jìn)入破真空狀態(tài),此時(shí)破真空閥打開。

(5)當(dāng)處于破真空狀態(tài)且時(shí)間達(dá)到設(shè)定值時(shí),膨化罐進(jìn)入待排狀態(tài)。膨化罐處于持排狀態(tài)時(shí),如果沒有其他膨化罐在排料,則進(jìn)入出料狀態(tài)(此設(shè)計(jì)主要是考慮如果整個(gè)系統(tǒng)的4個(gè)膨化罐都在排料,出料輸送螺旋會(huì)溢出)。

(6)當(dāng)膨化罐處于出料狀態(tài)時(shí),出料門打開,升降氣缸下降,當(dāng)下降到中位時(shí),出料電機(jī)開始運(yùn)行。出料時(shí)間到達(dá)設(shè)定時(shí)間,升降氣缸上升至高位,膨化罐進(jìn)入出料完畢狀態(tài)。

(7)當(dāng)膨化罐處于出料完畢狀態(tài)時(shí),現(xiàn)場(chǎng)人員清理好出料門后,按下待料按鈕,此時(shí)真空閥打開,破真空閥關(guān)閉,真空度達(dá)到設(shè)定值時(shí),膨化罐進(jìn)入待料狀態(tài)進(jìn)行下一個(gè)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(jìn)控制指令來進(jìn)行。

2.4硝銨混藥工序

本工序?qū)⑴蚧跛徜@按設(shè)定的比例,與重油、木粉、食鹽進(jìn)行混合。本部分控制是先在計(jì)算機(jī)上設(shè)置混合的比例,然后根據(jù)膨化硝銨的實(shí)際流量值,動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)其他3個(gè)組份的量。本控制系統(tǒng)中油相泵的PID調(diào)節(jié)的控制邏輯,其核心指令為TPI(PID調(diào)節(jié)切換器)。當(dāng)泵剛開始啟動(dòng)時(shí),由于偏差量太大,所以不可以馬上進(jìn)入PID調(diào)節(jié),而是直接輸出由系統(tǒng)中信號(hào)發(fā)生器發(fā)出的一個(gè)相對(duì)合適的指定速度。當(dāng)設(shè)定值與反饋值的差值在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí),采用TPI指令進(jìn)行PID控制。

本控制邏輯同時(shí)進(jìn)行了轉(zhuǎn)差比較:將模擬量輸出的轉(zhuǎn)速與油泵的轉(zhuǎn)速反饋進(jìn)行比較,如果大于所設(shè)定的偏差量,則報(bào)警提示操作人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查。

本系統(tǒng)中還實(shí)現(xiàn)了PID調(diào)節(jié)與手動(dòng)調(diào)節(jié)的無攏動(dòng)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(jī)組態(tài)界面的二次開發(fā)

上位機(jī)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(jì)算機(jī)界面上顯示出來。上位機(jī)設(shè)計(jì)包含了以下幾個(gè)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(jī)組態(tài)界面的設(shè)計(jì)主要是以操作人員能夠直觀、全面了解整個(gè)生產(chǎn)線的狀態(tài),并發(fā)出控制指令為目標(biāo)。在主界面中,顯示了4套膨化罐和與之相對(duì)應(yīng)的8個(gè)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(shè)備的電機(jī)電流及歷史曲線。在歷史曲線界面中,可以調(diào)出所有膨化罐的真空度、電機(jī)電流等模擬量曲線。對(duì)于工藝人員最關(guān)心的真空度曲線,專門做了一個(gè)畫面,供工藝人員分析生產(chǎn)情況。在真空度-時(shí)間歷史曲線中,可以清晰地描述出一個(gè)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(shí)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(jī)械密封出現(xiàn)了問題,中控人員通知現(xiàn)場(chǎng)人員檢查設(shè)備。

(2)膨化罐待料狀態(tài)時(shí),需要保持高真空度,同時(shí)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(shí)硝酸銨熔液被吸入膨化罐,真空度急速下降,當(dāng)下降到零時(shí),表示此時(shí)膨化過程結(jié)束。

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

4經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

在本次項(xiàng)目設(shè)計(jì)過程中,筆者得到了寶貴的經(jīng)驗(yàn):需要與業(yè)主方進(jìn)行充分溝通,了解控制工藝,提出最佳的自動(dòng)化控制工藝。斷電后能夠繼續(xù)生產(chǎn),防止誤操作等功能都是在充分討論中雙方智慧的結(jié)晶。實(shí)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(chǎn)需要。

5結(jié)語(yǔ)

本次為化工廠設(shè)計(jì)的膨化硝銨炸藥生產(chǎn)線,歷經(jīng)6個(gè)月的設(shè)備安裝與調(diào)試,成功生產(chǎn)出了第一批合格產(chǎn)品,并通過了行業(yè)主管部門組織的驗(yàn)收,已經(jīng)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(chǎng)人少的要求。