陳友民，段仁君2，何建文

（1.湖南南嶺化工集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南雙牌縣 425202；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012）

S-80乳化劑生產(chǎn)線自動(dòng)控制系統(tǒng)

陳友民1，段仁君2，何建文1

（1.湖南南嶺化工集團(tuán)有限責(zé)任公司， 湖南雙牌縣 425202；2.長(zhǎng)沙礦山研究院有限責(zé)任公司， 湖南長(zhǎng)沙 410012）

摘 要：介紹了乳化劑生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)的構(gòu)成及具體實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)乳化劑生產(chǎn)過程中的原料定量、真空度、溫度等工藝參數(shù)的自動(dòng)控制，提高了乳化劑的產(chǎn)率和質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無人操作。

關(guān)鍵詞：S-80乳化劑；生產(chǎn)工藝；自動(dòng)控制；組態(tài)軟件

0 引 言

盡管在乳化炸藥中乳化劑占比僅為2%左右，但對(duì)提高乳化炸藥的乳化效果、儲(chǔ)存穩(wěn)定性和爆炸性能起著非常重要的作用。根據(jù)國(guó)家民爆行業(yè)產(chǎn)業(yè)發(fā)展政策，乳化炸藥是今后主要發(fā)展方向。全國(guó)目前炸藥產(chǎn)能為400萬t左右，如果80%為乳化炸藥，需要乳化劑達(dá)6萬t左右，特別是南方，乳化炸藥需求量更大，因此乳化劑市場(chǎng)潛力很大。

湖南南嶺化工集團(tuán)有限公司擁有一條年產(chǎn)750 t S-80乳化劑及500 t復(fù)合乳化劑的乳化劑生產(chǎn)線，產(chǎn)品主要銷往湖南南嶺民用爆破器材股份有限公司，部分銷往國(guó)內(nèi)其他民爆企業(yè)，有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。但因設(shè)備陳舊，生產(chǎn)基本上處于手動(dòng)狀態(tài)，存在產(chǎn)能低、產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定性較差、生產(chǎn)過程較難控制等問題，已不適應(yīng)現(xiàn)代安全環(huán)保生產(chǎn)要求。公司于2014年對(duì)原有乳化劑生產(chǎn)線進(jìn)行改造，擴(kuò)建一條2000 t/d的S-80乳化劑生產(chǎn)線及一條1000 t/d復(fù)合乳化劑生產(chǎn)線。本次乳化劑生產(chǎn)線技術(shù)改造，不僅僅是擴(kuò)大產(chǎn)能，而是要求在充分吸取國(guó)內(nèi)先進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)工藝的基礎(chǔ)上，提高生產(chǎn)線自動(dòng)化水平，提升產(chǎn)品質(zhì)量，促進(jìn)產(chǎn)品具有更好的適用性。

1 乳化劑生產(chǎn)工藝流程

S-80乳化劑是以山梨醇、油酸為原材料，在一定條件下進(jìn)行酯化反應(yīng)而得到的產(chǎn)物，具有較好的乳化、分散、滲透等特性。生產(chǎn)過程中先將定量的山梨醇脫水，通過真空系統(tǒng)將脫水山梨醇抽到脂化反應(yīng)釜中與定量的油酸進(jìn)行脂化反應(yīng)，脂化反應(yīng)過程中保持一定的真空度和溫度。

2 自動(dòng)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

S-80乳化劑的生產(chǎn)條件要求較高，工藝較為復(fù)雜。為了提高乳化劑的產(chǎn)量、提高和穩(wěn)定乳化劑質(zhì)量，根據(jù)乳化劑生產(chǎn)的工藝要求，必須對(duì)乳化劑生產(chǎn)過程中的抽真空、山梨醇定量及脫水、油酸定量、脂化反應(yīng)和出料等過程進(jìn)行自動(dòng)控制。

控制系統(tǒng)采用SIEMENS S7-300 PLC和工業(yè)控制機(jī)作為控制核心，通過可靠的傳感器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)乳化劑生產(chǎn)過程關(guān)鍵工序的自動(dòng)控制。操作人員可以在控制室集中控制整個(gè)流程，系統(tǒng)具有自動(dòng)和手動(dòng)兩種控制方式，可實(shí)現(xiàn)無擾動(dòng)切換，以保證系統(tǒng)工作的可靠性和平穩(wěn)性?？刂葡到y(tǒng)采用開放的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，符合ISO的有關(guān)通信標(biāo)準(zhǔn)，方便系統(tǒng)擴(kuò)充。

采用北京亞控公司的組態(tài)王軟件 Kingview 6.55，S7-300 PLC通過CP5611卡與工業(yè)控制機(jī)進(jìn)行DP通信。

控制室是監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的窗口，在控制室通過PLC和工業(yè)控制機(jī)顯示并記錄來自各控制單元的過程數(shù)據(jù)，將分散的過程信息集中起來，實(shí)現(xiàn)信息處理和操作集中化，完成系統(tǒng)控制功能和操作畫面組態(tài)；在生產(chǎn)中進(jìn)行各種參數(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)控，生產(chǎn)過程工藝流程顯示，動(dòng)態(tài)參數(shù)曲線顯示，報(bào)警及報(bào)表打印，完成各種工藝過程的高級(jí)控制，優(yōu)化算法；配合視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備控制室集中操控，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)現(xiàn)無人值守，只設(shè)置巡檢人員，減輕工人勞動(dòng)強(qiáng)度，達(dá)到減員增效的目的。S-80（含復(fù)合乳化劑）工藝控制流程如圖1所示。

圖1　S -80（含復(fù)合乳化劑）工藝控制流程

3 自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)

3.1真空度控制

真空系統(tǒng)主要由3臺(tái)水射泵、2臺(tái)清水泵和一個(gè)玻璃鋼冷卻塔及排空氣動(dòng)閥、真空調(diào)節(jié)閥組成。系統(tǒng)對(duì)油酸儲(chǔ)罐、山梨醇儲(chǔ)罐、山梨醇脫水罐、酯化反應(yīng)釜、山梨醇脫水集水器、真空緩沖罐、半成品儲(chǔ)罐、成品儲(chǔ)罐、復(fù)配罐等設(shè)備的真空度進(jìn)行檢測(cè)，系統(tǒng)運(yùn)行前啟動(dòng)真空泵，通過相關(guān)氣動(dòng)閥門的開啟/關(guān)閉及調(diào)節(jié)閥開度的調(diào)節(jié)，使生產(chǎn)過程中的真空度穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。

3.2山梨醇、油酸的定量控制

該部分控制設(shè)備主要由稱重傳感器、質(zhì)量流量計(jì)、壓力變送器、帶保溫夾套的氣動(dòng)閥門等組成。通過在油酸儲(chǔ)罐、山梨醇儲(chǔ)罐安裝稱重控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)出/入儲(chǔ)罐的物料重量進(jìn)行計(jì)量；通過輸送泵和質(zhì)量流量計(jì)，對(duì)油酸儲(chǔ)罐進(jìn)入到山梨醇脫水罐及酯化反應(yīng)釜的油酸進(jìn)行高精度定量計(jì)量；通過輸送泵和質(zhì)量流量計(jì)，對(duì)山梨醇儲(chǔ)罐進(jìn)入到山梨醇脫水罐的山梨醇進(jìn)行高精度定量計(jì)量；同時(shí)，為了對(duì)原料輸送泵和流量計(jì)進(jìn)行過壓保護(hù)，在油酸（儲(chǔ)罐出口）輸送泵及山梨醇（儲(chǔ)罐出口）輸送泵的出口安裝壓力變送器。

3.3山梨醇的脫水控制

該部分控制設(shè)備主要由山梨醇脫水集水器、稱重傳感器、溫度傳感器、蒸汽氣動(dòng)閥、排空氣動(dòng)閥等組成。將泵送到山梨醇脫水罐的定量山梨醇加熱升溫，負(fù)壓下攪拌脫水，通過對(duì)蒸汽氣動(dòng)閥門的開啟/關(guān)閉控制，將脫水溫度控制在100℃～120℃，待山梨醇脫水到設(shè)定重量時(shí)，自動(dòng)打開山梨醇脫水儲(chǔ)罐排空氣動(dòng)閥，脫水過程結(jié)束。

3.4脂化反應(yīng)過程控制

脂化反應(yīng)前，通過質(zhì)量流量計(jì)和計(jì)量泵向脂化反應(yīng)釜泵送定量的油酸，開始抽真空，通過真空系統(tǒng)負(fù)壓將脫水后的山梨醇抽到脂化反應(yīng)釜，同時(shí)對(duì)脂化反應(yīng)釜進(jìn)行加熱和攪拌，開始脂化過程。在脂化反應(yīng)過程中，必須對(duì)脂化溫度和真空度進(jìn)行自動(dòng)控制，對(duì)脂化過程中的液位高度進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)。

脂化反應(yīng)釜的溫度控制系統(tǒng)主要包括熱油泵、導(dǎo)熱油電加熱釜、放油閥及溫度傳感器，每個(gè)導(dǎo)熱油電加熱釜由18根電加熱器組成，每根電加熱器的功率為6 kW，220 VAC，將18根電加熱器分為6組，在脂化反應(yīng)釜溫度低于150℃時(shí)，6組電熱器全部投入運(yùn)行，當(dāng)脂化反應(yīng)釜溫度在150℃到160℃之間時(shí)，關(guān)閉1組加熱器，脂化反應(yīng)釜溫度在160℃到170℃之間時(shí)，關(guān)閉2組加熱器，脂化反應(yīng)釜溫度在170℃到180℃之間時(shí)，關(guān)閉3組加熱器，脂化反應(yīng)釜溫度在180℃到200℃之間時(shí)，關(guān)閉4組加熱器，脂化反應(yīng)釜溫度在200℃到210℃之間，關(guān)閉5組加熱器，脂化反應(yīng)釜溫度在210℃以上，關(guān)閉所有加熱器，從而將酯化溫度控制在200℃～220℃。由于導(dǎo)熱油溫度高，導(dǎo)熱油放油閥必須采用硬密封結(jié)構(gòu)的耐高溫氣動(dòng)球閥。

脂化反應(yīng)釜的真空度控制主要通過調(diào)節(jié)集水器上的真空調(diào)節(jié)閥開度來實(shí)現(xiàn)。該閥門采用不銹鋼V型電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，閥門開度特性為等百分比特性，在閥門小開度工作時(shí)不會(huì)產(chǎn)生啟跳，可以滿足小流量的調(diào)節(jié)，可調(diào)范圍大，調(diào)節(jié)速度快，能夠?qū)崿F(xiàn)真空度的連續(xù)快速調(diào)節(jié)。

在脂化反應(yīng)過程中，脂化反應(yīng)釜處于高溫、負(fù)壓狀態(tài)，用電容式液位變送器或靜壓式液位變送器無法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的液位測(cè)量。因此，選用耐高溫型的MicroTREK導(dǎo)波雷達(dá)物位計(jì)來實(shí)現(xiàn)對(duì)脂化反應(yīng)釜的液位測(cè)量，導(dǎo)波雷達(dá)是依據(jù)時(shí)域反射原理為基礎(chǔ)的雷達(dá)物位計(jì)，電磁脈沖以光速沿鋼纜或探棒傳播，當(dāng)遇到被測(cè)介質(zhì)表面時(shí)，部分脈沖被反射形成回波，并沿相同路徑返回到脈沖發(fā)射裝置，發(fā)射裝置與被測(cè)介質(zhì)表面的距離同脈沖在其間的傳播時(shí)間成正比。

當(dāng)脂化反應(yīng)釜的液位和真空度到一定值時(shí)，脂化反應(yīng)將要結(jié)束。通過標(biāo)定口人工取樣化驗(yàn)，當(dāng)酸值取樣化驗(yàn)小于7時(shí)，視為反應(yīng)終止。產(chǎn)品反應(yīng)完成后脂化反應(yīng)釜在真空狀況下，先通蒸汽經(jīng)盤管降溫冷卻到一定溫度后，關(guān)蒸汽通自來水冷卻到一定溫度，經(jīng)高速離心機(jī)過濾，產(chǎn)品抽到儲(chǔ)罐儲(chǔ)存成品裝桶或用于復(fù)配復(fù)合乳化劑。

3.5關(guān)鍵工序的視頻監(jiān)控

采用網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，乳化劑生產(chǎn)車間內(nèi)共設(shè)計(jì)14個(gè)200萬像素海康威視的高清紅外固定式攝像機(jī)和4個(gè)?？低旸S-2AF高清紅外智能球機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)乳化劑生產(chǎn)車間全方位監(jiān)視和廠房?jī)?nèi)全貌監(jiān)視。硬盤錄像機(jī)采用?？低?2回路DS8632N-ST高清網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)，配置32T硬盤，保證錄像存儲(chǔ)時(shí)間一個(gè)月以上。所有的監(jiān)控畫面通過一個(gè)65寸的高清彩色電視監(jiān)視器進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，圖2為視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件拓?fù)鋱D。

圖2　視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件拓?fù)?/p>

4 結(jié) 論

控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了乳化劑生產(chǎn)過程關(guān)鍵工序的自動(dòng)控制，整個(gè)系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便、靈活，功能齊全，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)無人操作。系統(tǒng)從2014年8月開始投入運(yùn)行，現(xiàn)已生產(chǎn)乳化劑約3000 t，提高了乳化劑的產(chǎn)率和質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，創(chuàng)造了較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

參考文獻(xiàn)：

［1]徐文旺.S-80乳化劑生產(chǎn)工藝改造實(shí)踐［J］.銅業(yè)工程，2002 （1）：48-49.

［2]郭冰若，等.乳化劑生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)［J］.化工自動(dòng)化及儀表，1998，25（2）：11-14.

［3]崔 堅(jiān)，李 佳.西門子工業(yè)網(wǎng)絡(luò)通信指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

［4]劉玉長(zhǎng).自動(dòng)檢測(cè)和過程控制［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，2010.

收稿日期：（2016-04-17）

作者簡(jiǎn)介：陳友民（1963-），男，湖南祁陽人，主要從事火工炸藥原料生產(chǎn)工藝及設(shè)備自動(dòng)控制方面研究工作。