乳化炸药生产线智能故障诊断系统的研究.pdf

爆破器材E x p l o e i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第3 期 乳化炸药生产线智能故障诊断系统的研究’ 王越胜吕德衍彭建飞 杭州电子科技大学自动化研究所 浙江杭州，3 1 0 0 1 8 [ 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 Ⅱ，c 、P I ．／3 和智能调节器相结合的智能故障诊断系统，在V C4 - 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耽眦 [ 分类号] T D 2 3 5 ．2 1 1 引言 乳化炸药是2 0 世纪7 0 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【1 ．2 J 。 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I 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 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 l 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。 图2 敏化工艺流程图 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 同，开通阀门，将配制好的水相和油相分别过滤后混 与化学发泡系统的组合实现物理化学复合敏化，这 水相广■1 一一．广1 - 溶化 H 盔堡卜岖D 刊蕉 附乳 罐 化 - 瀛。L 厩h 咽- 匦扣网，枷 器 图I 乳化工艺流程图 收稿日期2 0 0 9 - 0 1 ．1 5 作者简介王越胜 1 9 6 4 一 ，男，教授级高级工程师，主要从事生产过程控制、集散控制和自动化装置等研究。E - r ．．i l 眄8 h d l l ．e d u ．c n 通讯联系人吕德衍 1 9 8 4 一 ，男，在读硕士，主要从事生产过程综合自动化方面的研究，E ．m a i l l v d e y e n 0 2 1 6 3 ．Ⅲ 万方数据 2 0 0 9 年6 月乳化炸药生产线智能故障诊断系统的研究王越胜等 5 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M l 、油相熔化罐电机M 2 、水相溶化罐A 电机 M 3 、水相溶化罐B 电机M 4 、油相储罐电机M 5 、水相 储罐电机M 6 、油相泵M 7 、水相泵M 8 、粗乳器M 9 、精 乳器M I O 、布料器M 1 l 、钢带输送电机M 1 2 、珍珠岩 输送电机M 1 3 、连续混拌机M 1 4 、热水泵M 1 5 、冷水 泵M 1 6 、螺旋分料电机M 1 7 、催化剂泵M 1 8 和敏化 剂泵M 1 9 。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H 】， 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H J 。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。 表1 乳化炸药生产线工艺参数故障点 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 I P C 和可编程控制器 P L C 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。 图3 智能诊断系统的硬件结构 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 万方数据 6 爆破器材E x p l o s i v eM a t e r i a l s 第3 8 卷第3 期 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。 系统管l 理挖制l 工 推理机 ] ● 4 N 刿符号 运算l 辑推 _ } 一 ．．．．．．．．．．I [ ．．一 解释机制 用户习尘 堡 I 图4 智能诊断系统的软件结构 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V C 6 ．o x 寸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 图5 乳化炸药生产线智能故障诊断系统仿真平台 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1 0 0 r a m ，线速度 1 5 m ／s ，电机功率5 ．5 k W ，额定电流1 5 A ，其仿真测 试流程如图6 所示。 嘲蠢童重} _ 嘟妻塞鋈l 1 ．．厄蕊翮] 图6 仿真测试流程图 第一步登录进入系统并设置各个工艺参数。 如图7 所示。 图7 智能故障诊断系统状态监测界面 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。 麟 知识庠 万方数据 2 0 0 9 年6 月乳化炸药生产线智能故障诊断系统的研究王越胜等 7 图8 用户响应窗口界面示例 图9 精乳器故障诊断界面 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 口c 、P L C 和智能调节器相结 合的智能故障诊断系统，充分利用I P C 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V C 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 [ I ] 乳化炸药生产技术考察组．我国乳化炸药现状与发展 建议[ A ] ．全国乳化炸药生产技术交流研讨会资料汇 编[ C ] ．北京中国爆破器材行业协会，1 9 9 9 ．2 - 7 ． [ 2 ] 杨桐．从乳化炸药六起事故中吸取教训[ J ] ．爆破器 材，1 9 9 5 ，2 4 4 2 3 2 6 ． [ 3 ] 裴海兴．乳化设备的安全设计[ J ] ．矿业快报，2 0 0 7 ， 4 6 4 1 2 7 2 - 7 3 ． [ 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[ J ] ．爆破器材，2 0 0 7 ，3 6 3 3 1 3 3 ． R e s e a r c ho nI n t e l l i g e n tF a u l tD i a g n o s i sS y s t e mf o rE m u l s i o nE x p l o s i v eP r o d u c t i o nL i n e W A N GY u e s h e n g ，L DD e - y a n ，P E N GJ i a n f e i A c a d e m yo fA u t o m a t i z a t i o n ，H t H I g z h O UD i a n z iU n i v e r s i t y Z h e j i n a gH a n g z h o u ，3 1 0 0 1 8 [ A B 鲫R A c r ]n ep r o c e s sf l o w0 fe m u l s i o ne x p l o s i v ep r o d u c t i o ni l n eW B 8 删J y z e di n t h i sp a p e r ，a n dt h ee x i s t i n gf a u l t p o i n t sa n dt h e i rd a m a g eo ft h ep r o d u c t i o np r o c e s sw e r ep o i n t e d ．A c e o n t i n gt ot h eh a r d w a r e 矗 a l u ei n v o l v i n gi n d u s t r i a lp e r - s o n a lc o m p u t e r 矾 ，妒咿锄珊a b l el o g i cc o m p u t e r P L C a n di n t e l l i g e n ta d j u s t e r ，t h ei n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i ss y s t e m ，W a Sd e s i g n e da n dt e s t e du n d e rt h eV C 6 ．O ．1 1 1 er e s u l ts h o w st h a tt h i ss y 8 t e mc s nm a k ee x a c tf a u l to r i e n t a t i o na n do f f e r av a l i dI ℃f e n m o et ot h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no fs a f e t ym o n i t o r i n ga n df a u l td i a g n o s i sf o re m u l s i o ne x p l o s i v ep r o d u c t i o n l l n e ． 【旺YW o R D s ] e m u l s i o ne x p l o s i v e ，i n t e l l i g e n tf a u l td i a g n o s i s ，砌∞t r i a lp e r s o n a lc o m p u t e r I P C ，p r o g r a m m a b l el o g i c c o m p u t e r P L C 上接第3 页 R e s e a r c ho nt h eT h e r m a lD e c o m p o s i t i o nK i n e t i c so fP o w d e r yE m u l s i o nE x p l o s i v e M AP i I l g ，L IG u o z h o n g B e i j i I l gG e n e r a lR e s e a r c hI n s t i t u t eo fM i n i n ga n dM e t a l l u r g y r c l j i n s ，1 0 0 0 4 4 [ A B S T R A C T ] 1 1 l et h e r m Md e c o m p o s i t i o np r o c e s sa n dt h en o n i s o t h e r m a lt e c h n i q u ek i n e t i co ft h ep o w d e r ye m u l s i o n 嘶 p l o s i v e P E E a ∞s t u d i e db yT G ．T h et h e r m a ld e c o m l m s i t i o nk i n e t i cp 丑呲t e ra n dt h em e c h a n i s mf u n c t i o no ft h eP E E 峨 o b t a i n e db yO z a w a ’Sm e t h o da n dt h ei n t e g r a li s o e o n v e r s i o n a ln o n - l l u e a rm e t h o d ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ei n i t i a lt e m p e r a - t l l 陀o ft h e r m a ld e c o m p o s i t i o no ft h eP E Ei sal i t t l eh ／g h e rt h a nt h a to fe m u l s i o ne x p l o s i v em a t r i xa n dt h ea e t i v a r i o ne n e r g yo f t h eP E Ei s9 7k J ／t 0 0 1 ．I ti sb e l i 朗, o dt h a tt h eF E Eh a se x c e l l e n tt h e r m a ls t a b i l i t yp e r f o r m a n c e ．n er e s u l ta l s os h e w st h a t t h et h e r m a ld e c o m p o s i t i o nm e c h a n i s m t h eP E Ei sc h s s i 6 e da sr a n d o mn u c l e a t i o na n dg r o w t h ．n et h e r m a ld e c o m p o s i t i o n k i n e t i ce q u a t i o ni sd o ／ 1 1 0 m 1 一a e x p 一1 ．2 1 0 4 ／r ． [ K E YW O R D S ] p o w d e r y e m u l s i o ne x p l o s i v e P E E ，t h e r m a ld e c o m p o s i f i o n l ，d e c o m p o s i t i o nk i n e t i c ，l 屯l l c t i o nm e c h s - n i s m 万方数据