彭延書

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

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全自動無人值守原料采集取樣系統(tǒng)工藝淺析與功能實(shí)現(xiàn)

彭延書1，2

(1.太原理工大學(xué)信息工程學(xué)院，山西 太原 030024；2.中國煤炭科工集團(tuán)太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

通過對傳統(tǒng)的原料采集取樣系統(tǒng)進(jìn)行全面系統(tǒng)分析，提出了一種基于PLC的全自動無人值守原料采集取樣系統(tǒng)方案。通過采集現(xiàn)場設(shè)備狀態(tài)信息，根據(jù)采集取樣工藝編制相關(guān)程序，在上位機(jī)采用圖形界面方式控制各類設(shè)備運(yùn)行。經(jīng)過多次實(shí)踐，系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

無人值守；PLC；采集取樣；工藝淺析

近年來，煤焦行業(yè)發(fā)展速度減緩，大量產(chǎn)能過剩。結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)手段，采取多種策略和舉措，提高管理水平，實(shí)現(xiàn)管理標(biāo)準(zhǔn)化、運(yùn)作可靠化、信息自動化、監(jiān)控全程化總體目標(biāo)，是煤焦行業(yè)必須完成的技術(shù)革新。

在煤焦行業(yè)中，原料成本占到生產(chǎn)總成本的70%～80%。原料采集取樣是入廠的第一道流程，目的是得到代表原料平均質(zhì)量的真實(shí)樣品，然后加以分析，以確定原料的各種特性，如發(fā)熱量、灰分、硫分、水分等。各種原料一般是由不同形狀，不同粒度的顆粒組成，這些顆?？赡芫哂胁煌奈锢硖匦?、化學(xué)特性和殘余灰分含量。因此，采集真實(shí)的代表試樣有著重要意義。

目前入廠原料仍采用傳統(tǒng)的人工采集取樣方法，勞動強(qiáng)度大，既浪費(fèi)時間，樣品的代表性又差，人為因素影響大，質(zhì)量情況難以及時、準(zhǔn)確地掌握，弄虛作假情況屢有發(fā)生，產(chǎn)品質(zhì)量無法得到有效保證。本文設(shè)計(jì)的全自動無人值守采集取樣系統(tǒng)有效改進(jìn)了傳統(tǒng)采集取樣方式，排除人為因素影響，提高采集取樣過程的透明度和真實(shí)性，降低工人的勞動強(qiáng)度，有效的控制運(yùn)行成本，減少資源浪費(fèi)，提高工作效率。

整個無人值守采集取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要采用自動化、電子射頻信息等技術(shù)，系統(tǒng)功能及各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)符合用戶要求，同時滿足國家有關(guān)安全、環(huán)保等強(qiáng)制性法規(guī)、標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1　系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)由螺旋取樣裝置、自動定位系統(tǒng)、自動制樣系統(tǒng)、PLC系統(tǒng)、工業(yè)計(jì)算機(jī)及上位機(jī)軟件組成。該系統(tǒng)具有高度自動化，能夠完成從車輛位置確定、取樣點(diǎn)隨機(jī)選取、樣本自動采集、樣品自動縮分、集樣和棄料收集的全套過程，保證了取制樣設(shè)備工作的可靠性及準(zhǔn)確性。

該系統(tǒng)采用自動采集取樣系統(tǒng)和行車控制系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)，橫向、縱向能夠?qū)崿F(xiàn)任意方向行走，采集取樣頭能深入到汽車車廂內(nèi)任意點(diǎn)的位置，實(shí)現(xiàn)全段面采集取樣。采集取樣頭采到的原料樣品經(jīng)皮帶輸送機(jī)送入破碎機(jī)中，破碎后的樣品經(jīng)過縮分器后，留樣直接進(jìn)入樣桶，而棄樣經(jīng)過皮帶輸送機(jī)送到制樣間外部收集。

行車系統(tǒng)由大車行走系統(tǒng)和小車行走系統(tǒng)組成。采制樣系統(tǒng)由螺旋采集取樣器、初級給料機(jī)、破碎機(jī)、二級給料機(jī)、縮分器、自動集樣器、返排裝置組成。其中螺旋采集取樣系統(tǒng)機(jī)構(gòu)安裝于小車行走系統(tǒng)上，小車可在車廂橫向方向定位采集取樣頭。大車行走系統(tǒng)可帶動小車沿導(dǎo)軌方向移動。PLC控制柜、工控機(jī)布置在控制室內(nèi)，變頻器等低壓電器布置在大車上的控制柜中。

采集取樣裝置能快速、可靠、安全地對汽車進(jìn)行采制樣品作業(yè)。采集取樣點(diǎn)每車車廂從汽車頂部沿車廂對角線三點(diǎn)或五點(diǎn)自動采集取樣或由電腦自動控制隨意選點(diǎn)采集取樣進(jìn)行設(shè)計(jì)。采集取樣設(shè)備所使用的電氣元件均采用進(jìn)口產(chǎn)品。采集取樣裝置的運(yùn)行不受濕料的影響(含水量≤20%)，正常運(yùn)行過程中，無堵料現(xiàn)象。采集取樣裝置全密封設(shè)計(jì)，無物料損失和水分損失，各項(xiàng)指標(biāo)符合國家行業(yè)規(guī)范[1]。

2　工藝淺析

本系統(tǒng)按照樣品的處理順序主要分為三大部分：采集取樣部分、制樣部分、余料處理部分。

其工作流程為：車輛自動定位—隨機(jī)選擇取樣點(diǎn)—自動采集取樣—自動縮分—破碎—自動集樣—棄料收集。

當(dāng)大小車行走機(jī)構(gòu)進(jìn)入預(yù)定地點(diǎn)，采集取樣系統(tǒng)后級設(shè)備自動啟動運(yùn)行，采集取樣頭開始對預(yù)先設(shè)定的采集取樣點(diǎn)進(jìn)行定點(diǎn)，螺旋采集取樣頭進(jìn)入車廂采集取樣，此時料斗門打開，螺旋采集取樣頭鉆入原料車廂的同時對大塊進(jìn)行初級破碎，樣品被提升并在螺旋采集取樣頭上部進(jìn)行初級縮分，樣品進(jìn)入料斗之后，料斗門關(guān)閉存儲樣品，螺旋采集取樣頭繼續(xù)正轉(zhuǎn)，將螺旋采集取樣頭提起，然后小車行走機(jī)構(gòu)移動到卸料口，打開料斗門，樣品被卸到接料斗中，并經(jīng)初級給料機(jī)送到制樣系統(tǒng)[2]。

樣品經(jīng)初級給料機(jī)、布料器、除鐵器，均勻緩慢的送入環(huán)錘破碎機(jī)，自動破碎，破碎后≤6 mm的樣品進(jìn)入二級給料機(jī)，電動刮板式縮分器進(jìn)行二次縮分。二次縮分后的樣品進(jìn)入集樣器樣品桶，完成樣品的制作。二次縮分后的余料由棄料斗提起，送入棄料倉。

縮分皮帶機(jī)、樣品集樣器、縮分器、二級給料機(jī)、環(huán)錘式破碎機(jī)、對輥破碎機(jī)、初級給料機(jī)等都具有故障檢測功能，能夠自動識別設(shè)備動作故障點(diǎn)，一旦有故障則發(fā)出故障信號，同時停止故障設(shè)備以及上游設(shè)備的運(yùn)行。

3　功能實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動控制，同時可與其它系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一調(diào)度[3]。

1) 本系統(tǒng)具有自我診斷功能，具有故障報(bào)警、故障類型和故障點(diǎn)提示，方便運(yùn)維人員檢修。

2) 可根據(jù)車輛型號、車牌號、每車的取樣點(diǎn)數(shù)、選點(diǎn)方式進(jìn)行自動采集取樣。

3) 采集取樣操作完成后，數(shù)據(jù)自動存儲。可選擇自動或手動打印操作信息和報(bào)表，信息通過局域網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。

4) 采集取樣區(qū)域?qū)崿F(xiàn)無死角立體監(jiān)控，利用多臺攝像機(jī)監(jiān)控采集取樣設(shè)備運(yùn)行情況。

5) 整個采集取樣系統(tǒng)密封性好，保密性強(qiáng)、性能可靠，且檢修方便。

6) 采集取樣裝置具備在出現(xiàn)故障時能手動提升采集取樣頭的機(jī)構(gòu)，采集取樣小車具備手動移至安全位置的機(jī)構(gòu)，不影響運(yùn)輸作業(yè)的正常進(jìn)行。

7) 全自動機(jī)械取樣設(shè)備為橋式，能夠采到汽車車廂內(nèi)任意點(diǎn)的位置，大車走行機(jī)構(gòu)、小車走行機(jī)構(gòu)、螺旋取樣機(jī)構(gòu)的配合動作，可以實(shí)現(xiàn)任何一點(diǎn)的全斷面采集取樣標(biāo)準(zhǔn)。

8) 采集取樣主控系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)、PLC系統(tǒng)控制，變頻調(diào)速組成。電氣元器件采用進(jìn)口產(chǎn)品，整套設(shè)備技術(shù)先進(jìn)，可靠性高，性能優(yōu)良，高度自動化，可實(shí)現(xiàn)自動/半自動/手動控制切換。并留有通訊接口，能夠自動打印各種信息數(shù)據(jù)。

9) 采集取樣頭能夠?qū)崿F(xiàn)自動全斷面采集取樣，設(shè)有機(jī)械和電氣自動保護(hù)裝置，采集取樣頭采到車廂底部，采集取樣頭可以自動返回，保證采集取樣頭及車輛的安全正常運(yùn)行。

10) 制樣縮分系統(tǒng)采用皮帶輸送機(jī)、布料器和刮板縮分器，出料均勻，縮分比可自動控制靈活調(diào)節(jié)，集樣器系統(tǒng)能將樣品自動裝罐。

11) 車輛指揮系統(tǒng)由擴(kuò)音機(jī)系統(tǒng)、擋車器、警示燈系統(tǒng)組成，可使采集取樣設(shè)備及運(yùn)輸車輛安全可靠運(yùn)行。

4　自動控制部分架構(gòu)

全自動無人值守原料采集取樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本著效率高，功能全的原則進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、合理配置，并根據(jù)實(shí)際情況與當(dāng)今自動化控制技術(shù)發(fā)展的要求，在充分征求現(xiàn)場生產(chǎn)管理人員、工程技術(shù)人員、操作員的意見后提出如下設(shè)計(jì)方案[4]：

1) PLC系統(tǒng)設(shè)計(jì)：系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)全自動功能，系統(tǒng)嚴(yán)格按照工藝流程設(shè)計(jì)。PLC控制柜放置于中控室內(nèi)，PLC采用德國西門子S7-300系列，柜內(nèi)關(guān)鍵電氣元件采用施耐德品牌，變頻器采用ABB品牌。

2) 上位機(jī)設(shè)計(jì)：上位機(jī)編程采用西門子WINCC 7.0，系統(tǒng)工作狀態(tài)可由上位機(jī)通過組態(tài)畫面進(jìn)行顯示，也可通過控制室儀表盤上的指示燈進(jìn)行顯示，并且能對系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集、設(shè)定采集取樣方案、歷史記錄存檔、報(bào)表和打印。

3) 通訊系統(tǒng)：PLC和上位機(jī)之間通過以太網(wǎng)通訊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)監(jiān)控。同時，可作為公司管理信息系統(tǒng)的一個子網(wǎng)，通過交換機(jī)與整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)互連，共享信息資源。

4) 控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：2臺上位工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(含23.5寸液晶顯示器)、激光打印機(jī)、操作臺、PLC控制柜、就地檢修操作箱等。電氣系統(tǒng)采用自動化控制，具有異常報(bào)警功能，以“PC+上位機(jī)控制軟件”為基礎(chǔ)，以計(jì)算機(jī)作上位機(jī)，PLC作下位機(jī)，它們之間相互通信。計(jì)算機(jī)接收并顯示工作流程及工況信息，PLC控制設(shè)備動作。

5) 電氣控制系統(tǒng)是以PLC可編程邏輯控制器為核心構(gòu)成的自動控制系統(tǒng)。可以執(zhí)行上位機(jī)發(fā)出的指令，也可以獨(dú)立完成自動采集取樣過程。系統(tǒng)設(shè)有自動/手動轉(zhuǎn)換開關(guān)，在手動狀態(tài)下，可人工啟動系統(tǒng)的各設(shè)備，并可通過就地控制箱，實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)場電機(jī)的就地啟動維護(hù)控制；在自動狀態(tài)下，系統(tǒng)由PLC內(nèi)部程序控制，設(shè)備的依照預(yù)先設(shè)定的連鎖關(guān)系運(yùn)行，一旦出現(xiàn)故障，故障設(shè)備所有的上級設(shè)備立即停止運(yùn)行。而且下級的所有設(shè)備繼續(xù)運(yùn)行。

6) 系統(tǒng)設(shè)有邊界保護(hù)、過載保護(hù)、過流保護(hù)、斷相保護(hù)、受阻保護(hù)、接地保護(hù)等完善的電氣保護(hù)措施，整個系統(tǒng)工作流程在上位機(jī)界面上信息提示、現(xiàn)場操作柜上指示燈指示。

7) 系統(tǒng)啟動后即自動按PLC程序運(yùn)行，采集取樣系統(tǒng)按從后到前的順序自行啟動：二級皮帶機(jī)→環(huán)錘破碎機(jī)→初級皮帶機(jī)→螺旋采集取樣頭；采集取樣系統(tǒng)停止時，順序與啟動順序相反。

5　結(jié)論

全自動無人值守原料采集取樣系統(tǒng)經(jīng)過在多個工廠的實(shí)踐，不斷改進(jìn)和完善。本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1) 全自動采集取樣、制樣、集樣、棄樣，保證采集取樣樣品的真實(shí)性。

2) 計(jì)算機(jī)隨機(jī)選擇采集取樣點(diǎn)，采集取樣點(diǎn)車車不同，保證了樣品的代表性、公正性。

3) 樣品自動縮分、集樣、裝罐。

4) 操作信息自動存儲，自動打印。

5) 具有自診斷，故障報(bào)警提示功能

6) 計(jì)算機(jī)現(xiàn)場動態(tài)監(jiān)控，中文操作界面，操作簡單。

7) 操作方式多樣，可分為全自動、半自動、手工工作方式。

本系統(tǒng)從原料入場源頭杜絕了人為因素帶來的干擾，為廠方帶來了十分可觀的經(jīng)濟(jì)效益，深受用戶的好評。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)獨(dú)特、結(jié)構(gòu)緊湊、自動化程度高、性能穩(wěn)定可靠、操作簡便安全、工作環(huán)境舒適，其性能和工藝完全符合生產(chǎn)要求和有關(guān)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本系統(tǒng)能夠有效控制工廠的生產(chǎn)過程，實(shí)現(xiàn)企業(yè)追求先進(jìn)科技、確保安全生產(chǎn)、強(qiáng)化安全管理的目標(biāo)。

[1]王永樹，譚紹棟，楊名紅.煤、焦監(jiān)控技術(shù)與備煤料線控制系統(tǒng)的優(yōu)化[J].柳鋼科技,2013(4)：32-36.

[2]中能電力工業(yè)燃料公司.動力用煤煤質(zhì)檢測與管理[M].北京：中國電力出版社，2000.

[3]曹長武.電力用煤采制化技術(shù)及其應(yīng)用[M].第2版.北京：中國電力出版社，2003.

[4]林木松，張宏亮.入廠煤機(jī)械采集取樣裝置存在問題與改進(jìn)[J].煤質(zhì)技術(shù),2000(2):20-21.

Process Analysis and Function Realization of the Automatic Unattended Raw Material Collection and Sampling System

Peng Yanshu1，2

(1.CollegeofInformationEngineering,TaiyuanUniversityofTechnology,TaiyuanShanxi030024,China;2.TaiyuanInstituteofChinaCoalTechnologyandEngineeringGroup,TaiyuanShanxi030006,China)

In this paper, a comprehensive and systematic analysis of the traditional raw material collection and sampling system is presented, and a scheme of automatic unattended raw material sampling system based on PLC is put forward. Through collecting the status information of the field equipment, according to the process of collecting and sampling process, the host computer uses the graphical interface to control the operation of all kinds of equipment. After many times of practice, the system meets the design requirements.

unattended; plc; collection sampling; process analyses

2016-04-01

彭延書(1989- )，女，山西太原人，助理工程師，主要研究方向：煤礦采掘機(jī)械和工業(yè)控制工程。

1674- 4578(2016)04- 0013- 03

TP29

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