水膠炸藥生產(chǎn)線技術(shù)改造探討

朱福元，汪 泉，陸軍偉，鐘 帥

(1.淮南舜泰化工有限責(zé)任公司，安徽 淮南 232072；2.安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001； 3.安徽省爆破器材與技術(shù)工程實(shí)驗(yàn)室，安徽 淮南 232001)

作為一種含水炸藥，水膠炸藥具有抗水性能強(qiáng)、爆炸后炮煙少等顯著優(yōu)點(diǎn)[1]，可廣泛用于高瓦斯礦井、低瓦斯礦井的高瓦斯區(qū)域以及有煤(巖)與瓦斯突出危險(xiǎn)的工作面爆破作業(yè)。20世紀(jì)80年代初，安徽雷鳴科化有限責(zé)任公司首先從美國(guó)杜邦公司引進(jìn)了水膠炸藥專利技術(shù)及全套生產(chǎn)線，舜泰化工的水膠炸藥生產(chǎn)線始建于1993年，采用美國(guó)杜邦公司的技術(shù)工藝，生產(chǎn)方式為間斷式生產(chǎn)，硝酸甲胺制造的控制、測(cè)量均由人工直接操作；混合工序的配料(含硝銨破碎、硝酸鈉/田菁粉混拌等)、硝銨溶解、配料、加料、測(cè)量均由人工操作，混合攪拌由人工現(xiàn)場(chǎng)控制。水膠炸藥的生產(chǎn)工藝大致可以分為硝酸的儲(chǔ)存盒稀釋、一甲胺的儲(chǔ)存，硝酸和一甲胺的中和以及混合、裝藥、包裝四個(gè)部分[2]。其中，硝酸與一甲胺的中和工序是至關(guān)重要的。硝酸是強(qiáng)酸、一甲胺是強(qiáng)堿，二者且都屬于強(qiáng)腐蝕和有毒物品，兩者發(fā)生中和反應(yīng)時(shí)反應(yīng)劇烈且會(huì)放出大量的熱，其產(chǎn)物硝酸甲胺又對(duì)溫度極為敏感，一旦溫度控制不當(dāng)，硝酸甲胺就會(huì)發(fā)生爆炸，嚴(yán)重威脅人員的生命安全[3]。

近年來(lái)，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的制造業(yè)水平得到了快速提升，智能化信息化技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。我國(guó)民爆行業(yè)的生產(chǎn)技術(shù)水平也得到飛速發(fā)展，全行業(yè)正在大力推進(jìn)少(無(wú))人化行動(dòng)，民爆行業(yè)于2016年頒布了《民爆物品行業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2016-2020)》，努力促進(jìn)民爆器材生產(chǎn)朝著少人化、無(wú)人化發(fā)展，保證企業(yè)高效生產(chǎn)的同時(shí)，又能保障人民的生命安全。本文以安徽省淮南舜泰化工的水膠炸藥生產(chǎn)線為例，運(yùn)用自動(dòng)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)水膠炸藥生產(chǎn)線的少人化、無(wú)人化操作，以期推動(dòng)水膠炸藥生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和提高相關(guān)從業(yè)人員的安全保障。

1 中和工藝自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 工藝簡(jiǎn)介

國(guó)內(nèi)外多年實(shí)踐和有關(guān)資料均表明[4-7]，中和工序是水膠炸藥生產(chǎn)線最危險(xiǎn)的工序。首先將一定量的高濃度硝酸加入中和罐，然后通入無(wú)水一甲胺，在加無(wú)水一甲胺前須用氮?dú)獯党霾搅瞎苤械南跛帷Ｒ患装返募尤胨俣雀鶕?jù)反應(yīng)溫度調(diào)節(jié)，反應(yīng)終點(diǎn)根據(jù)pH值確定。之前由2～3人現(xiàn)場(chǎng)直接操作，人工操作控制柜和人工測(cè)量，不僅具有相當(dāng)?shù)奈ｋU(xiǎn)性，而且現(xiàn)場(chǎng)噪音大、溫度高、濕度大，對(duì)人體有一定傷害。因此，水膠炸藥生產(chǎn)的中和工序的自動(dòng)化顯得十分必要。

1.2 中和工藝參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)計(jì)

1.2.1 硝酸的控制

通過(guò)硝酸管路上的硝酸流量計(jì)控制高濃度硝酸的加入量，數(shù)據(jù)通過(guò)電纜引入控制室。硝酸微調(diào)罐通過(guò)自動(dòng)控制的電磁閥門進(jìn)行加量的控制。

1.2.2 一甲胺的控制

甲胺管路設(shè)有手動(dòng)調(diào)節(jié)閥、電磁三通閥、流量計(jì)及低壓保護(hù)。手動(dòng)調(diào)節(jié)閥可以調(diào)節(jié)閥門最小開度，防止管路壓力過(guò)低導(dǎo)致布料管出現(xiàn)虹吸現(xiàn)象；電磁閥用于調(diào)節(jié)甲胺的加入速度；流量計(jì)用于控制甲胺的加入量；低壓保護(hù)閥門用于保護(hù)甲胺閥，如果閥后壓力低于設(shè)定壓力，將自動(dòng)關(guān)閉甲胺閥并開啟氮?dú)獯祾卟剂瞎堋?/p>

1.2.3 氮?dú)獾目刂?/p>

氮?dú)獯祾卟糠诌x用雙管路設(shè)計(jì)，在氮?dú)夤苈钒惭b有流量計(jì)和三通閥，流量計(jì)保證能夠吹出一定量的氮?dú)?，三通閥及時(shí)保障氮?dú)夂图装返拇党鰰r(shí)間。

1.2.4 中和罐溫度監(jiān)控

中和罐安裝有2個(gè)溫度傳感器，系統(tǒng)會(huì)在反應(yīng)時(shí)對(duì)比兩個(gè)溫度傳感器的數(shù)值，如果數(shù)值偏差大于設(shè)定值，用溫度高的作為反應(yīng)控制，并進(jìn)行溫度報(bào)警。

1.2.5 中和罐液位控制

中和罐安裝有液位計(jì)，并與硝酸加入量進(jìn)行連鎖報(bào)警。

1.2.6 pH值控制

系統(tǒng)設(shè)有上下2個(gè)pH計(jì)，數(shù)據(jù)通過(guò)電纜引入控制室，通過(guò)2個(gè)pH計(jì)判斷反應(yīng)終止時(shí)間及數(shù)據(jù)分析對(duì)比。

1.2.7 甲胺罐壓力的控制

甲胺儲(chǔ)罐采用壓力恒定系統(tǒng)，在壓力低于設(shè)定值時(shí)加熱甲胺罐，并且維持甲胺罐內(nèi)壓力，在壓力高于設(shè)定值時(shí)，采用冷卻水噴淋以穩(wěn)定甲胺罐內(nèi)壓力為中和反應(yīng)提供穩(wěn)定的系統(tǒng)環(huán)境。

2 混合工序遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

該系統(tǒng)包括固體物料的加料、液態(tài)物料的加料、部分固體物料的自動(dòng)稱重、混合包裝部分全線聯(lián)動(dòng)部分自動(dòng)控制等，實(shí)現(xiàn)各物料加入的模塊化、自動(dòng)化，生產(chǎn)線控制室嵌入混合包裝工房外側(cè)土堤內(nèi)，可對(duì)混合進(jìn)行遠(yuǎn)程控制操作及生產(chǎn)線全程監(jiān)控。

2.2 混合工序的工藝流程及相關(guān)參數(shù)控制

水膠炸藥混合工序是將各種液體、固體物料按照配比量加入到混合罐中進(jìn)行攪拌混合，達(dá)到工藝要求后即成為水膠炸藥，放料后進(jìn)行裝藥包裝。

開機(jī)之前，應(yīng)檢查以下內(nèi)容：監(jiān)控系統(tǒng)畫面是否正常、儀表參數(shù)是否正常、設(shè)備狀態(tài)是否正常、各級(jí)報(bào)警系統(tǒng)是否正常、安全連鎖是否正常、能否遠(yuǎn)程啟動(dòng)、停止設(shè)備。通過(guò)手動(dòng)調(diào)節(jié)操作器輸出值來(lái)控制有關(guān)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)或工藝參數(shù)?；旌喜僮鳟嬅?，設(shè)備正常運(yùn)行時(shí)綠色指示燈亮；設(shè)備故障時(shí)紅色指示燈亮。指示燈顯示正常時(shí)，開啟硝酸甲胺要料閥；硝酸甲胺累計(jì)流量達(dá)到設(shè)定值自動(dòng)關(guān)閥；開啟硝酸銨溶液要料閥、硝酸銨溶液要料泵、混合攪拌。

硝酸銨溶液累計(jì)流量達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)關(guān)硝酸銨溶液要料閥、硝酸銨溶液要料泵；硝酸銨溶液要料結(jié)束后開啟斜螺旋、錐形螺旋，依次加入硝酸銨、硝酸鈉、田菁粉等物料；現(xiàn)場(chǎng)加料結(jié)束給監(jiān)控系統(tǒng)信號(hào)后，停螺旋給料機(jī)，延時(shí)三分鐘后開啟珍珠巖、鋁粉上料裝置；開啟兩分鐘后停止；珍珠巖、鋁粉水平給料螺旋停止三分鐘后開啟泡沫穩(wěn)定劑泵和交聯(lián)劑泵；泡沫穩(wěn)定劑泵累計(jì)流量達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)停泵；泡沫穩(wěn)定劑泵停機(jī)一分鐘后自動(dòng)開啟交聯(lián)劑泵；交聯(lián)劑泵累計(jì)流量達(dá)到設(shè)定值后自動(dòng)停泵；交聯(lián)劑泵停泵兩分鐘后自動(dòng)停攪拌機(jī)；開啟放料閥門，放料結(jié)束后關(guān)閉放料閥門。

2.3 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)位于控制室內(nèi)，監(jiān)控系統(tǒng)硬件采用研華工業(yè)控制計(jì)算機(jī)，應(yīng)用軟件用亞控科技發(fā)展有限公司的組態(tài)王工業(yè)組態(tài)軟件進(jìn)行開發(fā)。該系統(tǒng)軟件為全中文顯示，支持菜單操作方式，運(yùn)用該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)乳化炸藥的過(guò)程監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集處理、報(bào)警信息顯示等功能。

系統(tǒng)采用工業(yè)以太網(wǎng)架構(gòu)模式，整個(gè)系統(tǒng)采用“可編程控制器(PLC)+控制計(jì)算機(jī)”的控制方式。采用分布式模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有故障率低、擴(kuò)展性強(qiáng)、維護(hù)工作量小等優(yōu)點(diǎn)。PLC采集生產(chǎn)線的各種數(shù)據(jù)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，經(jīng)處理后將這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送給計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對(duì)這些數(shù)據(jù)處理后顯示在主畫面上，監(jiān)控室操作人員可通過(guò)計(jì)算機(jī)畫面監(jiān)控生產(chǎn)線的生產(chǎn)運(yùn)行。

3 包裝工序自動(dòng)包裝線系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原包裝工序的收集藥卷、計(jì)數(shù)、稱重、剔除廢品、捆扎、裝箱、貼標(biāo)等均由人工操作，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需5～8人，是水膠炸藥生產(chǎn)線人員最多的工序，生產(chǎn)效率和生產(chǎn)本質(zhì)安全性都不高。因此，有必要設(shè)計(jì)出一套炸藥藥卷自動(dòng)包裝裝備，減少在線人員工作量，保障人員生命安全，同時(shí)提高生產(chǎn)線工作效率。

3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

所研發(fā)的ZZB-1工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)成套設(shè)備，由開箱設(shè)備、運(yùn)輸系統(tǒng)、碼數(shù)計(jì)數(shù)、稱重比較、機(jī)械手裝箱和觸摸屏等組成。此系統(tǒng)既可滿足生產(chǎn)要求，又保證了全自動(dòng)包裝的準(zhǔn)確性。

ZZB-1工業(yè)炸藥智能包裝系統(tǒng)采用鏈板計(jì)數(shù)的方式，將指定數(shù)量的物料輸送到料斗中，碼藥完成后掉落到稱重斗中進(jìn)行整平稱重，程序內(nèi)部比較后，通過(guò)機(jī)械手執(zhí)行合格裝箱或者不合格剔除操作。完成裝箱后進(jìn)行整箱稱重比較，再封箱捆扎，整個(gè)過(guò)程全自動(dòng)化。圖1為其包裝工藝流程圖。

圖1 包裝工藝流程圖

(1)開箱設(shè)備：開箱設(shè)備由氣缸和吸盤將紙箱版整形封底，再通過(guò)皮帶將紙箱送出。整套設(shè)備帶有急停保護(hù)和報(bào)警提醒功能，從而保證設(shè)備的安全性和穩(wěn)定性。

(2)運(yùn)輸系統(tǒng)：運(yùn)輸系統(tǒng)分為物料運(yùn)輸、紙箱運(yùn)輸和成品運(yùn)輸三部分，通過(guò)電機(jī)帶動(dòng)皮帶、鏈板和輥道，把各種物料和紙箱運(yùn)輸?shù)街付ㄎ恢谩?/p>

(3)碼數(shù)、計(jì)數(shù)、稱重：碼數(shù)計(jì)數(shù)通過(guò)皮帶將幾乎同一方向的物料輸送過(guò)來(lái)，再通過(guò)鏈板機(jī)把物料分隔開來(lái)并外存料斗輸送，通過(guò)鏈板機(jī)尾端的計(jì)數(shù)傳感器進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)完成后存料斗的物料掉落到稱重斗進(jìn)行整平稱重。通過(guò)稱重比較單斗物料的重量是否符合條件來(lái)判讀下一步動(dòng)作，確保裝箱物料的數(shù)目正確，保證裝箱質(zhì)量。

(4)機(jī)械手裝箱：機(jī)械手裝箱通過(guò)稱重反饋的信號(hào)執(zhí)行合格裝箱或不合格回料操作，再以下降放料的方式進(jìn)行紙箱方式的裝箱，防止因較大高度差掉落而造成脫卡的現(xiàn)象出現(xiàn)，有效地保護(hù)物料，提高裝箱質(zhì)量。其能完成升降、平面移動(dòng)或空間曲線移動(dòng)等復(fù)雜動(dòng)作，簡(jiǎn)化整套設(shè)備的結(jié)構(gòu)。

(5)觸摸屏：觸摸屏提供了一個(gè)人機(jī)交流的平臺(tái)，其由開機(jī)啟動(dòng)、參數(shù)設(shè)置、手動(dòng)控制和報(bào)警查詢功能。操作人員通過(guò)觸摸屏可更好地控制設(shè)備運(yùn)行，了解掌握設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行情況。

3.2 故障處理流程

3.2.1 碼藥故障處理

①按下對(duì)應(yīng)的碼藥急停按鈕，停止設(shè)備。

②處理設(shè)備上的故障點(diǎn)。

③處理完成后，旋開急停按鈕，繼續(xù)運(yùn)行設(shè)備

3.2.2 機(jī)械手急停處理

①按下機(jī)械手急停按鈕，停止機(jī)械手當(dāng)前動(dòng)作。

②清理機(jī)械手夾具上和稱重料斗里的物料，同時(shí)移走當(dāng)前裝箱位置的紙箱。

③手動(dòng)矯正機(jī)械手姿勢(shì)，確保在下次啟動(dòng)機(jī)械手時(shí)姿勢(shì)復(fù)位不與其他部分發(fā)生碰撞。

④旋開急停按鈕，并在觸摸屏上復(fù)位報(bào)警。

⑤重新啟動(dòng)加載機(jī)械手程序，復(fù)位運(yùn)行。

3.2.3 機(jī)械手故障報(bào)警處理

①查看觸摸屏上的報(bào)警代碼并記錄；如果有復(fù)數(shù)個(gè)報(bào)警代碼，則需要電腦連接機(jī)械手控制器來(lái)查看。

②切斷對(duì)應(yīng)機(jī)械手電源，查看故障代碼手冊(cè)做出相應(yīng)對(duì)策。

3.2.4 開箱機(jī)報(bào)警處理

①按下開箱機(jī)的急停按鈕，并取出開箱機(jī)內(nèi)部未完成的紙箱。

②點(diǎn)擊觸摸屏上的報(bào)警查詢，查看故障信息。

③調(diào)節(jié)相應(yīng)的氣缸位置或補(bǔ)充紙箱板、封箱膠帶。

通過(guò)以上自動(dòng)化設(shè)備、系統(tǒng)控制及故障處理，保證了包裝系統(tǒng)的可靠、高效地運(yùn)行。

4 生產(chǎn)線全線聯(lián)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)

生產(chǎn)線全線聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)使得水膠炸藥的生產(chǎn)從頭到尾相互關(guān)聯(lián)，任何一個(gè)工序出現(xiàn)問題，警報(bào)系統(tǒng)就會(huì)出現(xiàn)警報(bào)，確保整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的本質(zhì)安全。

(1)當(dāng)全自動(dòng)包裝線出現(xiàn)故障停機(jī)時(shí)，如果2 min設(shè)備未正常開啟，裝藥工序現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)將同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警，如果3 min內(nèi)仍未正常啟動(dòng)，則裝藥工序自動(dòng)停機(jī)。

(2)當(dāng)裝藥機(jī)、螺桿泵故障報(bào)警停機(jī)時(shí)，如果2 min未能正常開啟，混合工序現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)就會(huì)同時(shí)出現(xiàn)報(bào)警，如果3 min內(nèi)仍未正常啟動(dòng)，混合放料底閥將連鎖關(guān)閉。

5 結(jié)論

所研發(fā)的硝酸甲胺制造的自動(dòng)化操作系統(tǒng)、混合遠(yuǎn)程控制操作系統(tǒng)、自動(dòng)化包裝線均采用了國(guó)內(nèi)較為先進(jìn)的自動(dòng)化和信息化技術(shù)及裝備，減少了人員在線操作，突破了長(zhǎng)期制約水膠炸藥生產(chǎn)線自動(dòng)化水平提升的瓶頸，同時(shí)，提升了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的連續(xù)性，加強(qiáng)了整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程的本質(zhì)安全，有利于推動(dòng)行業(yè)進(jìn)步，為以后的工業(yè)炸藥生產(chǎn)的全線自動(dòng)化、無(wú)人化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。