起爆药连续化合自动控制系统研究

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Research of the Primary Explosive Continuous Synthesis Automatic Control SystemFENG Bo，ZHANG Jian-hao，CHEN Min-hui，CHEN Xiao-song，ZHEN Ting-jun(The 213th Research Institute of China Ordnance，Xian Shanxi 710061，China)Abstract：Aiming at the safety and quality coherence problem in primary explosive production，the primary explosive continu-OUS synthesis automatic control system is designed based on S7-300PLC in this paper.Simuhaneously combining with industry- controlled configuration software WinCC，upper computer monitor system is developed and MPI data communication is estab-lished between upper computer and PLC，its process monitor is also achieved.The redundant design is the key point in thewhole system.The practical operation indicates that the system is safe and reliable.and ann improve the automatic level of theproduction line。

Key words：primary explosive；S7-300PLC；upper computer；WinCC；redundancyl 前 言因起爆药的特殊性能，它在国防军事中有着不可替代的作用，在航天、航空、兵器等许多方面应用广泛。随着我国军事现代化的快速发展 ，高性能武器装备的不断研制，对于高质量起爆药的需求也 日益增涨。但在起爆药生产中-直存在两个关键问题 ：安全和质量-致性。因起爆药的本身性质，决定其在生产中存在高危性，传统间歇生产方式也影响起爆药的质量-致性。为解决起爆药生产中的两个关键问题，实现高效、安全的自动化生产，起爆药采用程序控制连续化生产，边加料边出料，这样不仅可使粒度控制均匀且得率也高，提高产品质量的同时又确保生产安全 。

2 起爆药连续化合总体结构及工艺流程起爆药连续化合过程见图 1，操作人员预先配置好的原料分别放置在 2个原料桶里，通过 2台计量泵，按设定的速度加入到反应釜内，在-定的温度、搅拌速度下进行化学反应，反应生成起爆药。在初始工位上放置空药盒，工作转台每次转动 90。，依次完成出料、水洗、酒精脱水，反应过程的母液通过真空泵抽入废液槽。

图1 起爆药连续化合系统设备结构示意图收稿日期：2013-02-05作者简介：冯 勃(1981-)，男，陕西西安人，在读硕士，研究方向：机电控制系统。

· 151·检测与控制 2013年第2期(第26卷，总第124期)·机械研究与应用 ·3 控制系统硬件构成为实现起爆药的程序控制连续化生产，并保证可靠性，控制系统分为现扯与远程级。选择 PLC作为下位控制器，工控机作为 PLC的上位机，工控机上运行 Windows XP操作系统和组态软件 WinCC，上位机通过 CP5611通讯卡按 MPI方式与下位机通讯，以图形和表格形式显示系统运行状态，发出控制命令并完成报警、归档和报表打印等消息处理。下位机采用西门子 s7-300 PLC可编程控制器，PLC向上位机传递设备的实时状态，接受并执行上位机的实时控制指令 J。现场的输入、输出信号经过隔离栅与 PLC的输入、输出拈连接，隔离栅可以保护 PLC拈，同时使控制柜内、外自成系统，便于维护。为确保系统的安全，PLC运行控制时完全独立于上位机，即使上位机出现故障或者关机的情况下，PLC也能独立通过控制继电器、接触器等电气元件实现对计量泵、工作转台、出料阀等现场设备的控制 ，如图2所示。

现扯图2 控制系统硬件结构图4 系统软件设计4.1 PLC程序的设计起爆药连续化合控制系统 PLC程序设计采用顺序功能设计法，该法则用输入量 I控制代表各步的编程元件 (例如存储器位 M)，再用它们控制输 出量Q J。顺序功能设计法简单、规范、通用，程序结构清晰，易于调试修改，编程软件采用西门子公司 STEP7V5.4，使用梯形图语言编写。

4.1.1 顺序功能法设计 PLC控制程序图3为起爆药连续化合 自动控制系统的顺序功能图，在起始步 M0.0完成系统运行的初始化，满足初始条件后，点击控制面板上的启动按钮，在工作模式下选择自动，系统开始运行。在步 M0.1后是 1个并行序列的分支，3个分支实现不同的功能，第 1个分支完成出料，第 2个分支完成水洗，第 3个分支完成酒精脱水。在 3个选择分支功能序列最后是 1个合并步，当3个步 M0.8、M1.3、M2.6同时为活动步时，系统进行转换，进入废液抽滤序列。在步 M3.3之后有 1个选择分支，当按住双手开关时，系统完成· 1 52 ·了-个完整的循环，进入下-次循环。当生产任务完成后，按下停止按钮，系统回到初始步，如果按下启动，并选择自动模式，系统开始重新运行。

图3 控制系统顺序功能图4.1.2 程序的结构及调用PLC程序结构如图4所示，包括初始化程序拈OB100、公用拈 FC1、手动拈 FC2、自动拈 FC3、模拟量拈 FC4、报警拈 FC5。PLC的软件结构如图4所示，初始化拈 OB100在 PLC系统启动时只被调用-次，将整个系统进行初始化，循环组织拈OB1实现系统的总体架构，提供系统功能实现的框架和基础，以循环扫描方式调用其它功能块或系统块。

当选择 M(手动模式)，OB1调用拈 FC2实现系统的手动运行，当选择 A(自动模式)，OB1调用拈FC3实现系统的自动运行，模拟量拈 FC4的主要作用是将0～27 648的数字量转化为实际的工程量，以便送上位机显示。FC5为报警拈，在系统出现故障或者运行参数超出-定范围时，发出报警信息，提示操作员作相应处理。循环中断组织块 OB35用来实现对特殊内部事件或外部事件的快速响应。

4.2 上位机软件的设计由于本系统的自动化程度较高，设备运行过程中各个执行机构的动作比较复杂，传统的操作人员通过· 机械研究与应用 ·2013年第2期(第26卷，总第124期) 检测与控制现场观察窗，对设备进行监控，不仅难以全面掌握设备的实时运行状态，而且由于起爆药的高危险性，也对操作人员存在-定的安全隐患，所以设计-个远程的设备实时工艺流程监控系统尤为必要。

初始化至oB1I环中断竺 r图4 PLC软件结构图公用手动自动横拟量报警本实时工艺流程监控系统采用 WinCC V6.0编写，系统开机后 ，上位机的启动监视界面及为起爆药连续化合监控主界面，如图5所示。该界面提供起爆药连续化合过程的主要参数的监视与动态的模拟，包括反应釜的化合温度、搅拌速度、液位高度，及出料次数，水洗次数，酒精脱水次数。

监控画面分为四个区域：左上角为指示灯区，显示系统的运行状态，绿色为运行 ，红色为停止。中间部分为主画面区，采用抽象的手法，对整个化合系统进行模拟。系统管路上的阀门以及计量泵、废水搅拌器、真空泵变成绿色时表示运行，红色为停止。主画面下边是系统的文字报警栏，当系统不满足初始条件或在运行中出现故障时，会进行文字报警提示。画面的底端为按钮区，实现不同监视界面与功能的切换，主要包括参数设置、报警管理、趋势显示、报表输出及系统退出。

--I 系统首页 -参数管理报警管瓒趋势箍蠢洇 报表输出l退出系统I图5 上位监控主界面图5 系统冗余设计因起爆药的高危险性，控制系统的可靠性直接影响整个起爆药连续化合生产中的安全，所以对整个系统进行冗余设计，提高起爆药连续化合生产的安全生。

5.1 软件冗余设计软件设计了手动程序、初始化程序、报警程序等，如在系统运行到某-工艺点，控制系统发出执行某-动作指令，在规定时间内该动作没有完成，则信息会反馈给控制系统，控制系统将按照预设定程序进行处理，例如报警、停机，同时在控制系统人机界面上显示该故障点及原因。

5.2 电源及气动设备的冗余设计电网的供电有时可能出现电压持续过高、电压持续过低、电压瞬间过高、电压瞬间过低、雷击、突破、杂讯干扰等情况，且有时出现故障而突然断电，前者可导致系统等无法正常工作，后者可造成起爆药连续化合设备停车及误动作，甚至引发危险 j。为避免此类情况发生，系统所用交流电源采用无扰切换，交流切换装置是当起爆药连续化合控制系统中的-路AC220 V失电时，能立即无扰动的自动切换到另-路供电∝制系统的供电采用 UPS系统，输入、输出24V电源均采用冗余电源。系统中用到的阀较多，现场所有的阀均采用气动阀，通过电磁阀控制气路，完成气动阀的控制，反应釜的搅拌采用气动马达。系统的供气方式采用远程-现场供气，当远程气路突然中断时，现场储气罐为气动设备提供足够的压力，保证了系统的正常工作，提高了系统运行的可靠性。

6 结 语起爆药连续化合控制系统实现了药剂的连续化(下转第156页)· 1 53 ·检测与控制 2013年第2期(第26卷，总第124期)·机械研究与应用 ·5 系统整体组装整个系统设计的制冷摄像机的结构如 4所示。

制冷腔体主要包括光学窗口、密封腔和散热管等。制冷腔由铝合金材料制成，将密封腔与摄像机壳体-体化后，可提高密封腔的气密性。制冷腔壳体内插有若干热管，可将密封腔的制冷片热端的热量迅速导出壳体外壁，通过壳体壁将热量辐射到周围空气中。在该设计中，还可根据实际需求在壳体外部安装风扇来加速散热和提高散热效率。

--图4 制冷相机系统设计6 实验结果分析本次实验用 PID算法来控制制冷片对 EMBCCD芯片制冷，使制冷温度达到-10℃左右，误差±0.5℃。其 PID参数微调过程是-个相对困难的部分。

在反复调试直到得到较理想数据的过程中，经验总结如表 1所列。另外，从实验现象上来看，程序能通过PID算法调节 PWM输出波形，使其控制制冷片的功率，进而使系统达到精度范围内，并且能够得到较好地温度曲线，如图5所示。

图5 稳定低温曲线表 1 调试经验总结7 结 语针对EMBCCD需要较低的稳定的温度环境进行工作的问题，提出了运用 PID算法控制的设计。深入阐述PID原理的基础上，采用增量式控制算法。通过对PID参数作用的理解及多次调试实验，得到了-些可取的规律～重要器件组装在制冷腔内，已初步完成了温控系统设计。该系统结构简单 ，具有较高的灵活性。