广东宏大增化民爆有限责任公司 511300
摘要：通过对乳化炸药生产线的深入研究，找出了生产线可能存在的故障点及其危害性，并设计了一套基于IPC、PLC和智能调节器相结合的智能故障诊断系统，在VC++6.0集成开发环境下对系统进行了模拟仿真。结果显示该系统故障诊断定位准确，为将来乳化炸药生产线安全检测与故障诊断的发展方向提供了较为实用的参考建议。
关键词：乳化炸药；智能故障诊断；IPC；PLC
1 引言
乳化炸药是20世纪70年代开发出来的一类新型炸药，具有抗水、无毒、爆炸性能强等优点，已经成为我国民爆器材行业的重点发展产品。乳化炸药的连续生产自动化技术大大提高了生产线的安全，但是乳化炸药制备过程中发生的多起爆炸事故说明安全隐患仍存在。目前，各个乳化炸药生产厂家已经采用各种方式对乳化炸药生产线进行安全检测，主要包括热工巡视、视频检测、微机自动监控以及光检测等。本文结合实际项目设计了一套智能故障诊断系统，实时对生产线进行智能故障诊断，发现故障，及时给出相应维护措施。
2 连续化乳化炸药生产工艺
乳化炸药的连续化生产工艺主要包括两个部分：即乳胶基质的生产和冷却敏化过程。
2.1 乳化工艺
乳化工艺流程如图1所示。硝酸铵、硝酸钠经破碎器粉碎后输送到水相溶化罐，在加热搅拌的条件下使得物料充分溶于水，形成氧化剂水溶液，将混合溶液输送到水相储存罐中。乳化剂、复合蜡按配方送到油相熔化罐，在加热搅拌条件下，使得物料液化，输送到油相储存罐中。控制油水相温度大致相同，开通阀门，将配制好的水相和油相分别过滤后混合通过管道系统送入乳化器，在流量计和调节阀的控制下，将水相和油相的体积按8：1比例配制，经粗乳化器和精乳化器中电机的强烈搅拌及高强剪切作用，最终形成油包水型的乳胶基质。
2.2 冷却和敏化工艺
连续敏化生产工艺如图2所示，其连续敏化要求将冷却后的乳胶基质和发泡剂溶液连续不断地输送进入连续敏化机，在敏化机内同步完成化学发泡、掺合、混拌分散均匀，然后连续出料。
乳化基质经敏化后已成为炸药，感度大大提高。考虑安全因素以及珍珠岩的强度问题，即混拌机内的物料完全处于常压状态，只是在机械作用下完成混拌、输送等功能。混拌机同时具备输送、混拌双重功能，从而实现物理敏化的连续化流水线作业，通过与化学发泡系统的组合实现物理化学复合敏化，这样使生产出的炸药既具有物理敏化良好的外观，又具有化学敏化优良的性能。
3 乳化炸药生产线的故障分析
3.1 设备可能形成的故障点及对生产的危害
乳化炸药生产线的主要设备如下：螺旋输送电机M1、油相熔化罐电机M2、水相溶化罐A电机M3、水相溶化罐B电机M4、油相储罐电机M5、水相储罐电机M6、油相泵M7、水相泵M8、粗乳器M9、精乳器M10、布料器M11、钢带输送电机M12、珍珠岩输送电机M13、连续混拌机M14、热水泵M15、冷水泵M16、螺旋分料电机M17、催化剂泵M18和敏化剂泵M19。当以上各台设备发生负荷过载时，会使电动机电流增大而烧毁电动机，从而影响生产过程的连续性，严重时可能会造成火灾危险，引发爆炸。乳化器是乳化炸药生产过程中的关键设备，当乳化器出现机械故障（比如疲劳剥落、轴承故障、机械密封或搅拌装置发生故障等），如果处理不及时，可能导致机械装置之间形成剧烈摩擦，对乳化基质产生高温、挤压、碰撞等机械作用，就极有可能发生爆炸，这些故障征兆都是不可直接观测和检测的。另外，乳化炸药生产线的各种控制器以及检测仪表，比如可编程控制器、传感器、流量计等，都可能发生故障从而影响生产过程的连续性。
3.2 工艺参数可能形成的故障点及对生产的危害
乳化炸药生产过程中工艺参数可能形成的故障点主要包括温度过高、冷却水断流、油水相断料、敏化剂断料、乳化器电流过大等[4]。根据调研结果和专家经验，得到工艺参数故障点见表1所示。
以下对工艺参数可能形成的故障点及对生产的危害进行具体分析：
（1）温度过高。油相熔化罐、水相溶化罐A、水相溶化罐B、油相储罐温度、水相储罐温度、乳化基质和热水罐的温度需要实时监控，温度超限直接影响乳化炸药生产线各个环节的物料温度，生产出来的炸药成品性能会受到影响，甚至还会出现更严重的危害。
（2）冷却水断流。在乳化炸药生产过程中，乳化器是高速旋转设备，需要冷却水对其旋转轴承密封部分进行连续冷却。若出现冷却水断水情况，会导致乳化器密封损坏，漏药造成局部干磨热积聚，可能会酿成事故。
（3）油水相断料。当油相储罐缺料或油相管道堵塞时，会造成油相断料；当水相储罐缺料或水相管道堵塞时，会造成水相断料。油水相断料直接导致乳化器空转，乳化器长期空转可能促使里面的乳化基质温度升高导致爆炸。
（4）敏化剂断料。在一定的温度条件下，只有敏化剂分散均匀的乳胶基质在出料之前保持恒定的发泡时间，才能达到乳化炸药密度的控制要求。因此，敏化剂断料后生产出来的乳化炸药成品质量不符合要求。
（5）乳化器电流过高。乳化器是乳化炸药生产的关键设备，同时也是故障高发部位，因此需要加强对乳化器的保护。各种原因导致的乳化器电流过高都要及时报警，乳化器电流过高可能直接导致乳化器故障，严重时可能引发爆炸。
4 系统设计
4.1 系统的硬件设计
该故障诊断系统的硬件结构采用工业控制计算机（IPC）和可编程控制器（PLC）以及智能调节器构成的集散控制结构，其硬件结构如图3所示。
该硬件系统在功能上主要分为三大部分：管理级（上位机）、过程控制级（下位机）和现场测控级，其实质是利用计算机技术对生产过程中出现的故障进行集中监视、操作、管理和对生产过程的各个环节进行分散控制。
4.2 系统的软件设计
故障诊断系统的软件设计主要在上位机上完成，主要包括知识库、推理机制、解释机制和人机界面的设计，其软件结构如图4所示。
知识库是整个系统的核心，基于专家系统的显式知识库的建立和基于神经网络的隐式知识库的建立，其质量直接决定了智能故障诊断系统的性能。推理机制是智能故障诊断系统的最重要组成部分之一。基于神经网络和专家系统的智能故障诊断系统的推理机制把两种机制有效结合，不同的推理机制处理不同的知识，发挥各自的优势，使整个智能故障诊断系统高效运行。
解释机制是智能故障诊断系统中必不可少的部分，是实现系统透明性的主要部件，是智能诊断系统区别于其它计算机程序的重要特征之一，主要负责回答用户可能提出的各种问题。人机界面是用户和系统进行交互的重要窗口，它的设计应从用户使用的角度出发，使用户易于理解。此外，其软件界面应该具有简洁、友好的特点，并有帮助系统，以便用户的操作和学习。
5 系统仿真测试
5.1 系统仿真测试模型
采用VC++6.0对智能故障诊断系统的仿真测试模型进行设计，如图5所示。该仿真测试模型可以判断智能故障诊断系统是否具有实时故障诊断能力，能否进行准确的故障定位及给出相应的故障处理措施。
仿真平台的系统菜单主要包括系统管理、参数设置、故障模拟和报警记录等，通过点击相应菜单可以完成不同的功能。
（1）系统管理对系统进行管理和维护，并采用分级管理模式，主要包括登录、密码修改、用户管理、退出等子菜单。
（2）参数设置菜单主要包括温度、流量、电流、质量以及其它参数的设置，所有的参数设置完毕后才能进行仿真测试。
（3）故障模拟菜单是为了对智能故障诊断系统进行测试而设计的，点击故障模拟菜单会弹出故障选择对话框，提示用户选择对故障现象进行测试。
5.2 系统仿真试验
以“精乳器故障”为例来说明其仿真测试过程。该精乳器为立式结构，转子直径100mm，线速度15m/s，电机功率5.5kW，额定电流15A，其仿真测试流程如图6所示。
第一步：登录进入系统并设置各个工艺参数。如图7所示。
第二步：点击“故障模拟”菜单，选择“精乳器故障”系统会根据收到的系统运行参数与故障征兆表对比。例如：比较精乳器电流监测值与设定值的大小，会弹出用户信息窗口，如图8所示。
如果监测值大于设定值，点击“是”来确认，否则点击“否”。再逐一验证可能故障中的其它征兆是否成立，最终诊断结果确认后会显示故障诊断界面，如图9所示。
由图9可知，最后智能故障诊断系统得出结论为冷却水断流，提醒用户检查冷却水是否断流。
6 结束语
在分析了乳化炸药生产线工艺流程的基础上，深入研究了乳化炸药生产线可能存在的故障点及其可能影响乳化炸药成品的质量以及生产过程的连续性，严重时还可能导致爆炸事故的发生。本文设计了工业控制计算机（IPC）、PLC和智能调节器相结合的智能故障诊断系统，充分利用IPC软件资源丰富以及可应用不同软件运行复杂任务的特点，在VC++6.0集成开发环境对系统进行模拟仿真，结果显示该系统具有较强的实时故障诊断能力，能进行准确的故障定位，并能给出相应的故障处理措施，可有效防止重大生产事故的发生。
参考文献
[1]乳化炸药生产技术考察组.我国乳化炸药现状与发展建议.全国乳化炸药生产技术交流研讨会资料汇编.北京：中国爆破器材行业协会，2015.12.
[2]杨桐.从乳化炸药六起事故中吸取教训.爆破器材，2016.08.
[3]裴海兴.乳化设备的安全设计.矿业快报，2016.
[4]谈选民.唐秋明.乳化器和螺杆泵爆炸事故原因分析及其防范对策.爆破器材，2015.05.
论文作者:吴卫国
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第23期
论文发表时间:2018/1/18
标签：炸药论文; 系统论文; 故障论文; 故障诊断论文; 智能论文; 生产线论文; 所示论文; 《建筑学研究前沿》2017年第23期论文;