現(xiàn)場混裝炸藥智能化生產(chǎn)及安全管理探究

孟廣雄，姜祖勇，馬 平，薛占山

(1 國家能源集團準(zhǔn)能炸藥廠，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010300；2 江蘇澳瑞凱板橋礦山機械有限公司，江蘇 興化 225700；3 北京礦冶科技集團有限公司，北京 100044)

根據(jù)《民用爆炸物品行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，在“十三五”期間，工業(yè)炸藥市場需求將呈波動緩增長趨勢，目前實際散裝炸藥發(fā)展?fàn)顩r符合預(yù)期。按照規(guī)劃“十三五”結(jié)束，2020年底散裝炸藥要占到總炸藥產(chǎn)能的30%。目前國內(nèi)各省正加快推進占比落實[1]。根據(jù)近年來的《民爆行業(yè)運行情況通報》以及《民用爆炸物品行業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，工業(yè)炸藥產(chǎn)量和現(xiàn)場混裝炸藥的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及預(yù)測數(shù)據(jù)如表1所示。

從表1可以看出，到2020年，預(yù)計現(xiàn)場混裝炸藥將達到138.35萬噸。隨著現(xiàn)場混裝炸藥生產(chǎn)工藝的應(yīng)用在國內(nèi)工業(yè)炸藥市場中的比重越來越大，我們很有必要借助機器人自動化技術(shù)與信息化融合手段，對現(xiàn)有散裝炸藥的整個生產(chǎn)工藝過程、管理模式以及調(diào)度協(xié)調(diào)系統(tǒng)進行整合優(yōu)化[2]。以提升工業(yè)智能化水平，減少在現(xiàn)場生產(chǎn)操作的人員數(shù)量，提升生產(chǎn)、運輸、現(xiàn)場混裝等整體環(huán)節(jié)的安全性，穩(wěn)步推進現(xiàn)代化智能制造，實施智能化技術(shù)改造，推進流程標(biāo)準(zhǔn)化，加強企業(yè)信息化自建系統(tǒng)建設(shè)，努力提升安全管理信息化水平，開展對重大危險源和關(guān)鍵危險工序違規(guī)違章行為的自動識別、提示和自動報警技術(shù)研究，推動企業(yè)建立生產(chǎn)、裝藥全過程信息化安全管控體系。

表1 工業(yè)炸藥產(chǎn)量和現(xiàn)場混裝炸藥的統(tǒng)計數(shù)據(jù)及預(yù)測數(shù)據(jù)

1 現(xiàn)場混裝炸藥生產(chǎn)線及裝藥車概述

目前國內(nèi)現(xiàn)場混裝炸藥生產(chǎn)作業(yè)主要有兩種模式：

1.1 模式一：車上制乳方案，含地面溶液、油相制備和炸藥現(xiàn)場混裝乳化(車上制乳)炸藥車組成

地面溶液制備可選用液態(tài)硝酸銨溶液或硝酸銨破碎溶解來制備硝酸銨水溶液(氧化溶液)，同時分別制備混合油相、敏化劑、現(xiàn)場工藝用水；每次生產(chǎn)前制備站將溶液按生產(chǎn)需求泵送至車上制乳混裝車，混裝車生產(chǎn)結(jié)束后可將未使用完的原料分別返料至各自儲罐。現(xiàn)場混裝炸藥車將原料運至現(xiàn)場后，根據(jù)配方將水相、油相進行精確混合成乳，然后通過添加敏化劑，靜態(tài)混合后泵送入炮孔。泵送過程中可使用潤滑水膜降低摩擦力從而降低泵送過程壓力。車上制乳炸藥生產(chǎn)工藝流程如圖1所示。

圖1 車上制乳炸藥生產(chǎn)工藝流程Fig.1 Production process of emulsion explosive manufacturing on vehicle

1.2 模式二：地面制乳方案，地面制乳方案含地面溶液制備、乳化基質(zhì)生產(chǎn)和現(xiàn)場混裝炸藥車組成

圖2 地面制乳炸藥生產(chǎn)工藝流程Fig.2 Production process of manufacturing emulsion explosive on ground

地面溶液制備可選用液態(tài)硝酸銨或硝酸銨破碎溶解來制備硝酸銨水溶液(氧化溶液)同時制備混合油相、敏化劑、現(xiàn)場工藝用水，通過泵送和質(zhì)量計量傳感器按配方精確控制原料比例，由乳化器進行制乳；也可經(jīng)預(yù)乳攪拌罐預(yù)乳后，通過靜態(tài)混合器精乳然后進入基質(zhì)儲罐。將乳化基質(zhì)、敏化劑、工藝用水泵送入現(xiàn)場混裝炸藥車，混裝車將原料運至現(xiàn)場后，根據(jù)配方將基質(zhì)和敏化劑進行精確混合攪拌，泵送入炮孔。泵送過程中可使用潤滑水膜降低泵送過程壓力。地面制乳炸藥生產(chǎn)工藝流程如圖2所示。

兩種模式對比分析：模式一中，由于空間、現(xiàn)場環(huán)境和工藝模式受限，一般用于中小型礦山、短期、近距離投遞項目。其主要缺點是氧化溶液裝車后在運輸過程中溶液溫度、pH值變化，無法調(diào)整，如遇到現(xiàn)場有較長時間等待時氧化溶液也無法均勻攪拌。模式二中地面制乳的方案因地面站設(shè)備和工藝環(huán)境的優(yōu)勢，具有氧化溶液配比可控、溫度穩(wěn)定、pH值隨時調(diào)整、制乳前原料可確保攪拌均勻等優(yōu)點。制乳工藝過程中，電力驅(qū)動相比較于車上制乳采用底盤取力器提供液壓動力，具有穩(wěn)定、可靠、延續(xù)性好的優(yōu)勢，使制得的乳化基質(zhì)質(zhì)量穩(wěn)定，性能可靠。這種模式可實現(xiàn)現(xiàn)場混裝乳化炸藥車或乳膠基質(zhì)運輸補給車實現(xiàn)200公里以上的遠程投遞和高質(zhì)量的裝藥作業(yè)服務(wù)，也符合國際工業(yè)炸藥生產(chǎn)和爆破服務(wù)趨勢。

2 典型生產(chǎn)企業(yè)之國家能源集團準(zhǔn)能炸藥廠目前生產(chǎn)現(xiàn)狀

國家能源集團準(zhǔn)能炸藥廠全套生產(chǎn)線是由澳瑞凱集團設(shè)計建造，于2007年1月投入使用，采用當(dāng)時國際先進的工藝和控制系統(tǒng)；分別由乳化基質(zhì)生產(chǎn)線、乳化基質(zhì)儲罐裝料單元，工藝水、敏化劑制備添加單元，粒狀硝酸銨儲料裝料單元，工藝油存儲添加單元組成。

2.1 乳化基質(zhì)生產(chǎn)線概況

現(xiàn)場粒狀硝酸銨噸包或袋裝硝酸銨制備氧化溶液，配備了兩個溶解罐和一個55000 L溶液儲存罐。兩個溶解制備罐的標(biāo)定體積分別為15000 L。兩個溶液罐的溶液制備被設(shè)計成不同步，這意味著一個罐在另外一個罐轉(zhuǎn)移物料時，大約提前半批次時間投料或加熱，也即在某天或某班生產(chǎn)開始時，當(dāng)一個罐內(nèi)的溶液制備好可以進行轉(zhuǎn)移時，另外一個罐已經(jīng)加入工藝水可以開始進行溶液的配置。固體硝酸銨上料溶解生產(chǎn)現(xiàn)場如圖3所所示。

圖3 固體硝酸銨上料溶解生產(chǎn)現(xiàn)場Fig.3 Solid ammonium nitrate feeding dissolution production field

2014年新增了高濃度硝酸銨水溶液儲罐配置裝置，將硝酸銨水溶液用車運到乳化工房外，用凸輪泵將溶液泵送到40000 L的儲罐中儲存和配制，生產(chǎn)工藝也由原來的固體硝酸銨溶解工藝改進為硝酸銨水溶液直接生產(chǎn)乳膠基質(zhì)工藝，這種新工藝將生產(chǎn)效率提高了1倍以上[3]。硝酸銨水液銨代替溶解固體硝酸銨現(xiàn)場如圖4所示。

圖4 硝酸銨水液銨代替溶解固體硝酸銨現(xiàn)場圖Fig.4 Ammonium nitrate water solution in place of dissolved solid ammonium nitrate field photo

整套乳膠基質(zhì)生產(chǎn)線使用西門子PLC和CITECT人機交互系統(tǒng)，實現(xiàn)了溶液配置和乳化基質(zhì)生產(chǎn)過程中泵的遠程啟動，核心工藝過程氣動閥遠程控制，生產(chǎn)過程中使用溫度、壓力、液位、質(zhì)量流量計、轉(zhuǎn)速傳感器對硝酸銨水溶液、油相、乳化基質(zhì)的泵送制配和生產(chǎn)過程進行監(jiān)控和安全連鎖報警，同時CITECT系統(tǒng)能將傳感器數(shù)據(jù)實時顯示在屏幕上，并有報警記錄和生產(chǎn)報表生成打印的功能。整條生產(chǎn)線定員9人，生產(chǎn)工藝基本實現(xiàn)了半自動生產(chǎn)[4]。乳膠基質(zhì)生產(chǎn)控制全過程如圖5所示。

圖5 乳膠基質(zhì)生產(chǎn)控制全過程Fig.5 Whole process of ammonium nitrate emulsion production control

2.2 混裝炸藥車生產(chǎn)

現(xiàn)場混裝炸藥車在地面站加滿原料后，即可駛往作業(yè)地點進行現(xiàn)場混裝作業(yè)。混裝車采用三菱PLC和觸摸屏進行生產(chǎn)控制，配合上面裝的溫度、壓力、斷流傳感器等組成的安全連鎖裝置實現(xiàn)精確計量和生產(chǎn)控制，具有動態(tài)監(jiān)控信息系統(tǒng)將生產(chǎn)數(shù)據(jù)和北斗定位信息分別上傳給工信部和公安部行業(yè)管理平臺。現(xiàn)場混裝車生產(chǎn)乳化炸藥如圖6所示。

圖6 現(xiàn)場混裝生產(chǎn)乳化炸藥Fig.6 Mix on site manufacturing emulsion explosive

2.3 生產(chǎn)工藝配置及管理現(xiàn)狀綜合分析

國家能源集團準(zhǔn)能炸藥廠當(dāng)前的控制系統(tǒng)和管理模式投入并安全運行了十年以上，整套生產(chǎn)線和管理模式在國內(nèi)仍處于領(lǐng)先水平。伴隨著工業(yè)散裝炸藥的應(yīng)用量越來越大，以及生產(chǎn)爆破一體化模式的引入實行，目前的生產(chǎn)作業(yè)方式和人員配置以及管理有進一步提升的需求。比如：現(xiàn)場爆破大部分作業(yè)中仍然依賴人工完成。現(xiàn)場作業(yè)人員多，人工成本高，同時在地面站、炮區(qū)人車交叉作業(yè)，存在較大的人身安全隱患，管理上存在信息傳輸不及時、信息不對稱；氧化溶液配置時，仍然通過人工稱量添加，乳化基質(zhì)預(yù)乳是在人工判斷成乳后才能切換到自動連續(xù)生產(chǎn)；溶液濃度、pH值、基質(zhì)粘度仍然是人工取樣檢測；混裝車加料時還是人工和借助稱重器判斷加料量是否加滿；生產(chǎn)任務(wù)的布置通過每天的會議、電話、對講機來溝通；針對現(xiàn)場爆破量的變化調(diào)整不能及時反饋，轉(zhuǎn)變成生產(chǎn)任務(wù)快速下達，造成混裝車再次返回裝藥，增加不必要損耗等。

未來隨著準(zhǔn)能智能礦山的進一步發(fā)展，人工作業(yè)方式已無法滿足炸藥生產(chǎn)和爆破少人化、程序化、信息化的生產(chǎn)爆破一體化需求。需要采用自動化和信息化技術(shù)對現(xiàn)有生產(chǎn)方式和管理模式進行改造提升，改變?nèi)斯ぷ鳂I(yè)低效率、高成本、高風(fēng)險的現(xiàn)狀。通過智能化改造，通過自動化和信息化的手段，將生產(chǎn)作業(yè)及管理整合，形成平臺化的管理模式，減少管理層級中的信息溝通的差異和損耗，利用平臺的直觀、直達、智能統(tǒng)計分配的優(yōu)勢實現(xiàn)智能管理是符合行業(yè)主管部門導(dǎo)向和發(fā)展的趨勢[5]。

3 開發(fā)智能化改造與系統(tǒng)升級的新構(gòu)思

隨著近年來不斷建設(shè)和模式調(diào)整，炸藥廠將炸藥生產(chǎn)、遠程投遞、現(xiàn)場爆破整合，較早的實現(xiàn)了生產(chǎn)爆破一體化作業(yè)，但離理想化、現(xiàn)代化、安全化的爆破要求還很遠，炸藥廠計劃準(zhǔn)備分兩個步驟來實現(xiàn)現(xiàn)場混裝炸藥智能化生產(chǎn)及管理。

3.1 智能化硬件保障

針對現(xiàn)場現(xiàn)有的設(shè)備功能和硬件條件，進行自動化升級，實現(xiàn)對管理系統(tǒng)功能硬件保障。

(1)研制裝備上料塔斗式提升系統(tǒng)多孔粒狀硝酸銨自動拆袋和卷袋裝置，實現(xiàn)此工序無人化操作。設(shè)計使用機器人機械臂配合換刀座以及空袋打包機制成整體套件進行功能實現(xiàn)，叉車就位后，通過紅外檢測和視覺檢測確認(rèn)噸包就位，機器人首先使用工具刀將袋子劃開落料，通過視覺識別判斷落料是否結(jié)束，然后自動換刀為夾具，將包裝袋夾出，放置在打包機上打包，實現(xiàn)拆袋、卷袋工序無人化操作。

(2)實現(xiàn)遠程自動精準(zhǔn)給混裝炸藥車添加多孔粒狀硝酸銨。混裝車駛?cè)肷狭纤恿峡谙路剑凑盏孛嬷甘緲?biāo)志停好車輛，系統(tǒng)電子識別確認(rèn)車輛型號編號后，現(xiàn)場觸摸顯示終端在車入位后用伸縮臂導(dǎo)向駕駛室，駕駛員可在屏上操作，將出料口通過兩軸電動滑軌引導(dǎo)至混裝車加料口，并確認(rèn)加料量的啟動和停止，也可通過稱重系統(tǒng)設(shè)定加藥量，在司機確認(rèn)加料后達到需加藥量遠程自動停止加料。車輛電子識別技術(shù)，混裝車只要進入上料塔作業(yè)區(qū)域，即進行識別，然后將加藥量、加藥種類對應(yīng)到數(shù)據(jù)庫分類統(tǒng)計、管理、調(diào)度。

(3)實現(xiàn)硝酸銨水溶液配制工序中遠程、定量、自動加注添加劑(硫脲、碳酸鈉、檸檬酸)。設(shè)計建造三個不銹鋼溶解攪拌罐，將三種原料溶解備用，在配置的同時將溶液配置比例輸入控制系統(tǒng)；在制備硝酸銨水溶液時按照配方需求，通過地面站軟件控制系統(tǒng)往分別控制三個泵，往三個制備罐中精確定量添加需要的微量元素，得到質(zhì)量穩(wěn)定的硝酸銨水溶液。

(4)整合硝酸銨水溶液輸送控制系統(tǒng)、工藝熱水系統(tǒng)與乳膠基質(zhì)生產(chǎn)控制系統(tǒng)。對乳膠基質(zhì)制備控制系統(tǒng)改造升級，對操作系統(tǒng)及附屬設(shè)備設(shè)施進行改造升級，實現(xiàn)制乳生產(chǎn)全過程自動化、智能化、無人化。

(5)研究實現(xiàn)水相析晶點、pH值和基質(zhì)粘度在線檢測方案，替代現(xiàn)有人工檢測。水相是混合溶液，析晶點在線檢測使用濃度標(biāo)定法，建立氧化溶液標(biāo)準(zhǔn)配方范圍內(nèi)的析晶點數(shù)據(jù)庫，使用濃度計檢測當(dāng)前溶液濃度將濃度信號輸入控制系統(tǒng)，由控制系統(tǒng)分析處理，與上位機數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)比對后得出當(dāng)前的析晶點信息；pH值使用pH計，直接在線測量后輸入控制系統(tǒng)進行識別處理；基質(zhì)粘度在線檢測使用在線粘度計，直接在線測量后輸入控制系統(tǒng)進行識別處理；實現(xiàn)遠程自動精準(zhǔn)給混裝炸藥車添加乳膠基質(zhì)；基質(zhì)儲存是采用儲罐方式，與上料塔給混裝車添加粒狀硝酸銨過程相同，自動裝車系統(tǒng)實時對每臺車當(dāng)天添加的乳膠基質(zhì)計量統(tǒng)計，并上傳到系統(tǒng)，實現(xiàn)乳膠基質(zhì)生產(chǎn)和消耗量自動計量管理。

3.2 智能化軟件保障

研發(fā)現(xiàn)場混裝炸藥生產(chǎn)智能管理系統(tǒng)—管理平臺，實現(xiàn)的核心功能包括以下內(nèi)容：

(1)開發(fā)安全管理模塊。對現(xiàn)場混裝炸藥系統(tǒng)乳化工房、現(xiàn)場混裝炸藥車的關(guān)鍵部位與環(huán)節(jié)的危險源進行監(jiān)控，尤其是對溫度、壓力及其他危險源的信息進行在線實時采集，通過信息平臺反饋給智能管理系統(tǒng)服務(wù)器并通過系統(tǒng)建立的安全模型自動分析危險程度。研制安裝通過衛(wèi)星定位的作業(yè)車防碰撞系統(tǒng)，實時確認(rèn)每輛車的現(xiàn)場位置，確保交叉作業(yè)現(xiàn)場的車輛接近時分別預(yù)警提醒，保證現(xiàn)場安全。建立炸藥廠現(xiàn)場混裝炸藥系統(tǒng)的關(guān)鍵部位與環(huán)節(jié)的危險源識別標(biāo)準(zhǔn)信息庫，利用系統(tǒng)中的實時在線信息與信息庫數(shù)據(jù)作對比分析，通過手持終端和無線網(wǎng)絡(luò)實時通知管理人員，實現(xiàn)全時段監(jiān)控，針對不同的情況給出報警、緊急停機等提示，供操作管理人員判斷決策。

(2)開發(fā)數(shù)據(jù)庫模塊。對生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集內(nèi)容方案進行設(shè)計，編制生產(chǎn)過程工藝參數(shù)、配方、產(chǎn)量及報警數(shù)據(jù)等設(shè)立數(shù)據(jù)庫，并入原材料出入庫計量，產(chǎn)品下線裝車用量計量及庫存量等進行存儲、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、分析，實現(xiàn)生產(chǎn)數(shù)據(jù)對比分析評價(爆破質(zhì)量與產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)聯(lián)關(guān)系)。

(3)開發(fā)產(chǎn)品質(zhì)量模塊。原材料、半成品、成品全過程質(zhì)量跟蹤管理。建立炸藥廠產(chǎn)品質(zhì)量基礎(chǔ)數(shù)據(jù)信息庫，利用現(xiàn)有系統(tǒng)中的實時在線信息與信息庫數(shù)據(jù)進行對比分析，通過手持終端和無線網(wǎng)絡(luò)實時通知管理人員，實現(xiàn)全時段監(jiān)控，模塊與炸藥廠現(xiàn)有生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)對接進行數(shù)據(jù)庫共享。

(4)研制現(xiàn)場爆破智能管理系統(tǒng)模塊。結(jié)合炸藥廠目前生產(chǎn)實施的業(yè)務(wù)流程明細，獲取調(diào)度及數(shù)字化功能參數(shù)和既有功能詳細說明及接口，梳理爆破設(shè)計、業(yè)務(wù)實施的流程并根據(jù)生產(chǎn)實際需要，借助已有的調(diào)度及數(shù)字化礦山平臺的既有功能，在提高溝通與執(zhí)行效率，便于生產(chǎn)組織，提高經(jīng)濟效益等方面予以優(yōu)化方案，使用電腦或手持終端即可完成生產(chǎn)調(diào)度和確認(rèn)；按照爆破設(shè)計(含裝藥設(shè)計)進行不同炸藥品種、原料的生產(chǎn)安排、裝車組織與現(xiàn)場裝藥作業(yè)的智能管理；讀取現(xiàn)有系統(tǒng)中爆破任務(wù)書，按照任務(wù)書設(shè)計要求，將不同品種炸藥按照配方分別分配到相應(yīng)的生產(chǎn)部門實施相關(guān)生產(chǎn)，同時按照炸藥總量和品種分配給不同的炸藥車裝藥并投遞到不同的作業(yè)現(xiàn)場，并可以通過衛(wèi)星定位確認(rèn)每輛作業(yè)車的作業(yè)地點和移動狀態(tài)；實現(xiàn)起爆器材的出入庫數(shù)據(jù)納入數(shù)據(jù)庫；實現(xiàn)混裝車炸藥自動驗孔、找孔、裝藥并接收和上傳相關(guān)數(shù)據(jù)的信息建設(shè)。結(jié)合系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，針對每批次爆破俯視照片，從該批次原料參數(shù)、裝藥量、網(wǎng)孔設(shè)計、設(shè)備工況實現(xiàn)爆破效果和生產(chǎn)作業(yè)過程的對比分析和生產(chǎn)追溯，實現(xiàn)生產(chǎn)爆破優(yōu)化分析。

4 結(jié) 語

國家能源集團準(zhǔn)能炸藥廠如果通過對現(xiàn)有軟硬件設(shè)備升級和改進，最終實現(xiàn)借助機器人技術(shù)、自動化與信息化融合手段，達到少人化、無人化安全生產(chǎn)的目的，進一步提升生產(chǎn)環(huán)節(jié)的安全性，也順應(yīng)2016年6月29日公安部在《從嚴(yán)管控民用爆炸物品十條規(guī)定》現(xiàn)場推進會上提出要充分利用科技化、信息化手段，采取非常規(guī)措施強化爆炸物品管控的現(xiàn)代化發(fā)展要求，符合國際化炸藥生產(chǎn)和爆破服務(wù)一體化的發(fā)展趨勢。至此，國家能源集團準(zhǔn)能炸藥廠將成為國內(nèi)第一家將露天散裝炸藥生產(chǎn)存儲、爆破服務(wù)一體化通過硬件支撐、軟件管理、信息化結(jié)合形成完整運行、服務(wù)、管理的新型炸藥廠，同時可以作為典型生產(chǎn)企業(yè)向國內(nèi)外民爆行業(yè)優(yōu)先推廣。