烟花爆竹配药车间防爆装置的设计与应用

贺力克 李明飞 李力

摘要：根据当前我国烟花爆竹生产领域的发展状况来看，烟花爆竹原料、配方、工艺技术、生产设备、仓储运输以及燃放等多个环节都需要进一步加强安全管理，其中配药车间的安全防爆生产尤为重要。本文首先对我国烟花爆竹生产企业的特征进行了分析;其次，提出了烟花爆竹产品种类与配药车间潜在的危险因素;最后，结合实际情况，重点研究了烟花爆竹生产配药车间的防爆装置的设计和应用。

关键词：烟花爆竹;防爆装置;配药车间;危险因素;固态继电器

湖南省最新提出的经济与社会发展“十三五”纲要中提出，烟花爆竹生产安全化、智能化与技术化是今后这一领域的重点发展方向。据此，烟花爆竹生产企业要明确认识到，要着重加强烟花爆竹生产配药车间防爆装置研究工作。本文提出的烟花爆竹生产配药车间防爆装置设计和模拟仿真应用，对于省内乃至全国的烟花爆竹生产安全都有重要的现实意义。

一、我国烟花爆竹生产企业特征

全国各大地区市内已经禁止燃放烟花爆竹，烟花爆竹需求量明显下降，在生产中技术和资金投入不足，专业性的安全和防爆装置设计水平较低，容易增加行业生产的安全性问题。

从“十三五”以来，国内累计退出关闭烟花爆竹生产领域的企业超过了8000家。在这种发展背景下，烟花爆竹生产企业开始了地域性转移，并且形成了产业集聚的发展倾向。湖南省和江西省等地的主要烟花爆竹生产企业也已经制定出了生产厂商缩减的计划，对于生产规模也进行了控制。

二、烟花爆竹配药车间防爆装置设计与应用

（一）拟解决问题

在对烟花爆竹生产企业的培养车间防爆装置进行设置中，拟解决问题如下：

首先，使用红外线二极管与硬件滤波电路相互连接，可以对黑火药燃爆的初期状态进行检测，从而为后续的精准定位和防暴处理提供依据。

其次，使用STM系統得出改进型滤波算法，最终输出的IPM信号可以实现人机交互通信，集中收集相关的数据信息。这种方式可以提高车间监管人员对车间运行状态的监管和控制，提升系统运行的管理效率。

最后，在完成了防爆装置设计之后，可实现系统硬件电路的模块化设计，并且还能实现程序分布式的设计，实现系统优化。

（二）工艺装备发展方向

据调查，我国的烟花爆竹生产企业与煤炭和化工企业共同被划分到高危行业当中，但是烟花爆竹生产企业的规模相对较小，对于国家经济发展的贡献有待进一步提高。从当前国内的烟花爆竹生产工艺技术水平、实际生产需求等方面进行分析，可以看出当前国内在这一领域的发展规划主要是朝着多站化、自动化、高效、可靠、优质和安全等方向规划，其中最为重要的是安全性与可靠性。具体包括：

首先，生产安全可靠。生产安全可靠不仅包括了设备生产中的安全稳定运行，同时也包括了对危险工作站的自动隔离生产，避免因为设备生产故障而造成严重的人身安全和财产损失。

其次，多站自动化生产主要是引入防爆生产系统和安全运输模式，并将类似的工艺技术结合到实际生产流程中，可以实现现场无人化操作。同时，多站自动化生产还可以加强对充电环节成危险工作的集成化处理，通过局部防暴操作的方式，最大限度地避免对车间生产工人造成伤害。

最后，高效优质的车间生产主要是提高设备生产效率，从而以此提高企业整体烟花爆竹生产效率。结合自动检测技术和安全控制技术，实现关键生产工序的在线检测和防爆处理，最终提高产品质量。

（三）配药车间防爆装置设计

在对烟花爆竹生产配药车间的防爆装置进行规划中，本课题融入了电子技术、现代化传感技术、嵌入式技术等技术，同时加入了软件算法和硬件电路，是吸纳了对红外传感器信号的预处理。经过对比分析得出，本文研究的设计方案有如下特征：

首先，系统能实现快速响应，在黑火药起火直至装置执行自动保护，时间控制在5ms之内，并且在这一过程中还可以有效防止药剂产生热累积，避免出现黑火药的爆炸。

其次，系统设计中采用了人机交互设备，不仅可以确保系统操作便捷性，同时还可以借助系统自带的防爆装置功能，实现数据模块的保护，以便在发生事故后进行相应的责任分析。

再次，系统配电总闸自动控制开关能在执行完防爆操作之后，自动关闭总电源，从而避免再次出现安全事故。

最后，系统的冗余度与可靠性都较高，即便单个电磁阀模块或者单个探头失效，都不会对整个系统造成影响。具体如下图1所示：

1.系统供电

系统供电方案中，本项目采用了220V的单相交流供电方式用作系统电源的接口。在经过系统模块处理之后，可以为各功能模块提供相应的直流电压。

2.输入与输出信号

系统的输入信号是使用红外线传感器提供的四根接线，其中有两根电源线，电压为24V。红外传感器信号输出量为12V开关量，电压范围控制在9V至12V。在整个系统中，需要装置6个此种类型的传感器设备，同时系统还要额外提供单独的温度和湿度检测的传感器设备，应用于对设备所处环境的温度与湿度进行监控。系统输出信号是使用24V声光报警系统，这一报警系统的功率为对6W，1套防爆装置系统配备1个声光报警器设备。

3.电磁阀

电磁阀设备主要应用到高压水枪喷水开关动作的控制环节，电磁阀在实际应用中，其电压需求量超过其额定电压24V，且单个电磁阀电流不会超过2A，系统共需要4个电磁阀互相配合。

4.可控硅

可控硅主要是应用到220V系统的导通控制，配合烟花爆竹生产配药车间生产工作的实际特征，确定红外感应装置射线探头的安装角度，以确保燃爆信号采集控制工作的实时性与可靠性。

5.固态继电器

固态继电器主要是应用高压喷水枪导通控制环节。基于CM3的32位核心单片机，可以实现环境装置的综合监管，计算各电路的主要参数，完成电路结构的优化与完善。

（四）配药车间防爆装置应用

1.可行性分析

在系统设计中，本项目综合运用了现代化传感技术、电力电子信息技术、现代化控制算法以及嵌入式技术，将上述各项技术作为理论基础，开展理论实现相结合的方式。防爆系统设计中，应用了德力西交流电池阀、高性能嵌入式芯片、触摸屏实验平台。同时，还应用了模块化的集成设计思路，着重对防爆装置进行了实验研究。

为了更好地推进项目进展，实现理论成果向现实转化，项目设计研发采取了校企合作的方式。烟花爆竹的生产企業根据配药车间防爆需求，提出工作方向，课题组的工作人员结合具体的技术解决方案，提出装置电路基本设计方案和软件整体开发方案，以完成系统的综合性开发。本项目研发设计中直接参与的工作人员数量多范围广，但均在项目负责人的协调和管理下，充分发挥出了各自的优势，保证项目平稳有序发展，体现出了较高的可行性。

2.仿真应用

项目仿真应用环节主要是在合作企业配药车间实验室当中进行，此种方式可以更加精准地判断出防爆装置在实际场地和多种不同生产条件下的实际应用情况，仿真模拟流程如下图2所示：

同时，课题研究性小组还配备了多种不同的实验工具，比如焊台、示波器、万用表、32位单片机设备以及软件开发平台等。在仿真应用中，技术人员应用了防爆装置中的红外传感器，实现了生产线上黑火药的全面覆盖性监控，结合滤波算法，完成了防爆控制。为了确保对后续的实验与生产操作提供精准的依据，在仿真应用中，使用了黑匣子，对多点监控数据进行了收集和保存，一旦出现事故，可将黑匣子中记录的数据用于事故复盘与责任认定。设计小组在企业生产车间中还安装了多点实时监控设备，在已有的安全操作基础上，实现了真正意义上的车间环境参数多点实施控制，提高了防爆装置实际预警效果。

（五）注意事项

1.配药安全比例混制技术

提高配药安全比例混制技术的应用效率，可以实现烟花爆竹制品当中炸药、黑火药与特效药安全配制。上述几种不同的烟花爆竹填充药品都是按照一定比例混合而成的化学药剂。为了确保烟花爆竹生产配药车间防爆装置设计的合理性与应用的有效性，相关工作人员在进行实际操作中，还要对配药安全性进行考量。应用高精度的自动化称量装置，可以根据各种药品混合配制的比例，进行动态称量。这种方法可以避免人工配料存在的精细度低的问题，降低了潜在的安全隐患。我国工业生产领域的配药混合都是通过单机操作实现的，这一技术解决了缺乏相应的在线质量检测与安全控制装置，操作环节受到人工技术水平和操作因素的影响较大的问题。对此环节进行强化管理，防止出现严重的安全隐患。

2.喷雾与喷淋混合技术

药剂混合过程中，生产车间会有大量的浮尘以及释放物质，这些气体和粉尘会对生产人员的身体健康造成影响，同时也会影响到环境中的空气质量。对此，在进行药剂混合中，可以加入喷雾和喷淋装置，加强对生产车间环境的控制，同时也可以避免因为粉尘含量过高而引起爆炸事故。喷雾和喷淋装置的联合使用可以起到相应的设备保护作用，并且还利于飞溅和喷涂的更加容易清洗回收。

3.自动计量与多块电荷分离技术

目前，烟花爆竹生产中的称重和装料技术都是通过人工物理平衡称重方式，结合简单机械操作的方式实现的。这种简单的机械操作方式存在加药精度、在线计量难以控制的问题，最终会导致生产安全性和效率性大打折扣。面对这一情况，可以在配药车间防爆装置的设计中，加入自动计量装置模块，应用多块电荷分离技术，对产品的质量进行检验。使用振动添加剂或者多组称重模型，对配药车间的颗粒试剂进行安全等级划分，及时地发现产品存在的质量问题。

三、总结

综上所述，将先进的红外传感技术应用到黑火药燃爆现象的检测当中，提高了系统的响应速度，实现了对生产线着火点的灭火防爆处理，对黑火药集中燃烧而产生的爆炸问题进行了有效控制，增强了烟花爆竹生产车间配药的安全性。

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湖南省教育厅科学研究一般项目：烟花爆竹配药车间防爆装置的研制（项目编号：16C0524）

作者简介：贺力克（1966），女，湖南常德人，硕士，高级工程师，副教授，研究方向：自动控制技术。