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产品描述
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1 引言
近几年来，随着国家宏观经济政策的调整，煤炭作为焦化厂主要的原材料，其价格一直居高不下。同时由于电煤供应日趋市场化、多元化，造成煤质波动幅度增大，煤种杂、入炉煤质控制难度加大，使发电厂锅炉燃煤偏离设计煤种，锅炉稳定燃烧受到破坏，引发的设备缺陷明显增多，严重影响了锅炉经济稳定运行。火力发电行业的煤炭逐步推向市场，价格也随之开放，煤炭的费用在火力发电厂的成本已占70-80%的份额。因此，对煤炭的管理，已也引起火力发电的高度重视。因此，煤的经济性成了国内各燃煤企业考核指标。
为了考评燃煤经济性，对入厂煤进行采样后以质论价几乎成了所有厂家的常用的控制措施。从80年代起，入炉煤采制样设备得到了高速发展；进入90年代，入场煤采制样设备(汽车入场煤，火车入场煤)从无到有，从不完善正走向定型和。自动化技术在入场煤采制样设备的广泛运用，大地把工人从繁杂的体力劳动和不的工作环境中解放出来，显著地改善了工人的工作环境和提高了工人的工作效率。
2 系统概念设计
现代焦化厂往往由多个供应商供应全厂的各种用煤，供应商多数采用汽车进煤。的确定煤的发热量、水份、灰份和其他杂质尤其重要，因为即使是很小的差别也有可能在一段时间内造成很大的损失。同时，采样机也是煤矿企业用于商品煤采样的机械,要求从煤流中,火车,汽车,船上以及煤堆上采取煤样,然后加以分析,以确定煤的各种特性,用此分析确定合同价格,并根据要求将采样机进行了运动动作分析,对其进行了整机的结构设计。在设计采样时，不但注意了如何使物料连续通过采样设备，注意了如何保持水分不损失，并且还注意了如何避免粉尘的散失，在设计采样装置时要充分考虑到以上因素。
本文介绍的系统的采制样过程全自动化，能自动完成汽车定位、随机选择取样点，自动样本采集、缩分、制样和集样。根据有关汽车采样的现场条件、技术要求，并参照国家gb475-1996《商品煤样采取方法》及gb474-1996《煤样的制备方法》，制订汽车采样设计方案介绍如下：
2.1 工艺流程
(1) 汽运煤场采制样过程可以分为：汽车自动定位--随机选择取样点-采制样-在线分析-集样。
(2) 入场煤采制样设备的工艺流程通常是：自动取样--破碎--缩分留样--余煤处理。
当运煤车辆进入取样区域后，汽车定位系统对车辆所有位置进行探测，得到汽车车厢在取样区域的平面坐标参数，并传递给主控计算机。主控计算机根据车厢参数，自动在车厢区域内生成数个随机取样点。主控计算机控制机械取样装置在的取样点取样，并控制制样设备自动完成煤样的粉碎、缩分和集样，在线灰分分析，随机自动装罐。汽车自动化采样机是对汽车运煤进行采样、制样的机电一体化设备，该装置由plc控制，准确定位，具有结构紧凑，设计新颖，性能，操作简便等特点。其工作原理：汽车机械化采样机安装于运煤车经过的路旁，采样器由大车行走部分、小车行走部分、采样器部分等组成，大、小行车携带采样器样轨道纵向及横向运动，采样部分实现采样器上下运动，从而实现任意点、任意位置、任意量采样。可与煤质分析仪相连，实现煤质控制。此工艺流程对于火车采制样设备基本没有问题。
2.2 工艺瓶颈
对于汽车入场煤采制样设备，在缩分留样环节存在有瓶颈，制约了汽车采样的发展；目前的采制样设备主要是靠操作人员判断汽车煤属于哪一个煤矿，然后选择留样的集样瓶。因此，就存在以下问题：
(1) 选择集样瓶时，操作人员容易误操作，煤样的真实性不能得到保证。
(2) 集样瓶换频繁，增加了工作人员的劳动量。
(3) 汽车采样机的缩分留样能力有限(集样瓶工位数一般为6或8个)，缩分留样的煤量(缩分比)大或汽车运煤量大时，致使集样瓶换频繁，增加操作人员的工作量；缩分留样的煤量(缩分比)小时，不易反映单车煤的质量，真实性差。
(4) 采制样设备只能采制出煤样，不能及时的反馈出煤样的质量(化验结果滞后)，在“扣吨”问题上焦化厂与煤矿易发生扯皮；且增加了化学分析的工作量。
(5) 焦化厂要求采制样设备与信息管理系统数据实时共享，在线实时监控，传统的工作方式很难做到。
2.3 概念设计
为解决以上问题，我们根据多方考察和研究，依据以下原则进行设计：
(1) 实用性：以解决现实问题为主，坚持为业主决策服务，又为经营管理服务，为生产建设服务。
(2) 性：采用成熟的技术，兼顾未来的发展趋势，及量力而行，又适当前，留有发展余地。
(3) 可扩展性：系统便于扩展，以保护前期投资的有效性和后续投资的连续性。经济性：以节约成本为基本出发点，建立一个运行、满足公司实际需求的采制样操作系统。
(4) 易用性：系统操作简便、直观，以利于各个层次的人员使用。
(5) 性：确保系统运行，在关键部分应有和容错措施。
(6) 可管理性：系统从设计、器件、设备等的选型都考虑到系统的可管理性和可维护性。
(7) 开放性：采用符合标准的产品，保证系统具有开放性特点。
(8) 实时性：数据实时在线监察，实时现场工况监控，数据库共享，分析分权限浏览。
根据以上设计原则，并综合考虑煤场的工作模式后，在缩分留样环节前增加了灰水分析仪(能够测量灰分、水分、发热量)，
现场检测仪表对生产中各个参数自动、连续地进行检测，同时将信号反馈给现场plc和上位机，并在上位机显示器上显示出来；plc和上位机比较程序中设定的工艺参数，自动地调节某台设备的工况(启动、停止或调速)及存储煤质数据，从而自动满足生产过程需要。
3.1 系统构成
(1) 上位机。本系统采用pii的研华工控机，捷瑞公司的rs232转rs322/485工业通讯卡，数据库采用与焦化厂信息管理系统相一致数据库visual foxpro6.0，采用视频捕捉卡，图像分割器。闭路监控系统。
(2) 可编程控制器(plc)。采用西门子公司的plc系列cpu224为控制，另有两块i/o模块，一块输出模块，一块8输入的模拟量转换模块，用于转换在线分析仪到的数据，internet通讯模块。各种开关量及模拟量输入到plc后，由上位机发出执行指令，plc经过运算后，将其运算输出到电机、电动滚筒、电动推杆等执行机构。
(3) 上位机与plc通信：解决此问题，我们采用了北京亚控科技发展有限公司的组态王6.0作为组态软件，通过plc编程口与上位机通信。组态王6.0是运行于microsoft bbbbbbs nt / xp 中文平台的全中文界面的组态软件，采用了多线程、com组件等新技术，能够实现适时多任务，具有开放的程序接口，可以自由地存取数据，且与各种关系数据库能够完整连接。
(4) 汽车刷卡机。本刷卡机采用了与汽车衡相同型号的刷卡机lk480，用于自动识别不同煤矿的煤炭和车号，以保证煤质分析结果与对应煤车的一致性，便于焦化厂管理。
(5) 灰水分析仪。此分析仪在0.5分钟以上能将灰分、水分、发热量分析出来，且其精度误差小于0.5%，我们综合考虑后采用了清华大学研制的hsfx-2000型灰水分析仪。
3.2 运行方式
本系统的操作由上位机完成，操作人员运用鼠标点击要操作的对象，上位机通过组态王6.0将指令传递给plc，plc经过运算后决定要进行的工作。系统设置了两种工作方式：手动运行，自动运行。
(1) 手动运行：操作人员分别点击对应的设备，即完成设备的启停、分析仪的设置等，此工作方式各设备间无连锁，主要是调试和维修时使用。
(2) 自动运行：此方式是正常工作的运行方式。设备启动完成后，当需要采样时，操作人员只需点击“采样”按钮，采样机就自动读取汽车ic卡的信息，产生随机采样点，煤样破碎后经过自动分析，上位机自动将分析结果与对应的ic卡信息存入数据库，供焦化厂信息管理系统调用。煤样合格时，集样瓶内不留煤样；煤样不合格时，系统自动缩分留样，以供焦化厂进一步化验和检测。
3.3 系统功能
系统具体功能和特点有：系统根据汽车司机的ic卡能够自动识别车辆的来源，并将卡的数据与煤质参数对应地存放在一起；在采样区域内自动产生随机采样点，并自动完成采样；对煤样自动进行灰水在线分析；根据煤质参数的结果自动决定是否留样；将每个煤样的煤质参数转换成焦化厂信息管理系统所需的数据库格式文件；系统提供了详实的采样纪录供操作人员查询和打印；系统具有多种连锁保护逻辑；若系统出现故障时，自动打印出故障说明，并自动停车等待故障解除；当操作人员误操作时，系统将弹出丰富的连锁保护界面供操作人员参考；全部系统动作可根据plc指令，按设置的程序自动完成，依赖plc实现检测、程控、报警、指示、联锁及解锁等功能，并实时检测来自设备的各种位置，控制系统包括供电、保护、控制及控制柜(可选用工控机或触摸屏，能够实时生动地显示设备运行状况及实现故障报警，并实现自动与手动之间的操作切换)，出现问题，发出报警信号，整个系统由上而下地程序关机，以防设备及联带事故的发生；螺旋采样头垂直安装在三维移动的载体上，升降对位灵活，可实现表层弃料，任意的深度断面取样，操作简便，符合国家采样标准。该采样头螺旋杆底部，装有合金头，可破碎或拨开大块物料及其它异物，以保证取样的顺利进行及性，尤其适用于北方冬季煤层结冰状况下的采样。采样头直径按煤样含量过5％，按大粒度的2.5-3倍要求设计；性能优良的环锤式破碎机，其锤头可换，出料粒度可调节，对不易破碎异物有排出处理机构。破碎出料粒度不大于6mm的不95%，保证来煤水份达20%时不堵煤；旋转式缩分器，缩分头的动作由plc设定，该缩分器设计精巧，分样斗采用不锈钢材制作，驱动功率小、故障率低。其缩分可调，而且精度高、外形尺寸小；由于在次级制样系统中采用了喂料皮带输送机，使物料在运动中均匀地进入下一级设备，保证了破碎，环节从容地进行，有效避免了因喂料不均匀造成的堵料故障。避免水份散失及样品的污染。喂料机采用全密封处理,避免人为因素干扰。为提高采制样设备的过程管理水平，为适应用户对计算机网络管理的需求，自动化采制样装置可选用了计算机监控管理系统；工控机与plc实现双向通讯，可通过工控机输出设备程序开启指令，并可根据需要通过工控机直接干预或修改采制样程序及有关参数。工控机与皮带秤称重仪表通过rs-232/485接口电路实现数据通讯，并接收各终端元件的开关量信号，通过工控机屏幕上“动态工艺流程图”软件监测跟踪现场工艺状况，并实现对各类数据的监测、整理及输出打印；该系统可作为一个网络站点，与上位机通讯，实现用户的局域网络管理。采样系统可作为一个子系统或一个网络结点，纳入到整个工厂局域网中，plc与计算机联网后，再使用相应的编程软件(如梯形图或流程图)及其它语言编程，比较方便；可简化系统布线、维修，并提高工作的性；可对现场智能装置进行管理，充分发挥这些装置的效益，推进生产自动化、智能化；一次胶带输样机：一次喂料机为全密封结构，料门开度可方便的调整，可将子样均匀地输入破碎机；破碎机：破碎机为环锤式破碎机，其锤头可换，出料细度可调节，对不易破碎异物有排出处理机构。破碎出料细度可达6mm(不少于95%)；二次胶带输样机：理论上破碎机的输出是不均衡的，因而直接对其输出的子样进行缩分，不可能保证标准要求的缩分精密度，配置二次胶带输样机；由于其转速可无级调整，且又有可调闸门，故能严格做到子样均匀流出，做到合理缩分；缩分器：为直线式摆动缩分机构，维护量小、外形尺寸小，缩分头的动作由电子定时器设定，缩分比可调，而且精度高、范围大，结构设计合理，煤样收集管及缩分头采用不锈钢制造，不会产生堵料；自动换桶机(电动推杆驱动):有“园盘自动换桶”和“环链式自动换桶”供用户选择，所配样桶(取样器)密封性强，使用方便；余煤回收机：采用斗式提升机(电机驱动)，出料方式有二种：分散式：配小料斗可摆动溜槽(电动推杆驱动)，使余煤回至下一汽车车厢内；集中式：配大料仓(5t)，使余煤集中储存，每班一次，放入回煤车；机架及操作室：钢结构，包括机架、导轨、维护平台及棚等，其中部分制样设备(如破碎输样、缩分及换桶机)可按用户要求密封在单元室内(二次制样单元)。对于采用双头横移式采样车，实行自动控制时，将省去上部操纵室，将控制台设在地面工作间内；为保证系统、运行，本系统的构成设备均设置检测元件，可编程控制器定时检测各设备的运行状态，当发现不正常状况时，plc可自动采取补救措施，报警无效时，plc自动顺序停机；现场的闭路监控系统带有硬盘存储系统，调动值班人员可随时观察现场取样工作，还可查询历史工况。
4 研发评估
采用带煤质在线分析的采制样机有以下优缺点。
4.1 系统优点
从采制样到化验分析，是自动完成，排除了人为干扰因素，保了样品的真实性。正常工作情况下，从采制样到分析煤质结果只需一个工作人员，节省了劳动力。采集的煤样不必经过焦化厂化验室化学分析，其分析数据自动存入焦化厂信息管理系统的数据库，使数据在一定权限内共享，方便管理、查询和打印，减少了焦化厂二次制样和化学分析，提高了工作效率。采样机使用刷卡制，避免了漏采的可能性，便于焦化厂对车辆的管理。采样机采用plc与工控机共同控制的方式，维修量小，性高。煤样分析数据自动存入信息管理系统的数据库，方便焦化厂其他工作人员的查询，提高了信息的快速性。采用plc控制，运用成熟的自动控制技术，使采样机的采样头能在的三维空间内任意一点采样，自动完成旋转，下降，采样，上升，回位，卸样，破碎，缩分，分矿点收集子样、弃样等工作。该机器适应国内各种运媒或散状矿石的车型。该机的采样头采用安阳鑫达自控科技有限公司的，具有良好的水份适应性，公司自行研制的防止破碎机内腔粘煤和堵塞装置(已申请)应用于制样系统的破碎机，对提高制样系统的水份适应性起到了关键作用目前国外同类产品的水份适应性在12%左右，国内同类产品的水份适应性在10%左右，而我公司产品的水份适应性达到16%。
4.2 系统缺点
目前国内的灰水在线分析仪发展还不十分完善，还主要依靠国外进口，因此造价较高，一次性投资大。由于灰水分析仪需要煤质的静态和动态的标定，且此工作较繁琐，因此调试标定工作需反复进行。
5 结束语
原煤自动采制样装置是针对燃煤焦化厂对控制入厂煤的质量而研发的产品，采制样装置通过精心设计，具有结构简单、性能、采样精度高、对煤中的难碎异物具有很强的适应能力等特点。采样系统的设计、制造符合有关和标准，可保证采样数据准确性，满足商业结算或正平衡计算发电煤耗的要求。该装置主要用于焦化厂、燃煤电厂及类似以煤作燃料的大型企业，也可用于冶金企业矿粉类采样。采用的自动化设备是提高我们工作效率的必由之路，也是社会发展的必然趋势。随着我国经济的发展，灰水分析仪的完善，计算机控制和灰水分析仪与自动化采制样设备的结合将是采制样设备的发展方向。
2 系统的实现
利用“组态王”软件设计的应用软件，可以多种PLC控制对象。的被控对象不仅可以接受多种由PLC发出的控制信号，如逻辑开关信号、继电器控制信号、脉冲信号和各种数值信号等，还能按照程序的算法以动画、数值、文字、标尺等形式在计算机屏幕上反映出PLC的控制过程与结果，可以直接从屏幕上观察PLC的控制结果正确与否；“组态王”亦可向PLC发出各种命令信号，如逻辑开关控制信号、继电器开关信号、中断信号及位置信号等。“组态王”还能以按钮、滑动标尺、数值输入及单选框、复选框等形式向PLC发出各种命令和输出各种参数，以配合PLC的控制，反映PLC与被控对象（软件的被控对象）及控制结果之间的关系。
要使画面中各图素能够生动、逼真的运动或显示，在“组态王”中需定义一些内存变量与外部I/O变量进行配合，并通过在其应用程序命令语言中书写程序控制自己的应用程序，驱动画面，用这种方法开发PLC控制对象，其优点是、、性高，能节省电力资源，维护要求较低，不会危及人身和设备；同时，其模拟效果逼真，人机界面生动友好，能达到很好的实验效果。
在实验教学中，学生既可将计算机看作“被控对象”，用PLC对其进行控制；又可在计算机屏幕上以动画形式直观看到程序的执行结果，从而大地提高学生的兴趣，强化他们的动手能力；此外，可以增强学生的参与意识，使之对可编程控制器的理解加深入，从而达到实验目的，终提高教学质量。
3 开发要求
利用模拟技术开设PLC实验课，开发的PLC被控对象满足如下要求：
1）组态画面一般由2部分构成：一是的PLC控制对象；二是操作面板。有时根据系统控制对象不同，还会有一些报表。
2）“用户”可以用鼠标点击屏幕上的按钮，发出PLC所需要的输入信号（行程开关模拟信号、按钮模拟信号）。PLC接到该信号后，经过控制程序（实验课学生编写的PLC控制程序）发出控制指令。上位机接到控制指令后，控制画面上控制对象的图形、动画、指示灯及机械、显示等动作，同时在报表中绘出一些曲线，填入一些数值。
3）接到电源信号后，模拟电源指示灯亮，显示红色，以示“组态王”与PLC通信正常。
4）界面直接显示PLC控制对象的物理位置和运行方向，可直观反映PLC程序的运行结果。
5）PLC控制对象是以画面形式反映PLC程序执行结果的，故画面应尽可能逼真于模实物。
4 开发实例
以下给出我们开发的PLC被控对象中的一部分，包括十字路通灯、机械手和水位控制系统。这些开发项目可以直接应用到PLC教学实验中，因篇幅所限，文中未给出PLC的梯形图程序及组态设计过程。
4.1 十字路通灯系统
1）控制要求。a．南北向和东西向主干道均设绿灯30s，绿灯闪亮3s，黄灯2s和红灯30s。当南北主干道红灯点亮时，东西主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯；反之，当东西主干道红灯点亮时，南北主干道先点亮绿灯，之后绿灯闪亮，再后点亮黄灯。b．南北和东西向人行道均设有通行绿灯和禁止红灯。南北人行道通行绿灯应在东西向主干道点亮后才允许点亮，然后接5s绿灯闪，其他时间为红灯；同样，东西人行道通行绿灯于南北主干道绿灯点亮后才允许点亮，然后接5s绿灯闪，其他时间为红灯。c．点按“停止”按钮，工作立刻停止。
2）PLC输入输出表。交通灯控制PLC的I/O点分配表如表1所示。尽管十字路口有12只红、黄、绿灯，人行道有16只红、绿灯，但是同一方向的同色灯同时动作，应为一个输出，所以在表中只占用10个PLC输出端点。
4.3 混合液体系统
设H，T，L为液位传感器，液面淹没时为ON；YV1及YV2为进料电磁阀，YV3为排料电磁阀，M为搅拌电动机。
1）控制要求。a．初始状态：容器是空的，3个阀门均关闭（YV1＝YV2＝YV3＝OFF），液位传感器输出触点断开（H＝I＝L＝OFF），电机停止（M＝OFF）。b．启动操作：按一下启动按钮SB1，阀门YV1打开（YV1＝ON），液体A流入容器；当液面到达I时，I＝ON，使阀门YV1关闭（YV1＝OFF），阀门YV2打开（YV2＝ON），液体B流入容器；当液面到达H时，H＝ON，使阀门YV2关闭（YV2＝OFF），启动电机M（M＝ON）开始搅匀；经过60s，搅匀后，M停止搅拌（M＝OFF），阀门YV3打开（YV3＝ON），开始放出混合液体；当液面L时，L由ON变为OFF，再过2s后，使阀门YV3关闭（YV3＝OFF），容器放空，工作结束。c．停止操作：在工作过程中，按一下停止按钮，系统立即停止工作。
2）PLC输入输出表。混合液体控制PLC的I/O点分配表如表3所示。控制混合液体PLC输入/输出表如表3所示。在PLC输入端接一个对搅拌电动机起过载保护作用的热继电器常闭触点。当电机发生过载时，此触点断开时系统将停止工作。
表3 混合液体控制PLC的I/O点分配表
3）组态画面。混合液体组态画面如图4所示。当“组态王”和PLC通信正常时，点按启动按钮，就可在画面中非常形象直观地观察到管道中水的流动、储液罐中液体的升降和搅拌器的转动，以及水位传感器接通的情况。另外，在画面中设计了液位报警窗口，当液位数值变化异常时将进行报警；还设计了历史曲线、实时曲线、数据报表画面，以便对液位进行趋势分析。由于篇幅所限，此画面没有给出。
5 实验过程
开发的PLC控制对象画面中的图素已经建立了动画连接。“组态王”与PLC进行通信，已经验证了监控画面运行的正确性，可实现真实PLC控制对象所要求的一切功能。当学生做实验时，不必为其提供梯形图，不过可以先通过计算机屏幕为学生展示开发好的控制画面，使学生对自己设计的控制系统有感性认识，从而进一步激发学习兴趣。具体实验步骤如下：
1）按照每个实验给出的控制要求和PLC输入输出表，画出PLC原理图和控制程序流程图，让学生学会PLC的实际接线和电气元件的选型及标准画法，使实验接近实际。
2）应用三菱PLC编程软件FXGPWIN在计算机上自编程序。可使用不同的算法和指令编写程序，但终要实现系统的相同控制。
3）PLC程序编制完成后，要进行调试修改。，利用PLC编程软件中的“编译”命令，检查PLC程序是否有语法错误，如果没有再将程序下载到PLC中；其次，利用PLC编程软件中的“监控”和“强制”命令，调试PLC程序。
4）PLC与组态软件通信。通过运行画面，可形象直观地观察PLC被控对象的工作情况，由此也可验证PLC程序正确与否。
6 结 语
将技术应用于PLC教学实验，解决了无控制对象及无法开设PLC实验课的问题。此外，方法还可在教师的科研中发挥作用，既能节约大量的实验经费，又能缩短实验时间，提高实验的性，另外，控件的开发，开发后免维护，所以可以开发多个控件，增强实验的多样性，以好地达到教学目的。目前，我们已经开发了运料小车、自动售货机、五层楼电梯、霓虹灯等控件，并编写了实验指导书以配合课堂教学，帮助学生积累工程现场的经验，使之得到综合的锻炼
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