熔混設(shè)備人機(jī)界面的設(shè)計(jì)

王 爽 楊紅兵

(航天科技集團(tuán)四院42所，湖北 襄陽 441003)

為滿足熔混系統(tǒng)生產(chǎn)線的工藝要求，航天科技集團(tuán)四院42所結(jié)合航天、兵器和船舶熔混炸藥成熟生產(chǎn)線技術(shù)，自主設(shè)計(jì)了熔混設(shè)備，實(shí)際投運(yùn)表明該生產(chǎn)線性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)合理、操作人員少且適應(yīng)品種廣泛，是一種運(yùn)行可靠而且生產(chǎn)能力較強(qiáng)的柔性生產(chǎn)線。

在介紹熔混設(shè)備的基本硬件組成結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹生產(chǎn)線自控系統(tǒng)中人機(jī)界面的設(shè)計(jì)。

1 熔混設(shè)備①

1.1 硬件

航天科技集團(tuán)四院42所設(shè)計(jì)的整套熔混設(shè)備按照安裝位置分為現(xiàn)場塔體、輔助動(dòng)力間和室外輔助設(shè)備。現(xiàn)場塔體由主塔體和輔助塔體組成，如圖1所示。主塔體分為3層，第一層為產(chǎn)品接料設(shè)備和相應(yīng)的轉(zhuǎn)運(yùn)裝置；第二層為混注鍋和相應(yīng)的控制元件；第三層為熔化鍋和消防雨淋設(shè)備；輔助塔體則用于放置過熱水膨脹水箱和相應(yīng)的控制元件。

圖1 熔混設(shè)備現(xiàn)場塔體布局示意圖

輔助動(dòng)力間由配電間、過熱水間、軟化水間和真空泵間組成，如圖2所示。配電間設(shè)有動(dòng)力柜和信號(hào)柜，所有相關(guān)操作均由信號(hào)柜中的PLC統(tǒng)一控制；過熱水間是過熱水循環(huán)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)蒸汽與軟化水的熱交換控制、過熱水水路獨(dú)立循環(huán)及控溫等核心功能；軟化水間為軟化水裝置和軟化水箱，提供軟化后的合格水源；真空泵間放置真空泵和相應(yīng)冷卻水循環(huán)裝置，實(shí)現(xiàn)混注鍋的抽真空功能。

圖2 輔助動(dòng)力間布局示意圖

室外輔助設(shè)備主要是指抽煙除塵裝置，該裝置實(shí)現(xiàn)對(duì)熔化鍋和混注鍋鍋內(nèi)氣象粉塵的實(shí)時(shí)排除功能，保證工藝流程和安全生產(chǎn)的相關(guān)要求。

1.2 控制系統(tǒng)

熔混設(shè)備的控制系統(tǒng)采用基于Profibus-DP總線[1,2]的西門子PLC+現(xiàn)場防爆觸摸屏架構(gòu)，CPU315-2DP與MM440變頻器、MP277觸摸屏采用Profibus-DP總線通信，通信速率1.5Mbit/s。其中PLC硬件組態(tài)(含PLC模塊選型和數(shù)量)如圖3所示。

控制系統(tǒng)的信號(hào)類型分為數(shù)字量輸入、數(shù)字量輸出、模擬量輸入、模擬量輸出[3]：

a. 數(shù)字量輸入(6ES7 321-1BL00-0AA0)，包括現(xiàn)場塔體各放料閥開合狀態(tài)檢測，現(xiàn)場操作盒旋鈕和按鈕接點(diǎn)，動(dòng)力柜各動(dòng)力分支保護(hù)空開觸點(diǎn)檢測；

b. 數(shù)字量輸出(6ES7 322-1BL00-0AA0)，包括現(xiàn)場塔體各放料閥閥導(dǎo)線圈，動(dòng)力柜各電機(jī)分支交流接觸器線圈，各種指示燈和報(bào)警燈線圈；

c. 模擬量輸入(6ES7 331-1KF02-0AB0)，包括熔化鍋和混注鍋鍋內(nèi)物料溫度、氣象溫度和氣壓，過熱水循環(huán)系統(tǒng)各支路水溫檢測；

d. 模擬量輸出(6ES7 332-5HD01-0AB0)，包括過熱水循環(huán)系統(tǒng)各支路水溫控制用變量調(diào)節(jié)閥。

圖3 PLC硬件組態(tài)

2 控制原理

混注鍋和熔化鍋轉(zhuǎn)速分別由兩臺(tái)MM440變頻器獨(dú)立控制，轉(zhuǎn)速值由P+F接近開關(guān)檢測并通過轉(zhuǎn)速隔離安全柵變送為4～20mA標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸入PLC模擬量輸入模塊，參與設(shè)備全程邏輯控制。

混注鍋和熔化鍋放料閥、投料閥控制閥島均采用FESTO產(chǎn)品，安裝固定于閥體附近的防爆盒中，開關(guān)量接點(diǎn)控制各閥門的開合。

混注鍋和熔化鍋均設(shè)有保溫夾套，夾套內(nèi)充滿過熱水，用于對(duì)鍋內(nèi)物料進(jìn)行保溫與熔化，物料溫度和夾套溫度由各工位傳感器實(shí)時(shí)采集并輸入PLC模擬量輸入模塊，通過PID運(yùn)算，配合模擬量輸出模塊對(duì)電控變量調(diào)節(jié)閥進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)鍋體夾套溫度的獨(dú)立控制。

過熱水循環(huán)系統(tǒng)中膨脹水箱位于輔助塔體頂層，用于過熱水膨脹保壓和安全泄壓操作，確保使用安全。

雨淋系統(tǒng)與抽煙除塵管路共用一個(gè)接口，正常生產(chǎn)過程中，抽煙除塵風(fēng)機(jī)工作，若出現(xiàn)溫度異常超溫報(bào)警情況，雨淋系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)，可立即將物料溫度快速降低至安全溫度，確保人身安全。

3 人機(jī)界面

熔混設(shè)備控制系統(tǒng)的操作以現(xiàn)場防爆觸摸屏為核心，人機(jī)界面(HMI)可實(shí)時(shí)提供設(shè)備的各溫度、壓力檢測點(diǎn)數(shù)據(jù)，各動(dòng)力設(shè)備的啟停、人工輸入各目標(biāo)參數(shù)、報(bào)警參數(shù)以及設(shè)備的各種異常報(bào)警與處理等所有可以進(jìn)行人機(jī)交互的內(nèi)容。在現(xiàn)場塔體的第二、三層分別設(shè)有一塊防爆觸摸屏，兩塊觸摸屏平行運(yùn)行，無論操作人員在哪一層均可實(shí)現(xiàn)全功能無障礙操作，并可確保生產(chǎn)過程中其中一塊屏幕出現(xiàn)問題，操作員仍可在另一塊觸摸屏上完成該次生產(chǎn)任務(wù)。

熔混設(shè)備HMI的主界面如圖4所示，在主界面上，設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)可實(shí)時(shí)顯示在各圖像表征的相應(yīng)區(qū)域，方便操作人員對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行全面掌控。在主界面的左上方設(shè)有4擋按鈕(圖5)，分別代表可供實(shí)時(shí)切換的4個(gè)分界面——主界面、按鈕界面、參數(shù)界面(圖6)和報(bào)警界面(圖7)。

圖4 HMI主界面

圖5 HMI按鈕界面

圖6 HMI參數(shù)界面

圖7 HMI報(bào)警界面

HMI按鈕界面提供各動(dòng)力設(shè)備的啟/停，閥體開/合，以及熱工系統(tǒng)水路循環(huán)等設(shè)備所有對(duì)操作員開放權(quán)限的操作。在界面的左側(cè)邊欄，集中顯示各分支物料溫度、氣象溫度、熱水夾套溫度、氣壓、水壓、轉(zhuǎn)速、計(jì)時(shí)器及報(bào)警提示等諸多參數(shù)，方便操作員在進(jìn)行設(shè)備操作時(shí)實(shí)時(shí)關(guān)注各關(guān)鍵參數(shù)的變化狀態(tài)，保證生產(chǎn)的安全進(jìn)行。

HMI參數(shù)界面提供了操作員人工輸入目標(biāo)參數(shù)、報(bào)警參數(shù)、定時(shí)參數(shù)及轉(zhuǎn)速等所有對(duì)操作員開放權(quán)限的參數(shù)輸入操作，一般情況下對(duì)于同一種配方的生產(chǎn)流程，參數(shù)不應(yīng)頻繁更換。

HMI報(bào)警界面提供了一目了然的報(bào)警信息。當(dāng)按鈕界面“ALARM”指示燈變?yōu)榧t色閃爍狀態(tài)時(shí)，表明設(shè)備出現(xiàn)報(bào)警異常，此時(shí)操作員需迅速切換至本界面，相應(yīng)的報(bào)警條目會(huì)呈現(xiàn)紅色閃爍狀態(tài)，如果工藝設(shè)定了報(bào)警后的處置方式，則無需人工干預(yù)；如果報(bào)警項(xiàng)目不在報(bào)警聯(lián)鎖控制范圍內(nèi)，則需操作人員根據(jù)具體的報(bào)警條目依據(jù)安全生產(chǎn)規(guī)范進(jìn)行相應(yīng)的應(yīng)急處置。

由于該系統(tǒng)的核心技術(shù)體現(xiàn)在過熱水循環(huán)溫度控制方面，因此對(duì)于PID算法的過熱水水溫控制需要相對(duì)較多的時(shí)間。為此，在設(shè)備調(diào)試初期對(duì)PID控制參數(shù)和控制效果進(jìn)行多次調(diào)試與摸索。圖7右下角的兩擋選擇按鈕即為調(diào)試專用，其中F1為PID調(diào)控參數(shù)設(shè)定界面(圖8)；PID溫控程序的參數(shù)設(shè)定可以實(shí)時(shí)在此界面進(jìn)行調(diào)整和修訂，F(xiàn)2為各支路溫度實(shí)時(shí)曲線圖(圖9)，調(diào)整修訂后的參數(shù)對(duì)于溫控效果的影響可以在此界面體現(xiàn)，該界面可在設(shè)備完全調(diào)試成功后隱藏或刪除，防止操作員誤修改而導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。

圖8 PID參數(shù)設(shè)定界面

圖9 HMI溫度曲線

4 結(jié)束語

熔混生產(chǎn)線控制系統(tǒng)采用成熟的Profibus-DP現(xiàn)場總線技術(shù)，結(jié)合安全隔離柵與本安防爆傳感器構(gòu)成了本安防爆測控系統(tǒng)，簡單、可靠、高效地實(shí)現(xiàn)了整個(gè)熔混系統(tǒng)的工藝生產(chǎn)流程；控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)以人為本，人機(jī)界面友好、直觀，安全報(bào)警措施縝密，可以最大限度地提高操作指令的正確性，保證了操作過程的安全性。