水膠炸藥生產線技術改造探討

朱福元，汪 泉，陸軍偉，鐘 帥

(1.淮南舜泰化工有限責任公司，安徽 淮南 232072；2.安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001； 3.安徽省爆破器材與技術工程實驗室，安徽 淮南 232001)

作為一種含水炸藥，水膠炸藥具有抗水性能強、爆炸后炮煙少等顯著優點[1]，可廣泛用于高瓦斯礦井、低瓦斯礦井的高瓦斯區域以及有煤(巖)與瓦斯突出危險的工作面爆破作業。20世紀80年代初，安徽雷鳴科化有限責任公司首先從美國杜邦公司引進了水膠炸藥專利技術及全套生產線，舜泰化工的水膠炸藥生產線始建于1993年，采用美國杜邦公司的技術工藝，生產方式為間斷式生產，硝酸甲胺制造的控制、測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、測量均由人工操作，混合攪拌由人工現場控制。水膠炸藥的生產工藝大致可以分為硝酸的儲存盒稀釋、一甲胺的儲存，硝酸和一甲胺的中和以及混合、裝藥、包裝四個部分[2]。其中，硝酸與一甲胺的中和工序是至關重要的。硝酸是強酸、一甲胺是強堿，二者且都屬于強腐蝕和有毒物品，兩者發生中和反應時反應劇烈且會放出大量的熱，其產物硝酸甲胺又對溫度極為敏感，一旦溫度控制不當，硝酸甲胺就會發生爆炸，嚴重威脅人員的生命安全[3]。

近年來，隨著我國國民經濟的快速發展，我國的制造業水平得到了快速提升，智能化信息化技術得到了廣泛的應用。我國民爆行業的生產技術水平也得到飛速發展，全行業正在大力推進少(無)人化行動，民爆行業于2016年頒布了《民爆物品行業發展規劃(2016-2020)》，努力促進民爆器材生產朝著少人化、無人化發展，保證企業高效生產的同時，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線為例，運用自動化技術，實現水膠炸藥生產線的少人化、無人化操作，以期推動水膠炸藥生產技術的進步和提高相關從業人員的安全保障。

1 中和工藝自動化系統設計

1.1 工藝簡介

國內外多年實踐和有關資料均表明[4-7]，中和工序是水膠炸藥生產線最危險的工序。首先將一定量的高濃度硝酸加入中和罐，然后通入無水一甲胺，在加無水一甲胺前須用氮氣吹出步料管中的硝酸。一甲胺的加入速度根據反應溫度調節，反應終點根據pH值確定。之前由2～3人現場直接操作，人工操作控制柜和人工測量，不僅具有相當的危險性，而且現場噪音大、溫度高、濕度大，對人體有一定傷害。因此，水膠炸藥生產的中和工序的自動化顯得十分必要。

1.2 中和工藝參數的實時監控設計

1.2.1 硝酸的控制

通過硝酸管路上的硝酸流量計控制高濃度硝酸的加入量，數據通過電纜引入控制室。硝酸微調罐通過自動控制的電磁閥門進行加量的控制。

1.2.2 一甲胺的控制

甲胺管路設有手動調節閥、電磁三通閥、流量計及低壓保護。手動調節閥可以調節閥門最小開度，防止管路壓力過低導致布料管出現虹吸現象；電磁閥用于調節甲胺的加入速度；流量計用于控制甲胺的加入量；低壓保護閥門用于保護甲胺閥，如果閥后壓力低于設定壓力，將自動關閉甲胺閥并開啟氮氣吹掃布料管。

1.2.3 氮氣的控制

氮氣吹掃部分選用雙管路設計，在氮氣管路安裝有流量計和三通閥，流量計保證能夠吹出一定量的氮氣，三通閥及時保障氮氣和甲胺的吹出時間。

1.2.4 中和罐溫度監控

中和罐安裝有2個溫度傳感器，系統會在反應時對比兩個溫度傳感器的數值，如果數值偏差大于設定值，用溫度高的作為反應控制，并進行溫度報警。

1.2.5 中和罐液位控制

中和罐安裝有液位計，并與硝酸加入量進行連鎖報警。

1.2.6 pH值控制

系統設有上下2個pH計，數據通過電纜引入控制室，通過2個pH計判斷反應終止時間及數據分析對比。

1.2.7 甲胺罐壓力的控制

甲胺儲罐采用壓力恒定系統，在壓力低于設定值時加熱甲胺罐，并且維持甲胺罐內壓力，在壓力高于設定值時，采用冷卻水噴淋以穩定甲胺罐內壓力為中和反應提供穩定的系統環境。

2 混合工序遠程控制操作系統設計

2.1 系統簡介

該系統包括固體物料的加料、液態物料的加料、部分固體物料的自動稱重、混合包裝部分全線聯動部分自動控制等，實現各物料加入的模塊化、自動化，生產線控制室嵌入混合包裝工房外側土堤內，可對混合進行遠程控制操作及生產線全程監控。

2.2 混合工序的工藝流程及相關參數控制

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行攪拌混合，達到工藝要求后即成為水膠炸藥，放料后進行裝藥包裝。

開機之前，應檢查以下內容：監控系統畫面是否正常、儀表參數是否正常、設備狀態是否正常、各級報警系統是否正常、安全連鎖是否正常、能否遠程啟動、停止設備。通過手動調節操作器輸出值來控制有關設備運行狀態或工藝參數。混合操作畫面，設備正常運行時綠色指示燈亮；設備故障時紅色指示燈亮。指示燈顯示正常時，開啟硝酸甲胺要料閥；硝酸甲胺累計流量達到設定值自動關閥；開啟硝酸銨溶液要料閥、硝酸銨溶液要料泵、混合攪拌。

硝酸銨溶液累計流量達到設定值后自動關硝酸銨溶液要料閥、硝酸銨溶液要料泵；硝酸銨溶液要料結束后開啟斜螺旋、錐形螺旋，依次加入硝酸銨、硝酸鈉、田菁粉等物料；現場加料結束給監控系統信號后，停螺旋給料機，延時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定劑泵和交聯劑泵；泡沫穩定劑泵累計流量達到設定值后自動停泵；泡沫穩定劑泵停機一分鐘后自動開啟交聯劑泵；交聯劑泵累計流量達到設定值后自動停泵；交聯劑泵停泵兩分鐘后自動停攪拌機；開啟放料閥門，放料結束后關閉放料閥門。

2.3 控制系統的設計

監控系統位于控制室內，監控系統硬件采用研華工業控制計算機，應用軟件用亞控科技發展有限公司的組態王工業組態軟件進行開發。該系統軟件為全中文顯示，支持菜單操作方式，運用該系統可實現乳化炸藥的過程監控、數據采集處理、報警信息顯示等功能。

系統采用工業以太網架構模式，整個系統采用“可編程控制器(PLC)+控制計算機”的控制方式。采用分布式模塊化結構設計，具有故障率低、擴展性強、維護工作量小等優點。PLC采集生產線的各種數據和設備運行狀態，經處理后將這些數據實時傳送給計算機，計算機對這些數據處理后顯示在主畫面上，監控室操作人員可通過計算機畫面監控生產線的生產運行。

3 包裝工序自動包裝線系統設計

原包裝工序的收集藥卷、計數、稱重、剔除廢品、捆扎、裝箱、貼標等均由人工操作，現場操作人員需5～8人，是水膠炸藥生產線人員最多的工序，生產效率和生產本質安全性都不高。因此，有必要設計出一套炸藥藥卷自動包裝裝備，減少在線人員工作量，保障人員生命安全，同時提高生產線工作效率。

3.1 系統設計

所研發的ZZB-1工業炸藥智能包裝系統成套設備，由開箱設備、運輸系統、碼數計數、稱重比較、機械手裝箱和觸摸屏等組成。此系統既可滿足生產要求，又保證了全自動包裝的準確性。

ZZB-1工業炸藥智能包裝系統采用鏈板計數的方式，將指定數量的物料輸送到料斗中，碼藥完成后掉落到稱重斗中進行整平稱重，程序內部比較后，通過機械手執行合格裝箱或者不合格剔除操作。完成裝箱后進行整箱稱重比較，再封箱捆扎，整個過程全自動化。圖1為其包裝工藝流程圖。

圖1 包裝工藝流程圖

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

(2)運輸系統：運輸系統分為物料運輸、紙箱運輸和成品運輸三部分，通過電機帶動皮帶、鏈板和輥道，把各種物料和紙箱運輸到指定位置。

(3)碼數、計數、稱重：碼數計數通過皮帶將幾乎同一方向的物料輸送過來，再通過鏈板機把物料分隔開來并外存料斗輸送，通過鏈板機尾端的計數傳感器進行計數，計數完成后存料斗的物料掉落到稱重斗進行整平稱重。通過稱重比較單斗物料的重量是否符合條件來判讀下一步動作，確保裝箱物料的數目正確，保證裝箱質量。

(4)機械手裝箱：機械手裝箱通過稱重反饋的信號執行合格裝箱或不合格回料操作，再以下降放料的方式進行紙箱方式的裝箱，防止因較大高度差掉落而造成脫卡的現象出現，有效地保護物料，提高裝箱質量。其能完成升降、平面移動或空間曲線移動等復雜動作，簡化整套設備的結構。

(5)觸摸屏：觸摸屏提供了一個人機交流的平臺，其由開機啟動、參數設置、手動控制和報警查詢功能。操作人員通過觸摸屏可更好地控制設備運行，了解掌握設備當前的運行情況。

3.2 故障處理流程

3.2.1 碼藥故障處理

①按下對應的碼藥急停按鈕，停止設備。

②處理設備上的故障點。

③處理完成后，旋開急停按鈕，繼續運行設備

3.2.2 機械手急停處理

①按下機械手急停按鈕，停止機械手當前動作。

②清理機械手夾具上和稱重料斗里的物料，同時移走當前裝箱位置的紙箱。

③手動矯正機械手姿勢，確保在下次啟動機械手時姿勢復位不與其他部分發生碰撞。

④旋開急停按鈕，并在觸摸屏上復位報警。

⑤重新啟動加載機械手程序，復位運行。

3.2.3 機械手故障報警處理

①查看觸摸屏上的報警代碼并記錄；如果有復數個報警代碼，則需要電腦連接機械手控制器來查看。

②切斷對應機械手電源，查看故障代碼手冊做出相應對策。

3.2.4 開箱機報警處理

①按下開箱機的急停按鈕，并取出開箱機內部未完成的紙箱。

②點擊觸摸屏上的報警查詢，查看故障信息。

③調節相應的氣缸位置或補充紙箱板、封箱膠帶。

通過以上自動化設備、系統控制及故障處理，保證了包裝系統的可靠、高效地運行。

4 生產線全線聯動監控系統

生產線全線聯動系統使得水膠炸藥的生產從頭到尾相互關聯，任何一個工序出現問題，警報系統就會出現警報，確保整個生產過程的本質安全。

(1)當全自動包裝線出現故障停機時，如果2 min設備未正常開啟，裝藥工序現場及遠程控制系統將同時出現報警，如果3 min內仍未正常啟動，則裝藥工序自動停機。

(2)當裝藥機、螺桿泵故障報警停機時，如果2 min未能正常開啟，混合工序現場及遠程控制系統就會同時出現報警，如果3 min內仍未正常啟動，混合放料底閥將連鎖關閉。

5 結論

所研發的硝酸甲胺制造的自動化操作系統、混合遠程控制操作系統、自動化包裝線均采用了國內較為先進的自動化和信息化技術及裝備，減少了人員在線操作，突破了長期制約水膠炸藥生產線自動化水平提升的瓶頸，同時，提升了整個生產過程的連續性，加強了整個生產過程的本質安全，有利于推動行業進步，為以后的工業炸藥生產的全線自動化、無人化打下了堅實的基礎。