彭 雯 王隨平

(中南大學(xué),湖南 長沙 410012)

乳化炸藥乳化器溫度智能控制

彭 雯 王隨平

(中南大學(xué),湖南 長沙 410012)

文章在深入分析乳化炸藥生產(chǎn)工藝的基礎(chǔ)上,考慮乳化炸藥生產(chǎn)工藝的非線性、大慣性、大滯后等特點,采用了專家控制策略來實現(xiàn)乳化器溫度的智能控制。從而實現(xiàn)了工業(yè)炸藥生產(chǎn)的連續(xù)化自動化技術(shù),提升了我國民爆行業(yè)的國際地位。

乳化炸藥;乳化器;溫度控制;專家系統(tǒng)

一、引言

自 70年代問世以來,由于民用爆破器材科技工作者的努力研究,乳化炸藥作為含水炸藥取得了長足的發(fā)展,并繼續(xù)呈現(xiàn)良好的向上勢頭。乳化炸藥泛指一類用乳化技術(shù)制備的油包水型乳膠型抗水工業(yè)炸藥,它是以氧化劑 (主要為工業(yè)硝酸銨等)水溶液的微細(xì)液滴為分散相,懸浮于有分散氣泡或空心玻璃微球或其他一些多孔材料的似油相材質(zhì)構(gòu)成連續(xù)介質(zhì)中,形成一種油包水型的特殊乳化體系。乳化炸藥作為新型抗水工業(yè)炸藥被廣泛應(yīng)用于各種工程爆破領(lǐng)域。

但乳化炸藥生產(chǎn)線本身并不安全,主要原因在于乳化炸藥的半成品乳化基質(zhì)在非爆炸作用下也會發(fā)生爆炸。在乳化炸藥生產(chǎn)過程中,當(dāng)乳化器出現(xiàn)機(jī)械故障并且發(fā)現(xiàn)處理不及時,由故障演變?yōu)橹靥卮笫鹿?從而導(dǎo)致乳化器內(nèi)乳化基質(zhì)溫度急劇升高而發(fā)生爆炸?？梢?監(jiān)測乳化器溫度運(yùn)行狀態(tài),在異常狀態(tài)下報警或緊急停車,對于保障人員和財產(chǎn)安全具有極為重要的意義。

二、炸藥生產(chǎn)線乳化器溫度控制研究現(xiàn)狀

多年來我國乳化炸藥的生產(chǎn)不但生產(chǎn)效率低,而且還帶來了極大的安全隱患,因此乳化炸藥的乳化器溫度控制顯得尤為必要。

在炸藥生產(chǎn)方面,對粉狀炸藥連續(xù)化傳輸系統(tǒng)的傳輸能力建立了仿真模型,并對傳輸能力進(jìn)行了討論研究。將現(xiàn)代化監(jiān)測控制技術(shù)應(yīng)用到乳化炸藥生產(chǎn)線中。開發(fā)了一套乳化炸藥生產(chǎn)線乳化器安全監(jiān)測診斷系統(tǒng),主要對能夠反映設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)關(guān)鍵特征的機(jī)械振動特性參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,并綜合利用狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷的各種分析手段,如各種頻譜分析、特征分析、均值統(tǒng)計、幄值概率分布、細(xì)化分析、倒頻分析、趨勢分析、AR/ARMA時域分析等,并結(jié)合生產(chǎn)線的工藝參數(shù)—溫度,全面、準(zhǔn)確地對機(jī)械設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和診斷。我國相繼研制出了一些乳化炸藥連續(xù)生產(chǎn)線乳化器的安全監(jiān)測和自動控制系統(tǒng)。從系統(tǒng)的組成和主要功能來看,以下兩個系統(tǒng)具有一定的代表性：

(1)由開灤化工公司研制的火工品安全生產(chǎn)監(jiān)測系統(tǒng)。其主要功能：藝流程畫面顯示和對應(yīng)乳化器的啟停狀態(tài)指示,溫度、壓力等工藝參數(shù)顯示;工藝參數(shù)的超限報警記錄;工藝參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)記錄;

(2)由長沙礦冶研究院研制的乳化炸藥連續(xù)乳化生產(chǎn)線計算機(jī)控制系統(tǒng)。其主要功能：

①對生產(chǎn)線的配料輸送、計量過程實行自動控制;

②在生產(chǎn)線乳化器的適當(dāng)位置安裝溫度變送器和壓力變送器,監(jiān)控這些地方的溫度和壓力;

③故障診斷功能。故障類型包括乳化器電機(jī)電流是否過大,三路配料的流量是否過大或過小、斷流,物料溫度是否過高,冷卻水是否斷流等。能針對故障進(jìn)行相應(yīng)的處理,如自動預(yù)警、自動全線停機(jī)、局部停機(jī)、聲光報警。

在乳化炸藥控制領(lǐng)域,闡述了在乳化炸藥自動連續(xù)生產(chǎn)過程中對溫度、流量、配料、產(chǎn)量等控制的手段和策略,提出了PI控制方法完成水相和油相的自動給定,通過先開環(huán)控制、后閉環(huán)比例積分調(diào)節(jié)的策略,系統(tǒng)啟動速度快、控制精度高,實現(xiàn)了我國第一條乳化炸藥生產(chǎn)線的自動控制,但是配比的控制仍然不夠穩(wěn)定。根據(jù)乳化炸藥乳化器安全監(jiān)測與智能控制的現(xiàn)狀及存在的問題,設(shè)計了一種基于 PLC的炸藥乳化器在線監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)。介紹了基于 PLC的炸藥乳化器在線監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)的工作原理及實現(xiàn)方式。應(yīng)用實例表明該系統(tǒng)運(yùn)行可靠,穩(wěn)定性高,抗干擾能力強(qiáng),易于對老的乳化炸藥生產(chǎn)線進(jìn)行升級改造,具有廣闊的應(yīng)用前景。將 PLC、智能控制儀表用于乳化炸藥的生產(chǎn)過程,系統(tǒng)能夠適應(yīng)乳化炸藥這種安全要求嚴(yán)、質(zhì)量要求高的工況環(huán)境,達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計目標(biāo),系統(tǒng)的控制效果能夠滿足工藝的要求。

在多分支管道傳輸方面,采用了專家系統(tǒng)和模糊控制的智能控制策略,并運(yùn)用了多分支管兩相流動實驗中積累的大量經(jīng)驗知識,研制了多分支管道中氣固兩相流流量的 DCS控制系統(tǒng),系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好和控制精度高的特點,并且對于輸送過程操作參數(shù)的變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性,實現(xiàn)了流量的在線自動控制。

三、乳化炸藥生產(chǎn)線乳化器溫度智能控制

1.系統(tǒng)控制思想

分析乳化器制藥工藝,乳化器溫度受到水相溫度,油相溫度,冷卻水溫度的影響。在生產(chǎn)過程中,因為乳化器的傳熱,乳化器溫度和水相溫度,油相溫度比較接近。有些企業(yè)采用冷凍機(jī)組對冷卻水降溫,通常情況采用調(diào)節(jié)水流量大小來降低乳化器溫度。

圖1 乳化器制藥工藝溫度控制圖

對于油、水相溫度的控制,主要是通過調(diào)節(jié)油、水罐內(nèi)蒸汽管道的閥門開度來實現(xiàn)。由于油、水相本身的特性限制,需要控制油、水相溫度保持在 90℃左右才能達(dá)到最佳的工藝效果。油、水罐蒸汽管道本身存在著非線性和時滯性,這就使溫度成為一個非線性時變參數(shù),加上工作環(huán)境的隨機(jī)性及其干擾的影響,難以用常規(guī)的數(shù)學(xué)工具建立精確的數(shù)學(xué)模型。對于冷卻水回水溫度的控制,主要是通過調(diào)節(jié)冷卻水管道的閥門開度來實現(xiàn)冷卻水的流量的控制。為了滿足乳化器溫度控制的要求,采用專家控制系統(tǒng),利用專家系統(tǒng)知識庫輸出來修正溫度參數(shù)以達(dá)到最佳控制效果。

2.控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

乳化炸藥生產(chǎn)線乳化器溫度控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 2所示：

圖 3-4中,e1表示油相溫度給定值與油相溫度實際值之間的偏差;u1表示專家控制器 1的輸出,即控制油相溫蒸汽閥門開度的輸入值。e2表示水相溫給定值與水相溫度實際值之間的偏差;u2表示專家控制器 2的輸出,即控制水相溫度蒸汽閥門開度的輸入值。e3表示回水溫度給定值與回水溫度實際值之間的偏差;u3表示專家控制器 3的輸出,即控制冷卻水電動閥門開度的輸入值。

圖 2 控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

四、專家控制器設(shè)計

1.專家控制器結(jié)構(gòu)

專家系統(tǒng)主要有五部分：知識庫,數(shù)據(jù)庫,推理機(jī),解釋部分和知識獲取部分。工業(yè)生產(chǎn)所遇到的被控對象千變?nèi)f化,其復(fù)雜程度也不相同。本系統(tǒng)的被控對象具有比較大的非線性、滯后性等特性,考慮到對其控制性能、可靠性、實時性的要求,將專家系統(tǒng)簡化,不設(shè)人機(jī)自然語言對話,將知識庫、規(guī)則集縮小,于是專家系統(tǒng)變?yōu)榱藢＜铱刂破鱗43-45],從而能使專家系統(tǒng)在控制器上實現(xiàn)。其結(jié)構(gòu)如圖 3所示,u為控制器輸出的控制量。

信息獲取與處理部分的作用是實現(xiàn)對信息的提取與加工,為控制決策提供依據(jù)。它主要包括抽取粉狀炸藥生產(chǎn)過程有用的生產(chǎn)條件及傳感器信息,識別系統(tǒng)的特征狀態(tài) (是否分析檢測數(shù)據(jù)已經(jīng)到達(dá)),并對抽取的特征信息作一些必要的加工處理。

圖3 專家控制器結(jié)構(gòu)圖

溫度控制知識庫 (Knowledge Base,KB)中存放了溫度控制領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗知識,流量控制知識庫中存放了針對油相流量控制的專家經(jīng)驗知識。本專家系統(tǒng)的知識獲取是由相關(guān)規(guī)程、書本、操作員經(jīng)驗、領(lǐng)域?qū)＜医?jīng)驗和現(xiàn)場記錄數(shù)據(jù)反復(fù)驗證得出的。

數(shù)據(jù)庫 (Data Base,DB)是專家系統(tǒng)中用于存放反映系統(tǒng)當(dāng)前狀態(tài)的事實數(shù)據(jù)的“場所”。其數(shù)據(jù)包括用戶輸入的事實、已知的事實以及推理過程中得到的中間結(jié)果等。

推理機(jī)構(gòu)是根據(jù)一定的推理策略從知識庫中選擇有關(guān)知識,對用戶提供的證據(jù)進(jìn)行推理,從而得出相應(yīng)的控制結(jié)論,本系統(tǒng)采用的是正向推理[46,47]與深度優(yōu)先的方法進(jìn)行搜索。

本系統(tǒng)采用正向推理方法,推理算法如圖 4所示。推理過程是首先從流量控制知識庫 (或溫度控制知識庫)KB中取出第一條規(guī)則的前提部分,然后判斷該前提部分是否在數(shù)據(jù)庫DB中;如在 DB中,就取該規(guī)則的結(jié)論部分,接著判斷此結(jié)論是否在DB中。如不在就加入到DB中,如已在DB中就判斷下一條規(guī)則。如此循環(huán),自動地逐條掃描知識庫中的規(guī)則,直至掃描完

圖 4 正向推理流程圖

五、控制軟件平臺的組成

控制軟件采用組態(tài)軟件“組態(tài)王”6.5版,“組態(tài)王”是建立工業(yè)控制對象人機(jī)接口的一種智能軟件包,“組態(tài)王”軟件實現(xiàn)系統(tǒng)化管理,在“組態(tài)王”窗口畫面開發(fā)系統(tǒng)中,我們設(shè)計了多幅窗口,主要包括：初始窗口,工藝流程顯示窗口、各種參數(shù)設(shè)置窗口,工作方式選擇窗口和各種歷史趨勢曲線窗口及報表窗口。工作人員通過這些窗口不僅可隨時監(jiān)視各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)的運(yùn)行狀況,而且也可隨時根據(jù)生產(chǎn)產(chǎn)品的改變而直接對各種工藝參數(shù)進(jìn)行修改,不同級別的人員有不同等級的修改權(quán)限,實現(xiàn)了生產(chǎn)管理的高度集約化。具體的功能如下：

圖 5 系統(tǒng)監(jiān)控主界面

六、工業(yè)應(yīng)用效果及分析

在企業(yè)生產(chǎn)過程中我們對乳化器溫度控制從而轉(zhuǎn)化成對水相溫度,油相溫度和調(diào)節(jié)冷卻水流量來實現(xiàn)。一是按照配方工藝的要求保證水相溫度控制在一定的范圍,采用水相溫度專家控制系統(tǒng),保持一個合適的水相特性;二是采用油相溫度專家控制,保證乳化器保持一個合適的溫度范圍;三是采用冷卻水回水溫度專家控制,將冷卻水的流量控制在一定的范圍;從而使整個乳化器保持一個合適的溫度特性,保證乳化器的安全運(yùn)行。乳化器溫度專家控制系統(tǒng)具有調(diào)節(jié)時間短、超調(diào)小、控制精度高的優(yōu)點,利用專家系統(tǒng)知識庫輸出來修正溫度參數(shù),滿足了工藝的要求,達(dá)到最佳控制效果。具體控制曲線如圖 6所示。

圖6 油相流量運(yùn)行曲線

七、結(jié)束語

從現(xiàn)場的運(yùn)行效果來看,該乳化炸藥乳化器溫度控制系統(tǒng)達(dá)到了生產(chǎn)工藝的要求,保證了乳化器的安全運(yùn)行,實現(xiàn)了乳化炸藥生產(chǎn)過程的自動控制。該控制算法具有簡單、易行、可靠及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點,在控制對象數(shù)學(xué)模型難以確定的情況下,乳化器溫度智能控制得到了令人滿意的效果。

[1]汪旭光.乳化炸藥[M].北京：冶金工業(yè)出版社,1993.1～16.

[2]呂春緒.工業(yè)炸藥理論[M].北京：兵器工業(yè)出版社,2003.280～304.

[3]蔡自興.智能控制基礎(chǔ)與應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社, 1998.66～94.

[4]賀建軍,喻壽益,桂衛(wèi)華.基于微機(jī)監(jiān)控的乳化炸藥全自動連續(xù)生產(chǎn)線[J].中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報,1999,30：422～425.

[5]陽春華,桂衛(wèi)華.鋅電解過程實時專家控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].計算機(jī)應(yīng)用,1999,19(4)：37～39.

Emulsified Explosive Emulsifier Temperature Cortrol

PENGWen,WANG Sui-pin
(Centrol-South University,Changsha 410012,Hunan)

In this paper,in-depth analysis of emulsion explosive production process on the basis of the emulsion explosive production process to consider the non-linear,large inertia,large time delay characteristicsof expert control strategy used to achieve emulsification temperature of intelligent control.Industrial explosives in order to achieve continuous production automation technology,to enhance the national explosion ofmy industry’s international status.

emulsified explosive;emulsifier;temperature control;expert system

TK91

A

1671-5004(2010)02-0015-03

2009-11-28

王隨平 (1956-)男,河南焦作人,中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院研究員,研究方向：深海機(jī)器人控制系統(tǒng)。彭 雯 (1976-),女,湖南長沙人,湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師,研究方向：自動控制理論工程。