水胶炸药混合无人化技术研究与应用

汪美琼,侯 陆,代克州

(安徽淮南舜泰化工有限责任公司,安徽淮南232072)

0 引言

近年来,随着国民经济的高速发展,自动化、智能化及信息化技术在各行业得到了广泛的应用。我国民爆行业的技术水平也得到了较大提升,工业炸药生产方式正在向着以“机器人换人、自动化减人”为代表的“少(无)人操作”目标快速迈进[1]。

安徽淮南舜泰化工有限责任公司水胶炸药生产线建于1993年,采用美国杜邦公司技术工艺,生产方式为间断式生产。长期以来,作为生产线核心之一的混合工序,一直采用人工直接操作方式,进行人工配料、投料、测量。现场人工操作控制柜操作人员3 人,不但劳动强度大,而且现场粉尘、噪音较大,不利于工人身心健康,已成为制约水胶炸药生产线整体自动化水平提升的瓶颈。文中在生产线中采用水胶炸药混合自动控制系统,实现物料的自动输送、加料、称重、在线测量和远程控制等功能,从而实现混合工序的无人化操作。

1 水胶炸药原有混合工序生产工艺

工艺设计中,作业采用隔离操作、连续化、自动化的生产方式[2]。水胶炸药生产线主要包括中和、混合、包装等工序,其中混合工序是将各种液体和固体物料按一定工艺配比加入到混合机内进行搅拌混合,制得水胶炸药。原有工艺过程全部操作需要在现场完成,其中固体硝酸铵、硝酸钠/田菁粉、大理石粉从斜螺旋加入,并且硝酸钠/田菁粉需要提前在混拌机混匀,主操作手通过现场控制柜进行斜螺旋、液体加料和混合罐搅拌机的操作,对人体影响较大的珍珠岩、铝粉、交联剂、发泡剂等由人工直接从加料口加入[3]。混合工序加料工艺如图1 所示。

图1 混合工序加料工艺示意图

2 混合工序自动化控制系统的设计方案

2.1 总体设计

总体设计包括固体物料、液态物料的自动加料、部分固体物料的自动称重、在线自动测量、混合包装部分全线联动自动控制等,实现各物料加入的模块化、自动化,通过生产线控制室,对混合工序进行远程控制操作及生产线全程监控。改进后的混合加料工艺如图2 所示。

图2 混合工序新加料工艺示意图

2.2 固体物料的加料

2.2.1 斜螺旋自动加料

固体物料包括固体硝酸铵、大理石粉、硝酸钠、田菁粉、铝粉等,这些固体物料按照每批的工艺配比称好后,由原材料仓库运至加料平台。首先把固体硝酸铵或大理石粉由加料口加入斜螺旋。再从加料口2 将硝酸钠加入斜螺旋,胶凝剂(田菁粉)则由专用螺旋加料机加入斜螺旋内,由硝酸钠带入螺旋,使两者在斜螺旋内进行混拌。采用这种方式代替了原有的硝酸钠混拌工序,不仅使胶凝剂均匀加入,避免了胶凝剂附着在螺旋内壁及螺旋动轴上,而且解决了在混合器内因不均匀遇水结团结块的问题。人工加料结束后,控制系统获得信号,斜螺旋启动进行自动输送,送料结束后自动停止。

2.2.2 铝粉、珍珠岩自动上料系统

铝粉和珍珠岩的自动加料方式和计量是混合工序自动化控制系统的关键所在。铝粉与珍珠岩易扬尘不易输送和计量,均不宜大量储存[4]。本方案巧妙地将两种物流的输送结合起来,并创新性应用了自动减重称量技术。首先以称重传感器为支点,称量料仓和计量螺旋的总重量,然后通过混合工序自动控制系统设置计量值,设置为珍珠岩加料先行启动,随后铝粉加料启动,铝粉离开计量螺旋后将在输送螺旋内由珍珠岩带入混合器内。当料仓及减重螺旋的总重量减少值到达计量值时,加料完成。该自动减重加料系统,包括处理程序软件、秤上喂料装置、称重传感器等,具有键盘校准、自动跟踪零点、去皮、断电保护等功能。其中配料系统采用推进下料方式,通过变频器来实现两种速度的下料过程。配料系统完成配料后,通过水平螺旋输送机将物料送致搅拌机里,搅拌机按照编好的工作流程,进行工作,到设定时间自动卸料。

2.3 液体物料的加入

2.3.1 硝酸甲胺溶液、硝酸铵溶液

硝酸甲胺溶液通过隔膜泵输送至混合工序,再通过流量计与加料阀输送至混合罐内。硝酸铵溶液是指高温高浓度的液态硝酸铵经稀释后达到工艺要求浓度和温度后的溶液,通过泵、阀门和流量计输送至混合罐内。两种溶液的泵送、开关阀门与计量均在监控室内进行远程操作。

2.3.2 液体小料的加入

液体小料是指交联剂、泡沫稳定剂等用量较少的液体物料。交联剂和泡沫稳定剂较为粘稠,滞留管道内易阻塞管道,干扰流量计的剂量,所以输送和计量都非常困难。原工艺是由人工直接加入混合罐,本方案采用简便的液位控制及二次供料的方式,如图3 所示。即首先通过输送泵将交联剂、泡沫稳定剂加入罐中,当液体到达指定液位后,停止输送;然后,在混合工序自动控制系统发出加料信号后,发泡剂和泡沫稳定剂的计量槽放料,顺利解决了液体小料易阻塞管道和流量计的难题。

2.4 pH值、密度值的测量

混合罐装有pH 计和密度计,测量的数据通过电缆引入控制室。在控制室不仅可监视pH 值和密度的变化,还可通过加入其它物料的方式对pH值和密度进行及时调整。

图3 交联剂、泡沫稳定剂输料系统

2.5 控制系统

电器控制系统主要由PLC 控制系统、配电柜、变频器、仪表系统等组成。混合工序控制系统拓扑简图如图4 所示。

图4 混合工序控制系统拓扑简图

PLC(可编程控制器)控制系统采用德国西门子的S7-300 控制系统,主要实现现场的基本自动化控制功能和工况数据采集、报警、联锁控制及配比调节等功能。控制系统的PLC 站,通过电缆连接到控制室监控电脑上,可以对生产线进行监控、故障报警、参数设定等操作。

配电柜为各控制系统及现场各工作单元提供必须的动力电源。变频器通过PLC 控制现场泵、混合器搅拌等设备的运行。

控制室由一个操作台及两台监控计算机,计算机通过以太网口与PLC 进行TCP/IP 协议通讯连接,通过组态王组态软件对控制系统进行监控。

仪表系统对生产过程的温度、电流、流量等物理量进行采集转换。

3 混合工序自动化控制系统的实践应用

混合工序自动化控制系统的各个子系统于2017年9月陆续投入试运行,经过不断调试和改进,于2018年8月通过了“水胶炸药自动化生产线”科技成果鉴定,正式投入生产。截至目前,设备运行正常,产品质量稳定,完全实现了现场无人化操作。

3.1 系统的安全性

该自动化系统设有监控、报警、连锁联动等功能,保证了系统本身以及生产的安全,同时避免或减少了人与危险源(炸药、设备等)的直接接触。在中和实验试生产中,均未出现过任何安全问题,生产过程不但无新的危险因素产生,反而减少了危险因素,生产的本质安全性得到了提高。

3.2 产品质量

从试生产开始截至目前,所生产的各品种水胶炸药质量均保持稳定。并经中煤科工集团淮北爆破技术研究院爆破器材产品质量检验中心对安全性和爆炸性能进行检测,各项性能指标合格,符合《工业炸药通用技术条件》(GB 28286-2012)要求。具体实测数据如表1 所示。

表1 三级煤矿许用水胶炸药性能测试结果[5]

3.3 经济和社会效益

3.3.1 经济效益

采用自动化控制系统后,生产线实际操作人员较以前减少3 人/单班,使人工成本降低。混药效率由4 t/h 提高到5 t/h,提高了生产效率,降低了能耗。若双班生产,按人均工资7 万元/年计算,据综合测算,每年产生的直接经济效益约为50 万元。

3.3.2 生态环境效益与社会效益

利用自动化控制系统,减少了现场人与物料的直接接触,有利于职工的身体健康,同时减少了固体物料的飞散、洒落和噪音,有利于清洁生产和环境保护,提高了清洁化生产水平,符合民爆行业安全、可靠、环保及标准化的发展方向[6-7]。

水胶炸药混合工序的升级换代,大幅度提高了生产的自动化水平和劳动生产率,生产成本降低,生产本质安全性得到提高,对推进企业技术进步,实现安全发展、清洁发展、节约发展具有重要意义[8]。

4 结论

针对水胶炸药混合工序的特点,研发了自动加料和远程控制系统,其中,(硝酸钠/田菁粉)输送装置、(珍珠岩、铝粉)自动减重加料系统及液体小料(交联剂、泡沫稳定剂)自动加料系统具有一定的独创性。混合工序的自动化控制系统提高了生产效率,混药效率由4 t/h 提高到5 t/h,同时现场操作人员减少了3 人,极大地提高了生产的本质安全性,减少了现场粉尘、噪音等的污染和对人体的伤害,提高了混合工序的清洁生产技术水平[9],符合《民爆行业技术进步的指导意见》、《民爆物品行业发展规划(2016-2020)》、《民用爆炸物品行业技术发展方向及目标》等国家和行业相关文件精神要求。