民爆行业某膨化炸药生产线控制系统设计

引言

膨化炸药属于危险品,因此要求其整个生产过程安全、稳定,自动化程度高,生产一线的工作人员尽可能少。本文以我公司为福建海峡科化股份有限公司所属青海东诺化工有限公司设计的膨化炸药生产线自动化控制系统为例,介绍其控制系统的结构组成以及具体的程序编写。

1系统简介

膨化炸药生产线自动化控制系统包括主要控制站的模件、上位机组态软件IFIX及控制系统软件PINECAD。

1.1控制站网络结构

本控制系统主要由上位机人机界面、控制站1、控制站2三个部份组成,如图1所示。其中,人机界面系统是整个控制系统与操作人员进行人机交互的界面,将所有的控制系统的状态信息、参数设置、历史曲线、报警信息都在操作界面上显示出来。控制站1位于生产区域内,属于严格控制人员数量的区域。控制站2与人机界面位于控制室(为了将操作室的中控人员从生产线总定员中剔除,将控制室设计在防爆土堤内,属于安全区域)。控制站1主要是对现场设备进行控制,如接收现场传感器、开关信号及输出控制现场设备(如接触器、电磁阀及变频器等)。控制站2主要是接收控制室的命令按钮、输出模拟量信号显示及设备指示灯。

1.2系统硬件组成

本控制系统采用OMRON公司生产的大型可编程控制器CS1系列作为系统的控制核心硬件,使用OMRON的以太网及CLK通信。

人机界面选用了功能强大的IFIX5.0作为主要上位机组态软件,经过二次开发,使其与本控制系统完整融合成一体,满足生产过程的要求。

目前我们使用的控制系统软件PINECAD是由北京华能新锐控制有限公司开发的适用于电厂DCS的控制软件,其在电力行业已被广泛应用。

2控制程序编写

2.1膨化炸药控制工艺要求

膨化炸药生产线的主要生产工序包括硝铵破碎、硝铵熔化、硝铵膨化、硝铵混药、硝铵凉药。

2.1.1硝铵破碎

袋状硝铵容易吸取空气中的水分,易结块,因此需要将硝酸铵进行破碎,使其易于在下个工序中熔化。

2.1.2硝铵熔化

硝铵熔化就是将硝酸铵溶液按一定的比例熔于水后,经过一定的时间,边搅拌边加温。当温度达到设定值后,等待进入下一个工序。

2.1.3硝铵膨化

将熔化的硝铵吸入一个已经处于真空的膨化罐,此时膨化罐的真空度会逐步下降,当下降到设定值时,破真空并出料。

2.1.4硝铵混药

在这个工艺过程中,将膨化硝铵与重油、食盐、木粉按一定的比例充分混合。

2.1.5硝铵凉药

将成品通过螺旋送入凉药机,使温度下降到常温。

在以上几个工序中,最主要的工序为硝铵熔化、硝铵膨化及混药这3个工序,下面将详细说明这几个工序的工艺。

2.2硝铵熔化工序

熔化罐控制的具体工作流程:现场人员按下"A膨化罐可开机"按钮后,在控制室操作台按下"确认可开机",并选择A1或A2熔化罐按钮,A1熔化罐进入工作顺序流程。

(1)当现场人员按下熔化罐待料按钮,现场大屏幕显示"A1待料":

(2)当现场人员按下A1加料按钮后,加料阀打开到相应位置,此时大屏幕显示"A1加料",当重量信号达到设定值时结束加料,系统进入熔化状态,同时大屏幕显示"A1熔化":

(3)在A1熔化状态,搅拌电机运行,当A1熔化罐达到设定的温度,并且延时5min后,进入"A1待排"状态:

(4)在A1待排状态下,搅拌机继续搅拌,防止熔化罐结晶。

通过对控制工艺进行分析后,将工艺人员对整个控制工艺的描述转换为自动化人员的控制顺序图。在自动化编程上,采用PINECAD步进指令进行结构化编程。在每个工作步骤,都设置了状态位。如当处于A1待料状态时,才可以按下加料按钮,进入加料状态。实践证明,这样编程可以很大程序上防止现场操作人员按错按钮。在后续的步进控制时也都采用了类似的做法。

2.3硝铵膨化工序

膨化工序是整个炸药生产线中最核心的环节,本工序对产品性能有重大影响。其中核心指标为真空度。膨化工序主要由以下几个状态组成:待料、吸料、膨化、破真空、待排、出料、出料完毕、待料。

(1)膨化罐一进入工作状态时,就将各个阀门关闭,真空泵进行抽真空,当真空度达到设定值时,膨化罐进入待料状态。

(2)当膨化罐处于待料状态时,且与之相连的一个熔化罐处于持排状态,膨化罐进入吸料状态。此时,吸料阀打开,膨化罐通过负压将熔化罐中的液态硝酸铵吸入。

(3)当膨化罐处于吸料状态时,操作人员按下停止吸料按钮,此时,关闭吸料阀,打开真空阀对膨化罐抽真空,此时膨化罐进入膨化状态。

(4)当膨化罐处于膨化状态下时,到达设定时间且真空度达到设定值后,进入破真空状态,此时破真空阀打开。

(5)当处于破真空状态且时间达到设定值时,膨化罐进入待排状态。膨化罐处于持排状态时,如果没有其他膨化罐在排料,则进入出料状态(此设计主要是考虑如果整个系统的4个膨化罐都在排料,出料输送螺旋会溢出)。

(6)当膨化罐处于出料状态时,出料门打开,升降气缸下降,当下降到中位时,出料电机开始运行。出料时间到达设定时间,升降气缸上升至高位,膨化罐进入出料完毕状态。

(7)当膨化罐处于出料完毕状态时,现场人员清理好出料门后,按下待料按钮,此时真空阀打开,破真空阀关闭,真空度达到设定值时,膨化罐进入待料状态进行下一个工作循环。

在这道工序中,其工作过程具有明显的顺序控制,因此控制程序也用步进控制指令来进行。

2.4硝铵混药工序

本工序将膨化硝酸铵按设定的比例,与重油、木粉、食盐进行混合。本部分控制是先在计算机上设置混合的比例,然后根据膨化硝铵的实际流量值,动态调节其他3个组份的量。本控制系统中油相泵的PID调节的控制逻辑,其核心指令为TPI(PID调节切换器)。当泵刚开始启动时,由于偏差量太大,所以不可以马上进入PID调节,而是直接输出由系统中信号发生器发出的一个相对合适的指定速度。当设定值与反馈值的差值在规定范围内时,采用TPI指令进行PID控制。

本控制逻辑同时进行了转差比较:将模拟量输出的转速与油泵的转速反馈进行比较,如果大于所设定的偏差量,则报警提示操作人员进行现场检查。

本系统中还实现了PID调节与手动调节的无拢动切换。另外,食盐、木粉的控制逻辑与油相的控制方法类似,在此不一一描述。

3上位机组态界面的二次开发

上位机组态软件二次开发的过程就是将工艺人员及操作人员需要的数据在计算机界面上显示出来。上位机设计包含了以下几个部分:膨化控制系统界面、混药控制系统界面、历史曲线界面。

上位机组态界面的设计主要是以操作人员能够直观、全面了解整个生产线的状态,并发出控制指令为目标。在主界面中,显示了4套膨化罐和与之相对应的8个熔化罐的所有状态信息,显示了真空度、阀门状态信息、主要设备的电机电流及历史曲线。在历史曲线界面中,可以调出所有膨化罐的真空度、电机电流等模拟量曲线。对于工艺人员最关心的真空度曲线,专门做了一个画面,供工艺人员分析生产情况。在真空度-时间历史曲线中,可以清晰地描述出一个膨化罐的工艺过程。

(1)曲线上升阶段是膨化罐抽真空的过程,同时曲线样式也能够清楚地反映出膨化罐是否密封完好。若曲线斜率发生变化,有可能是真空泵或机械密封出现了问题,中控人员通知现场人员检查设备。

(2)膨化罐待料状态时,需要保持高真空度,同时在此过程,不允许压力下降。

(3)在吸料状态,吸料阀被打开。此时硝酸铵熔液被吸入膨化罐,真空度急速下降,当下降到零时,表示此时膨化过程结束。

(4)在出料状态,出料电机开始旋转下降,将膨化硝铵全部推入出料螺旋,出料完毕后再次关好出料门,等待抽真空。

4经验总结

在本次项目设计过程中,笔者得到了宝贵的经验:需要与业主方进行充分沟通,了解控制工艺,提出最佳的自动化控制工艺。断电后能够继续生产,防止误操作等功能都是在充分讨论中双方智慧的结晶。实践证明,正是有了这些功能,才使本控制系统更满足业主的生产需要。

5结语

本次为化工厂设计的膨化硝铵炸药生产线,历经6个月的设备安装与调试,成功生产出了第一批合格产品,并通过了行业主管部门组织的验收,已经成功交付给业主使用,满足业主提出的安全、稳定、现场人少的要求。