全自动无人值守原料采集取样系统工艺浅析与功能实现

彭延书

(1.太原理工大学信息工程学院，山西 太原 030024；2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)



全自动无人值守原料采集取样系统工艺浅析与功能实现

彭延书1，2

(1.太原理工大学信息工程学院，山西 太原 030024；2.中国煤炭科工集团太原研究院有限公司，山西 太原 030006)

通过对传统的原料采集取样系统进行全面系统分析，提出了一种基于PLC的全自动无人值守原料采集取样系统方案。通过采集现场设备状态信息，根据采集取样工艺编制相关程序，在上位机采用图形界面方式控制各类设备运行。经过多次实践，系统达到设计要求。

无人值守；PLC；采集取样；工艺浅析

近年来，煤焦行业发展速度减缓，大量产能过剩。结合现代化技术手段，采取多种策略和举措，提高管理水平，实现管理标准化、运作可靠化、信息自动化、监控全程化总体目标，是煤焦行业必须完成的技术革新。

在煤焦行业中，原料成本占到生产总成本的70%～80%。原料采集取样是入厂的第一道流程，目的是得到代表原料平均质量的真实样品，然后加以分析，以确定原料的各种特性，如发热量、灰分、硫分、水分等。各种原料一般是由不同形状，不同粒度的颗粒组成，这些颗粒可能具有不同的物理特性、化学特性和残余灰分含量。因此，采集真实的代表试样有着重要意义。

目前入厂原料仍采用传统的人工采集取样方法，劳动强度大，既浪费时间，样品的代表性又差，人为因素影响大，质量情况难以及时、准确地掌握，弄虚作假情况屡有发生，产品质量无法得到有效保证。本文设计的全自动无人值守采集取样系统有效改进了传统采集取样方式，排除人为因素影响，提高采集取样过程的透明度和真实性，降低工人的劳动强度，有效的控制运行成本，减少资源浪费，提高工作效率。

整个无人值守采集取样系统设计主要采用自动化、电子射频信息等技术，系统功能及各项技术指标符合用户要求，同时满足国家有关安全、环保等强制性法规、标准的要求。

1　系统概述

本系统由螺旋取样装置、自动定位系统、自动制样系统、PLC系统、工业计算机及上位机软件组成。该系统具有高度自动化，能够完成从车辆位置确定、取样点随机选取、样本自动采集、样品自动缩分、集样和弃料收集的全套过程，保证了取制样设备工作的可靠性及准确性。

该系统采用自动采集取样系统和行车控制系统一体化设计，横向、纵向能够实现任意方向行走，采集取样头能深入到汽车车厢内任意点的位置，实现全段面采集取样。采集取样头采到的原料样品经皮带输送机送入破碎机中，破碎后的样品经过缩分器后，留样直接进入样桶，而弃样经过皮带输送机送到制样间外部收集。

行车系统由大车行走系统和小车行走系统组成。采制样系统由螺旋采集取样器、初级给料机、破碎机、二级给料机、缩分器、自动集样器、返排装置组成。其中螺旋采集取样系统机构安装于小车行走系统上，小车可在车厢横向方向定位采集取样头。大车行走系统可带动小车沿导轨方向移动。PLC控制柜、工控机布置在控制室内，变频器等低压电器布置在大车上的控制柜中。

采集取样装置能快速、可靠、安全地对汽车进行采制样品作业。采集取样点每车车厢从汽车顶部沿车厢对角线三点或五点自动采集取样或由电脑自动控制随意选点采集取样进行设计。采集取样设备所使用的电气元件均采用进口产品。采集取样装置的运行不受湿料的影响(含水量≤20%)，正常运行过程中，无堵料现象。采集取样装置全密封设计，无物料损失和水分损失，各项指标符合国家行业规范[1]。

2　工艺浅析

本系统按照样品的处理顺序主要分为三大部分：采集取样部分、制样部分、余料处理部分。

其工作流程为：车辆自动定位—随机选择取样点—自动采集取样—自动缩分—破碎—自动集样—弃料收集。

当大小车行走机构进入预定地点，采集取样系统后级设备自动启动运行，采集取样头开始对预先设定的采集取样点进行定点，螺旋采集取样头进入车厢采集取样，此时料斗门打开，螺旋采集取样头钻入原料车厢的同时对大块进行初级破碎，样品被提升并在螺旋采集取样头上部进行初级缩分，样品进入料斗之后，料斗门关闭存储样品，螺旋采集取样头继续正转，将螺旋采集取样头提起，然后小车行走机构移动到卸料口，打开料斗门，样品被卸到接料斗中，并经初级给料机送到制样系统[2]。

样品经初级给料机、布料器、除铁器，均匀缓慢的送入环锤破碎机，自动破碎，破碎后≤6 mm的样品进入二级给料机，电动刮板式缩分器进行二次缩分。二次缩分后的样品进入集样器样品桶，完成样品的制作。二次缩分后的余料由弃料斗提起，送入弃料仓。

缩分皮带机、样品集样器、缩分器、二级给料机、环锤式破碎机、对辊破碎机、初级给料机等都具有故障检测功能，能够自动识别设备动作故障点，一旦有故障则发出故障信号，同时停止故障设备以及上游设备的运行。

3　功能实现

本系统实现全自动控制，同时可与其它系统实现统一调度[3]。

1) 本系统具有自我诊断功能，具有故障报警、故障类型和故障点提示，方便运维人员检修。

2) 可根据车辆型号、车牌号、每车的取样点数、选点方式进行自动采集取样。

3) 采集取样操作完成后，数据自动存储。可选择自动或手动打印操作信息和报表，信息通过局域网实现数据共享。

4) 采集取样区域实现无死角立体监控，利用多台摄像机监控采集取样设备运行情况。

5) 整个采集取样系统密封性好，保密性强、性能可靠，且检修方便。

6) 采集取样装置具备在出现故障时能手动提升采集取样头的机构，采集取样小车具备手动移至安全位置的机构，不影响运输作业的正常进行。

7) 全自动机械取样设备为桥式，能够采到汽车车厢内任意点的位置，大车走行机构、小车走行机构、螺旋取样机构的配合动作，可以实现任何一点的全断面采集取样标准。

8) 采集取样主控系统由主控计算机、PLC系统控制，变频调速组成。电气元器件采用进口产品，整套设备技术先进，可靠性高，性能优良，高度自动化，可实现自动/半自动/手动控制切换。并留有通讯接口，能够自动打印各种信息数据。

9) 采集取样头能够实现自动全断面采集取样，设有机械和电气自动保护装置，采集取样头采到车厢底部，采集取样头可以自动返回，保证采集取样头及车辆的安全正常运行。

10) 制样缩分系统采用皮带输送机、布料器和刮板缩分器，出料均匀，缩分比可自动控制灵活调节，集样器系统能将样品自动装罐。

11) 车辆指挥系统由扩音机系统、挡车器、警示灯系统组成，可使采集取样设备及运输车辆安全可靠运行。

4　自动控制部分架构

全自动无人值守原料采集取样系统设计，本着效率高，功能全的原则进行优化设计、合理配置，并根据实际情况与当今自动化控制技术发展的要求，在充分征求现场生产管理人员、工程技术人员、操作员的意见后提出如下设计方案[4]：

1) PLC系统设计：系统实现全自动功能，系统严格按照工艺流程设计。PLC控制柜放置于中控室内，PLC采用德国西门子S7-300系列，柜内关键电气元件采用施耐德品牌，变频器采用ABB品牌。

2) 上位机设计：上位机编程采用西门子WINCC 7.0，系统工作状态可由上位机通过组态画面进行显示，也可通过控制室仪表盘上的指示灯进行显示，并且能对系统进行实时监控、数据采集、设定采集取样方案、历史记录存档、报表和打印。

3) 通讯系统：PLC和上位机之间通过以太网通讯，实现计算机监控。同时，可作为公司管理信息系统的一个子网，通过交换机与整个网络系统互连，共享信息资源。

4) 控制系统主要由以下几部分组成：2台上位工业控制计算机(含23.5寸液晶显示器)、激光打印机、操作台、PLC控制柜、就地检修操作箱等。电气系统采用自动化控制，具有异常报警功能，以“PC+上位机控制软件”为基础，以计算机作上位机，PLC作下位机，它们之间相互通信。计算机接收并显示工作流程及工况信息，PLC控制设备动作。

5) 电气控制系统是以PLC可编程逻辑控制器为核心构成的自动控制系统。可以执行上位机发出的指令，也可以独立完成自动采集取样过程。系统设有自动/手动转换开关，在手动状态下，可人工启动系统的各设备，并可通过就地控制箱，实现对现场电机的就地启动维护控制；在自动状态下，系统由PLC内部程序控制，设备的依照预先设定的连锁关系运行，一旦出现故障，故障设备所有的上级设备立即停止运行。而且下级的所有设备继续运行。

6) 系统设有边界保护、过载保护、过流保护、断相保护、受阻保护、接地保护等完善的电气保护措施，整个系统工作流程在上位机界面上信息提示、现场操作柜上指示灯指示。

7) 系统启动后即自动按PLC程序运行，采集取样系统按从后到前的顺序自行启动：二级皮带机→环锤破碎机→初级皮带机→螺旋采集取样头；采集取样系统停止时，顺序与启动顺序相反。

5　结论

全自动无人值守原料采集取样系统经过在多个工厂的实践，不断改进和完善。本系统具有如下优点：

1) 全自动采集取样、制样、集样、弃样，保证采集取样样品的真实性。

2) 计算机随机选择采集取样点，采集取样点车车不同，保证了样品的代表性、公正性。

3) 样品自动缩分、集样、装罐。

4) 操作信息自动存储，自动打印。

5) 具有自诊断，故障报警提示功能

6) 计算机现场动态监控，中文操作界面，操作简单。

7) 操作方式多样，可分为全自动、半自动、手工工作方式。

本系统从原料入场源头杜绝了人为因素带来的干扰，为厂方带来了十分可观的经济效益，深受用户的好评。本系统设计独特、结构紧凑、自动化程度高、性能稳定可靠、操作简便安全、工作环境舒适，其性能和工艺完全符合生产要求和有关行业标准。本系统能够有效控制工厂的生产过程，实现企业追求先进科技、确保安全生产、强化安全管理的目标。

[1]王永树，谭绍栋，杨名红.煤、焦监控技术与备煤料线控制系统的优化[J].柳钢科技,2013(4)：32-36.

[2]中能电力工业燃料公司.动力用煤煤质检测与管理[M].北京：中国电力出版社，2000.

[3]曹长武.电力用煤采制化技术及其应用[M].第2版.北京：中国电力出版社，2003.

[4]林木松，张宏亮.入厂煤机械采集取样装置存在问题与改进[J].煤质技术,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

彭延书(1989- )，女，山西太原人，助理工程师，主要研究方向：煤矿采掘机械和工业控制工程。

1674- 4578(2016)04- 0013- 03

TP29

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