起爆藥連續(xù)化合自動(dòng)控制系統(tǒng)研究*

馮 勃，張建浩，陳敏慧，陳小松，鄭挺軍

(中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)第213研究所，陜西西安 710061)

1 前言

因起爆藥的特殊性能，它在國(guó)防軍事中有著不可替代的作用，在航天、航空、兵器等許多方面應(yīng)用廣泛。隨著我國(guó)軍事現(xiàn)代化的快速發(fā)展，高性能武器裝備的不斷研制，對(duì)于高質(zhì)量起爆藥的需求也日益增漲。但在起爆藥生產(chǎn)中一直存在兩個(gè)關(guān)鍵問題:安全和質(zhì)量一致性。因起爆藥的本身性質(zhì)，決定其在生產(chǎn)中存在高危性，傳統(tǒng)間歇生產(chǎn)方式也影響起爆藥的質(zhì)量一致性。為解決起爆藥生產(chǎn)中的兩個(gè)關(guān)鍵問題，實(shí)現(xiàn)高效、安全的自動(dòng)化生產(chǎn)，起爆藥采用程序控制連續(xù)化生產(chǎn)，邊加料邊出料，這樣不僅可使粒度控制均勻且得率也高，提高產(chǎn)品質(zhì)量的同時(shí)又確保生產(chǎn)安全［1］。

2 起爆藥連續(xù)化合總體結(jié)構(gòu)及工藝流程

起爆藥連續(xù)化合過(guò)程見圖1，操作人員預(yù)先配置好的原料分別放置在2個(gè)原料桶里，通過(guò)2臺(tái)計(jì)量泵，按設(shè)定的速度加入到反應(yīng)釜內(nèi)，在一定的溫度、攪拌速度下進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成起爆藥。在初始工位上放置空藥盒，工作轉(zhuǎn)臺(tái)每次轉(zhuǎn)動(dòng)90°，依次完成出料、水洗、酒精脫水，反應(yīng)過(guò)程的母液通過(guò)真空泵抽入廢液槽。

圖1 起爆藥連續(xù)化合系統(tǒng)設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

3 控制系統(tǒng)硬件構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)起爆藥的程序控制連續(xù)化生產(chǎn)，并保證可靠性，控制系統(tǒng)分為現(xiàn)場(chǎng)級(jí)與遠(yuǎn)程級(jí)。選擇PLC作為下位控制器，工控機(jī)作為PLC的上位機(jī)，工控機(jī)上運(yùn)行Windows XP操作系統(tǒng)和組態(tài)軟件WinCC，上位機(jī)通過(guò)CP561l通訊卡按MPI方式與下位機(jī)通訊，以圖形和表格形式顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出控制命令并完成報(bào)警、歸檔和報(bào)表打印等消息處理。下位機(jī)采用西門子S7-300 PLC可編程控制器，PLC向上位機(jī)傳遞設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，接受并執(zhí)行上位機(jī)的實(shí)時(shí)控制指令［2］?，F(xiàn)場(chǎng)的輸入、輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)隔離柵與PLC的輸入、輸出模塊連接，隔離柵可以保護(hù)PLC模塊，同時(shí)使控制柜內(nèi)、外自成系統(tǒng)，便于維護(hù)。為確保系統(tǒng)的安全，PLC運(yùn)行控制時(shí)完全獨(dú)立于上位機(jī)，即使上位機(jī)出現(xiàn)故障或者關(guān)機(jī)的情況下，PLC也能獨(dú)立通過(guò)控制繼電器、接觸器等電氣元件實(shí)現(xiàn)對(duì)計(jì)量泵、工作轉(zhuǎn)臺(tái)、出料閥等現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的控制［3］，如圖2所示。

圖2 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 PLC程序的設(shè)計(jì)

起爆藥連續(xù)化合控制系統(tǒng)PLC程序設(shè)計(jì)采用順序功能設(shè)計(jì)法，該法則用輸入量I控制代表各步的編程元件(例如存儲(chǔ)器位M)，再用它們控制輸出量Q［4］。順序功能設(shè)計(jì)法簡(jiǎn)單、規(guī)范、通用，程序結(jié)構(gòu)清晰，易于調(diào)試修改，編程軟件采用西門子公司STEP7 V5.4，使用梯形圖語(yǔ)言編寫。

4.1.1 順序功能法設(shè)計(jì)PLC控制程序

圖3為起爆藥連續(xù)化合自動(dòng)控制系統(tǒng)的順序功能圖，在起始步M0.0完成系統(tǒng)運(yùn)行的初始化，滿足初始條件后，點(diǎn)擊控制面板上的啟動(dòng)按鈕，在工作模式下選擇自動(dòng)，系統(tǒng)開始運(yùn)行。在步M0.1后是1個(gè)并行序列的分支，3個(gè)分支實(shí)現(xiàn)不同的功能，第1個(gè)分支完成出料，第2個(gè)分支完成水洗，第3個(gè)分支完成酒精脫水。在3個(gè)選擇分支功能序列最后是1個(gè)合并步，當(dāng) 3 個(gè)步 M0.8、M1.3、M2.6 同時(shí)為活動(dòng)步時(shí)，系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，進(jìn)入廢液抽濾序列。在步M3.3之后有1個(gè)選擇分支，當(dāng)按住雙手開關(guān)時(shí)，系統(tǒng)完成了一個(gè)完整的循環(huán)，進(jìn)入下一次循環(huán)。當(dāng)生產(chǎn)任務(wù)完成后，按下停止按鈕，系統(tǒng)回到初始步，如果按下啟動(dòng)，并選擇自動(dòng)模式，系統(tǒng)開始重新運(yùn)行。

圖3 控制系統(tǒng)順序功能圖

4.1.2 程序的結(jié)構(gòu)及調(diào)用

PLC程序結(jié)構(gòu)如圖4所示，包括初始化程序模塊OB100、公用模塊FC1、手動(dòng)模塊FC2、自動(dòng)模塊FC3、模擬量模塊FC4、報(bào)警模塊FC5。PLC的軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示，初始化模塊OB100在PLC系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)只被調(diào)用一次，將整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行初始化，循環(huán)組織模塊OB1實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總體架構(gòu)，提供系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的框架和基礎(chǔ)，以循環(huán)掃描方式調(diào)用其它功能塊或系統(tǒng)塊。當(dāng)選擇M(手動(dòng)模式)，OB1調(diào)用模塊FC2實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的手動(dòng)運(yùn)行，當(dāng)選擇 A(自動(dòng)模式)，OB1調(diào)用模塊FC3實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)運(yùn)行，模擬量模塊FC4的主要作用是將0～27 648的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為實(shí)際的工程量，以便送上位機(jī)顯示。FC5為報(bào)警模塊，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障或者運(yùn)行參數(shù)超出一定范圍時(shí)，發(fā)出報(bào)警信息，提示操作員作相應(yīng)處理。循環(huán)中斷組織塊OB35用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)特殊內(nèi)部事件或外部事件的快速響應(yīng)。

圖4 PLC軟件結(jié)構(gòu)圖

4.2 上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

由于本系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較高，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的動(dòng)作比較復(fù)雜，傳統(tǒng)的操作人員通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察窗，對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控，不僅難以全面掌握設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)，而且由于起爆藥的高危險(xiǎn)性，也對(duì)操作人員存在一定的安全隱患，所以設(shè)計(jì)一個(gè)遠(yuǎn)程的設(shè)備實(shí)時(shí)工藝流程監(jiān)控系統(tǒng)尤為必要。

本實(shí)時(shí)工藝流程監(jiān)控系統(tǒng)采用WinCC V6.0編寫，系統(tǒng)開機(jī)后，上位機(jī)的啟動(dòng)監(jiān)視界面及為起爆藥連續(xù)化合監(jiān)控主界面，如圖5所示。該界面提供起爆藥連續(xù)化合過(guò)程的主要參數(shù)的監(jiān)視與動(dòng)態(tài)的模擬，包括反應(yīng)釜的化合溫度、攪拌速度、液位高度，及出料次數(shù)，水洗次數(shù)，酒精脫水次數(shù)。

圖5 上位監(jiān)控主界面圖

監(jiān)控畫面分為四個(gè)區(qū)域:左上角為指示燈區(qū)，顯示系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，綠色為運(yùn)行，紅色為停止。中間部分為主畫面區(qū)，采用抽象的手法，對(duì)整個(gè)化合系統(tǒng)進(jìn)行模擬。系統(tǒng)管路上的閥門以及計(jì)量泵、廢水?dāng)嚢杵?、真空泵變成綠色時(shí)表示運(yùn)行，紅色為停止。主畫面下邊是系統(tǒng)的文字報(bào)警欄，當(dāng)系統(tǒng)不滿足初始條件或在運(yùn)行中出現(xiàn)故障時(shí)，會(huì)進(jìn)行文字報(bào)警提示。畫面的底端為按鈕區(qū)，實(shí)現(xiàn)不同監(jiān)視界面與功能的切換，主要包括參數(shù)設(shè)置、報(bào)警管理、趨勢(shì)顯示、報(bào)表輸出及系統(tǒng)退出。

5 系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)

因起爆藥的高危險(xiǎn)性，控制系統(tǒng)的可靠性直接影響整個(gè)起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)中的安全，所以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，提高起爆藥連續(xù)化合生產(chǎn)的安全性。

5.1 軟件冗余設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)了手動(dòng)程序、初始化程序、報(bào)警程序等，如在系統(tǒng)運(yùn)行到某一工藝點(diǎn)，控制系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行某一動(dòng)作指令，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)該動(dòng)作沒有完成，則信息會(huì)反饋給控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)將按照預(yù)設(shè)定程序進(jìn)行處理，例如報(bào)警、停機(jī)，同時(shí)在控制系統(tǒng)人機(jī)界面上顯示該故障點(diǎn)及原因。

5.2 電源及氣動(dòng)設(shè)備的冗余設(shè)計(jì)

電網(wǎng)的供電有時(shí)可能出現(xiàn)電壓持續(xù)過(guò)高、電壓持續(xù)過(guò)低、電壓瞬間過(guò)高、電壓瞬間過(guò)低、雷擊、突破、雜訊干擾等情況，且有時(shí)出現(xiàn)故障而突然斷電，前者可導(dǎo)致系統(tǒng)等無(wú)法正常工作，后者可造成起爆藥連續(xù)化合設(shè)備停車及誤動(dòng)作，甚至引發(fā)危險(xiǎn)［5］。為避免此類情況發(fā)生，系統(tǒng)所用交流電源采用無(wú)擾切換，交流切換裝置是當(dāng)起爆藥連續(xù)化合控制系統(tǒng)中的一路AC220 V失電時(shí)，能立即無(wú)擾動(dòng)的自動(dòng)切換到另一路供電?？刂葡到y(tǒng)的供電采用UPS系統(tǒng)，輸入、輸出24 V電源均采用冗余電源。系統(tǒng)中用到的閥較多，現(xiàn)場(chǎng)所有的閥均采用氣動(dòng)閥，通過(guò)電磁閥控制氣路，完成氣動(dòng)閥的控制，反應(yīng)釜的攪拌采用氣動(dòng)馬達(dá)。系統(tǒng)的供氣方式采用遠(yuǎn)程-現(xiàn)場(chǎng)供氣，當(dāng)遠(yuǎn)程氣路突然中斷時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)儲(chǔ)氣罐為氣動(dòng)設(shè)備提供足夠的壓力，保證了系統(tǒng)的正常工作，提高了系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

6 結(jié)語(yǔ)

起爆藥連續(xù)化合控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了藥劑的連續(xù)化生產(chǎn)并提高了安全性，改善了藥劑質(zhì)量一致性，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間運(yùn)行，控制效果良好、運(yùn)行穩(wěn)定可靠，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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