基于DCS的压伸机在线监测与安全技术研究

牛建林　苏志永　王鑫磊等

【摘 要】××型双螺杆压伸成型机是针对可再利用固体推进剂进行压伸成型工艺研究而研制的一套设备。在多种火药生产过程中，该设备均发挥了主要作用。但是，在连续压药过程中，存在着许多技术、安全问题需要去解决，本文基于DCS控制技术存在的问题提出了改进措施和解决方案。

【关健词】DCS系统；压伸机；在线；监测；控制

前言

××型双螺杆压伸成型机是一套专门用于可再利用推进剂样品挤出的双螺杆式科研设备，该机最大的特点就是在螺杆结构上进行了革新，将螺杆直径及螺距由原来的等径型变为了渐变型结构，所以也可称之为锥形双螺杆压伸机。鉴于压伸机的雏形是从民用行业移植而来，与军品生产需求存在较大差异，如何能使其民为军用，满足火药生产条件，有诸多的问题亟待解决，尤其是在线检测与控制方面，否则，会给生产带来燃烧、爆炸等安全隐患或事故。

一、存在的主要问题

1.参数检测不够全面，且滞后；参数检测项目少，只有温度、压力、速度、电压等值。

2.仪表的累积误差较大，不能正常反映生产过程的实际情况。

3.喂料机与主机联锁不合理，当主机不启动时，喂料机无法单独启动，不能正常退料。

4.联锁功能不完善，主机转速、料温、机头压力超上限值不能自动停车，不符合火药生产的安全规范。

5.工艺温度控制采用电加热方式，不符合火药生产安全规范。

6.机头温度、压力传感器信号为RTD＼V＼mV等，需要进行信号转换，检测数据会有漂移量等，造成数据失真。

7.不具备工艺数据查询、存储、打印和故障报警功能等。

8.操作、控制点位分散，操作员需要一看表、二听音、三动手，长时间工作或在疲劳状态下容易造成操作不及时、误操作等安全责任事故。

二、工艺控制要求

1.集中检测与显示：实现对螺杆、机头、前锥、后锥、成型退水温度，机头料温、主机电流、螺杆转速、机头压力等重要参数能集中在工艺生产流程图上进行显示。

2.联锁控制及时、全面：机头压力、机头料温、主机转速超限时立即停车，如有火情应联锁“下雨”，扑灭初期火灾。

3.数据实时储存、打印：可分班次查询和打印现场实际记录；把操作人员从繁琐的记录操写中解放出来，同时避免了人为操写错误或记录不详实等现象。

4.实现电气设备的集中控制：电气设备可根据需要实现手、自动切换控制；操作更加及时，便捷。

三、改进思路

遵循《火药生产工艺安全技术操作规程》，根据工艺生产要求，结合计算机集散控制系统（DCS）控制技术，对原有的检测和控制系统进行全面改进，实现对该设备生产的连续在线监测与安全控制。

1.DCS系统是计算机与自动化技术相结合的产物之一。该系统的特点主要有：通用性强，系统组态灵活，控制功能完善，数据处理方便，显示操作集中，人机界面友好，安装简单规范，调试方便，运行可靠等。在同类产品中，由日本横河公司生产的CS3000系列DCS系统尤为完善。因此决定采用CENTUM-CS3000技术完成此项改进工作。

2.遵照《火药、炸药、弹药、引信及火工品工厂设计安全规范》中对仪表控制系统和联锁装置的要求进行系统设计与组态，实现生产安全的保障。

3.实现工艺生产技术与计算机控制技术的有机融合。

四、措施实施情况

1. CENTUM-CS3000系统介绍

系统组成主要包括三个基本部分：FCS（现场控制站），HIS（人机接口站），VL net（控制总线）。

（1）现场控制站（FCS）FCS提供过程控制功能，如常规控制、顺序控制、批量控制和复杂运算等。

（2）人机接口站（HIS）HIS具有开放的操作环境，能将DCS的功能和PC系统易于操作性紧密相结合，在简捷的窗口操作界面之后蕴藏着强大的能力。

（3）Vnet网是用于连接系统内各部件的实时控制的通道。

2.实施方案

（1）监测与控制方面

①计算机配置：电源模块、CPU模块、以太网模块均按2套配置，确保系统冗余可靠，安全稳定运行；模拟I/O模件箱3个（分设电流输入模件AAM10和电压输入模件AAM11 ；MV、热电偶和热电阻温度检测模件AAM21；电流输出模件AAM50和电流/电压输出模件AAM51）；CPU模块具有大型的程序存储容量，考虑了40%的余量，存储器采用闪存技术；模块上有PROFIBUS-DP主/从接口，易于以后系统扩展；过程控制、监视和故障诊断等功能设置于控制器内，特别是智能化的诊断功能可连续监测系统工作是否正常，并记录错误信息和特殊事件。

②根据工艺生产流程图，绘制HIS界面，画面直观形象，操作简单快捷，各种设备、管线、数值、状态一目了然。

③循环水系统采用闭环控制，通过检测模温机退水管路中的水温，与计算机系统参数的设定值进行比较和偏差修正，输出控制薄膜调节阀的开度，达到改变进水量的目的，使系统水温恒定。显示数值精确到1%，调控过程减少了人为因素的影响，满足连续稳定生产要求。

④主机的机头温度、压力由现场传感器将4～20mA标准信号直接传送至FCS，解决了硬件接口与传感器接口不兼容问题，减少了信号转换环节，减低了累计误差。

⑤主机变频器、喂料机变频器的转速、电流输出接口与FCS之间用信号线进行实际连接，使主机转速、主机电流、加料器转速值均能反映现场实时数据，满足生产要求。

⑥通过顺控表模块ST16，按照预先所定义的控制条件和顺序来执行相应的控制动作，实现了主机自动运转，当螺杆转速、主机电流、机头压力、机头料温任一指标超限，则主机自动停车；安全联锁装置动作之前，增设有预报警信号。

（2）安全联锁方面

① CS3000的安全策略——HIS安全策略和用户安全策略

HIS安全策略：通过指定用户属于用户组以及权限级别，使各用户拥有不同的操作监视范围和操作监视权限级。

用户安全策略：通过用户登录和键盘操作方式实现.通过设定用户组的方式，以用户组为单位设置操作监视的范围。系统默认两个组：DEFGRP、 NONEGRP。

②与环境状况联锁：用紫外探测器监测火情，一旦出现明火，雨淋电磁阀联锁动作，开始下雨，同时联锁停车，以免事态扩散。

③设备之间相互联锁：当主机停车时，喂料机自动停车；喂料机也能单独开、停车，以便于清理喂料机内的物料。

④自控用的气源、电源发生停气、停电故障时，安全联锁系统的最终状态，必须保证工艺操作和运转设备处于安全状态。

⑤自动控制系统中执行机构的动作形式及调节器正反作用的选择，能确保组成的自动控制系统在突然停电或停气时，仍满足生产安全的要求。

⑥重要的安全联锁系统，备有不间断的供电、供气装置。

⑦安全联锁控制系统除有自动控制方式外，还有手动控制方式（如：急停按钮）。

（3）其它方面

①内设或外挂硬盘等存储设备，便于试验数据长期保存。

②设有232或485通讯接口，可联接打印机，对数据或报表、画面打印留存或进行事故分析。

五、结论

1.在火药生产中，对双螺杆设备进行连续检测与控制系统的安全改造是必要的，改造后提高了火药生产的自动化水平和本质安全性，增强了控制的可靠性，满足火药生产的安全技术要求。

2.利用双螺杆技术进行可再利用火药的压制是可行的。

3.生产工艺技术与计算机控制技术的有效结合，会为企业带来巨大的经济效益和安全保障。

参考文献：

[1]《火药、炸药、弹药、引信及火工品工厂设计安全规范》.兵总质[1990]2号.

[2]横河机电DCS—CENTUM CS1000/3000用户手册，日本横河电机（中国）有限公司.

[3]厉玉鸣 主编.《化工仪表及自动化》.化学工业出版社.

[4]吕春绪 主编.《爆破器材》，中国科技核心期刊.

[5]《智能控制工程及其应用实例》. 化学工业出版社

[6]《微型计算机控制技术》.国防工业出版社.

注：

基础产品创新计划火炸药专项——可再利用固体推进剂工程化研究，项目编号：A2220061373 （科工局）。

作者简介：

苏志永（1971.11-），男，学士，高级工程师，火炸药自控技术。

王鑫磊（1986.10-）， 男，学士，助理工程师，计算机应用。

李成学（1966.11-）， 男，学士，工程师，工程管理。

李强，男 ，学士，工程师，计算机控制技术。

王宏（1971.10-），女 ，学士，工程师，火炸药工艺技术。