车运原煤自动采样系统方案设计.docx

1、车运原煤自动采样系统方案设计绪 论一、本论文研究的目的和意义随着计算机技术的飞速发展，计算机在工业自动化领域中的应用越来越广泛。可编程控制器就是其中的佼佼者，它以其卓越的性能，高可靠性、能在恶劣环境下工作、维修使用方便、通讯、组网功能强和具有较高的性价比等特点，被广泛的应用于工业控制中。火力发电厂、港口和煤矿等部门都要对出入煤的质量进行分析,分析检验结果作为生产成本核算、控制锅炉工况或作为商品煤结算的依据。煤的质量分析包括采集样品(采样) 、制备试样、分析。用少量的样品的分析结果代表一批煤的质量必然会有偏差。此偏差由采样偏差、制样偏差和分析偏差构成,其中采样偏差最大。因此,分析结果的精确度,很

2、大程度上取决于所采样品的代表性。以前靠人工采样,很难保证样品的代表性。分析偏差太大时还可以重新分析,而样品无代表性时,则往往由于煤已运走或已入锅炉烧掉而无法重新采样。如果煤样品无代表性,则无论分析结果多么精确也毫无意义。国家标准GB474 规定了各种情况下煤的采样方法。在流动的煤(煤流) 中采样时,应将采样处煤流横截面上的煤全部采出。 汽车入厂煤采样机是针对运煤汽车采样而设计的机械化采样设备。该设备集采样、破碎、缩分、集样于一体、结构合理、运行可靠、操作方便。采样制样工艺过程符合GB474，GB475国家标准。适用于电厂、煤矿、煤码头等进行煤质检验采样的场合。 汽车入厂煤采样机主要由采样头、给

3、料机、破碎机、缩分集样器、余煤处理系统组成。首先由钻取式螺旋采样头提取煤样，通过密闭式给料机送放破碎机、破碎后进入缩分集样器，通过缩分的煤样进入集样器，多余的煤样由余煤处理系统反排回汽车或直接排回煤场。 采用本采样系统的优点有：(1).可实现全断面采样，保证煤样代表性；(2).采用专利破碎机，水份适用范围广，减少堵煤可能性；(3).一体化设计，结构紧凑，采样时间短；(4).半封闭结构，减少人为与环境因素的影响；(5).设备自动化程度高，维护简单。 通过本设计可以使整个系统不易堵煤、监测系统更加趋于完善，程控特性更好，且易于安装和维护。二、论文研究的主要内容设计对汽车所运原煤进行采样的自动小车控

4、制系统，实现小车的横向、大车的纵向移动以及采样螺旋探头的上升、下降过程。系统采用可编程控制器进行控制。具体内容如下： 1 车运原煤自动采样系统总体方案设计；2 车运原煤自动采样控制系统设计；3 设计控制系统硬件，包括控制器选型设计和控制接线图；4 控制系统软件设计，包括程序流程图和系统控制软件。第一章 车运原煤自动采样系统总体方案设计车运原煤自动采样系统总体方案的设计应包括以下内容：采制样装置结构型式的确定，采制样装置基本组成、采制样装置工作原理、采制样装置主要设备的技术参数及机构的选择等内容。一般应根据设计任务和要求提出数个总体方案，进行综合分析、比较和论证，最后确定一个可行的总体方案。一、

5、总体方案确定（一）概述煤的计量及其机械自动采制样是火力发电厂实现计算煤耗的前提，电力部颁布的火力发电厂按入炉煤量正平衡计算发电煤耗（试行）中指出 “机械自动采样装置是目前唯一能够采到具有代表性样品的手段”。入厂煤机械自动采制样装置中机械结构设计新型实用，整体结构布局通畅，选取的技术参数合理，工艺调节方便，适应范围广。适用于火力发电厂的入厂煤采样及其它类似场合。机械可长期稳定运转，不堵煤，采样后的子样代表性强，满足现场实际需要。该装置作为现代化采制样设备，可为电厂，煤矿等有关单位提供煤质检测和监督的可靠依据，并且有助于燃煤管理的科学化和规范化。电气控制部分采用目前国际上流行的可编程控制器作为主控

6、元件，在设计思想上力求与国际接轨。因此，可靠性显著增强，控制性能大为提高，而且具有智能化的优点。该设备采样技术及工艺过程完全符合GB475-96商品煤样采取方法的规定，制样方案完全符合GB474-96煤样的制备方法图1-1 入厂煤机械自动采样装置示意图（二）采样装置结构型式入厂煤机械自动采样装置依靠来煤运输方式可分为汽车采样装置和火车采样装置。而根据具体结构不同分为悬臂式，行车式；火车采制样装置根据跨车轨道数分为跨双轨龙门式，跨单轨悬单轨龙门式，悬双轨龙门式及其它派生结构。悬臂式汽车采制样装置为人工选点自动采制样，其它型式采制样装置均为全自动采制样。可选用工控机控制并进行软操作。本设计采用的是

7、行车式汽车采样装置。（三）采样装置基本组成不论汽车采制样装置还是火车采制样装置，都由采样系统，制样系统，余煤返回系统和控制操作四大部分组成。采样系统主要由螺旋采样头，螺旋采样头升降机构，采样选点机构等组成；控制操作系统主要由控制系统，操作系统，检测系统等组成。1 大车行走机构它主要由大车、车轮及导轨等构成。2 小车行走机构它主要由小车、车轮及导轨等构成。3 螺旋采样头 该机构主要由液压驱动马达，轴承座，采样管，采样螺旋叶片轴，料仓，破碎刀头组成。4 限位开关等如：大车限位开关，小车限位开关，螺旋采样头升降限位开关等。5 驱动电机大车行走机构的驱动电机，小车行走机构的驱动电机，螺旋采样头正反转的

8、驱动电机，螺旋采样头升降的驱动电机等。6 PLC控制系统采用可编程器和工控机进行联合控制，可实现自动和手动两种工作方式。图1-2 入厂煤机械自动采样装置示意图 汽车采样系统分悬臂式、桥式、龙门式采样系统。该系统是按有关标准规定选点采取煤样，并制成一定粒度要求供理化分析煤样的专用设备。在预先设定的程序的控制下，实现自动运行。图1-3 入厂煤机械自动采样装置示意图（四）采样装置工作原理采样装置到达预定采样点后，选点机构自动锁紧，启动采制样系统，并由螺旋采样头降机构驱动至预设煤层深处开始采样，集料仓关闭。到达采样深度后，螺旋采样头回至上部极限位置，选点机构行至放料点，集料仓自动开启，煤样经过给料机构

9、送到制样系统内，经过破碎缩分，所需煤样进入集样瓶，余煤经过余煤返回系统排出。同时采样头放完煤样后，又返回到所设点，准备下一煤车采样。采样装置工作流程图见后。图1-4 采样装置工作流程图二、设计采样装置及其主要设备（一） 采样装置重要技术参数表1-1 汽车采制样装置主要技术性能参数序号 项 目悬 臂 式行 车 式适用车型5T-20T标准汽车5T20T标准汽车1适用煤水分 14% 14%2单点采样时间 60S 60S3制样粒度 6mm或按用户要求 6mm或按用户要求4缩 分 比 1:41:40 1:41:405系统水分损失 1% 1%6集样瓶换取方式 自动换取自动换取7集样瓶数量 4个（标准） 4

10、个（标准）8最大回转半径 3.7m（标准）9回转角度范围 50 10大车行走距离20m11小车行走距离10m12执行标准 GB474、GB475 GB474、GB47513装机总容量 40KW40KW14装置总重量 20T18T 本设计选用的是行车式汽车采制样装置。（二）采样装置主要设备的技术参数及机构特点1.螺旋采样头（1）液压传动式螺旋采样头 型号采样头转速液压系统压力采样头驱动马达YCT-250200-300RPM1.6MPa10JM11-0.5 采样头根据螺旋垂直输送物料的原理设计而成，结构为液压螺旋钻取式，能用于煤面下较大深度的全面断面采样。采样头头部装有破碎刀刃能适应冬季冻煤，对大

11、煤块有破碎作用。采用液压马达驱动螺旋采样头旋转，转速可调。当有异物进入螺旋采样头使其实际扭矩超过额定扭矩时，螺旋采样头能自动停止转动，达到自我保护的目的，并能反转排除异物。 该机构主要由液压驱动马达，轴承座，采样管，采样螺旋叶片轴，料仓，破碎刀头组成。采样头转速在一定范围内无级可调。（2）电力传动式采样头型号采样头转速采样头功率采样头驱动减速机JCT-250200-300RPM7.5KWFAF77DV132M4采样头根据螺旋垂直输送物料的原理设计而成，结构为电力螺旋钻取式，能用于煤面下较大深度的全断面采样。采样头头部装有破碎刀刃能适应冬季冻煤，对大煤块有破碎作用。该机构主要由SEW带电机减速机

12、、轴承座、采样管、采样螺旋叶片轴、料仓、破碎刀头等组成。本设计选用的是液压传动式螺旋采样头。2.螺旋采样头升降机构（1）电液推杆推动式螺旋采样头升降机构型号额定输出力（KGF）额定转速（MM/S）电机型号行程（MM）推力拉力推速拉速XDGP2500-2000/802500190080100Y100L-3-4KW2000电液推杆是一种机电液一体化的新型柔性传动机构，它由执行机构（油缸），控制机构（液压控制阀组），和压力源（油泵，电机等）组成。接通电动机电源，通过控制电动机正反转，使双向油泵输出压力油，经液压控制阀送至油缸，实现油缸的往复。从而带动螺旋采样头沿导轨升降，实现全煤层采样。其升降速度一

13、般为固定值。（2）液压油缸推动式压油站输出压力油，经液压控制阀送至油缸，实现油缸的往复运动。从而带动螺旋采样头沿导轨升降，实现全煤层采样。其升降速度在一定范围内无级可调。（3）电动绞车驱动式升降速度驱动电机型号减速机型号刹车装置100MM/（升）70MM/S（降）YDEJI32S-4/6XWD6-59-3/4有通过控制电动机绞车正反转，带动绞车钢丝绳上下运动，从而带动螺旋采样头沿导规升降，实现全煤层采样。其升降速度一般为固定值。电液推杆推动式和电动绞车驱动式结构简单、可靠、控制方便；而液压油缸推动式需要配置液压站，控制较复杂，现场调试周期长。本设计选用的是电液推杆推动式螺旋采样头升降机构。3.

14、选点机构（1）桥式采样选点机构速度功率减速机型号刹车装置大车行走机构0.65M/S2.2KWBWY18-29有小车行走机构0.32M/S1.5KWBWY22-59有 采用桥式行车梁箱式结构，此种方式能实现全自动随机选点。（2）回转式速度功率减速机型号刹车装置回转机构1RPM0.75KWBLY2215-43*11有小车行走机构0.3M/S1.1KWFA47DT90S4BMG有通过回转机构的小车行走机构的运动来实现采样选点。此种方式需人工操作选点。本设计选用的是桥式采样选点机构。（三）SDCY型采制样装置介绍1 概述SDCY采制样装置是在吸收国外先进经验基础上，根据国内工业现状设计的系列产品，它实

15、现了采取具有代表性子样的目的。该采样装置根据使用不同，可分为皮带机头部、中部采制样系统和汽车、火车螺旋采制样系统。整个系统不易堵煤、报警监测系统完善，程控特性好，且易于安装维护。 2 采样系统 采样系统的工作过程一般如下：初级采样机按所编程序每隔一定的时间间隔采集一次子样，子样被放入样品给料机上，给料机将初级样品连续均匀地输入破碎机，破碎机按规定的粒度要求进行破碎，破碎后的物料经过初级采样机进行二次采样缩分，最终样品进入样品收集器内，系统中的余料经处理设备返回到物料流中。 3 汽车螺旋采制样机系统优点 可快速、可靠地采样，小时取样能力高达30车； 设计坚固、紧凑的结构，可使维护量减到最低限度；

16、 全部预先安装接线，并经过严格的检测，可节省现场装配费用； 可保证均匀的给料流量和减少煤尘及堵塞问题； 一至两个采样点，可使余料降到最低限度。第二章 车运原煤自动采样系统控制系统设计一、 采样装置的PLC 控制系统组成（一）电源 动力回路：交流380V 三相50HZ 控制回路：交流220V 单相50HZ采制样设备采用独立的配电系统，系统装有欠压、短路、过载、缺相等保护装置，具有良好的短路，过载及保护功能。装置的设备之间装有可靠的联锁及互锁功能。控制系统采用PLC进行编程控制，系统具有现场手动和远程自动控制两种方式。现场手动用于调试，维修和单机启动。当选择自动工作方式时，采制样装置设备可按规定程

17、序自动启动和停止，自动采制样品；也可以选择解锁，由操作人员根据现场实际情况，有选择的启动，停止采制样系统。控制系统具有自动检索设备工作状况的功能，系统根据设在设备上传感器的信号，自动检查设备工作正常与否，有故障即可报警。报警后鼓掌处上部设备即可停机，下部设备按程序延时停止，防止堵煤。电气柜面板上设有用调整采样及缩分间隔的定时器，可根据不同煤种改变定时器的设定，使PLC自动调整系统工作，确保采样的子样数，样品质量符合有关规定。（二）操作方式电气控制系统采用可编程器和工控机进行联合。可实现自动和手动两种工作方式。自动工作方式：将电气柜控制面板上工作方式选择开关置于自动状态，按一下系统启动按钮，制样

18、系统自动按顺序启停。启动过程完成后，如有汽车进入采样位置，再按一下系统启动按钮，采样系统即自动定位、自动采样，然后自动都退回原位放料，制样系统制完样后自动按顺序停机。手动工作方式：将电气柜控制面板上工作方式选择开关置于手动状态，所有设备均需用相应操作开关启停，此方式用于平时维护和检修。二、 PLC的工作原理和结构组成（一）硬件组成PLC生产厂家很多，产品的结构也各不相同，但它们的基本构成相同，都采用计算机结构，如图21所示。由图可见主要有6个部分组成，包括CPU（中央处理器）、存储器、输入/输出接口电路、电源、外设接口、I/O扩展接口。图2-1 PLC结构示意图1. 微处理器(CPU 及其存储

19、器)PLC 是一种数字运算的电子设备,它专为工业环境下应用而设计,微处理器及其存储器是PLC 的心脏和管理、指挥中心. 系统程序是由厂家编好并存入系统存储器中,接受用户通过外设输入的用户程序,并将它们存于用户程序存储器中. 进入运行状态,操作系统先进行自我诊断, 通过后转入用户程序运行. 经过逻辑运算、算术运算等操作. 并通过数字式,模拟式的输出控制各类型的相关设备或生产过程。CPU的主要功能：（1）接收输入信号，并送入存储器存储起来；（2）按存入指令的顺序，从存储器中取出用户指令进行翻译；（3）执行指令规定的操作，并将结果输出；（4）接收输入、输出接口发来的中断请求，并进行中断处理，然后再返

20、回主程序继续顺序执行。2 存储器 存储器主要功能是存放程序和数据。程序是PLC操作的依据，数据是PLC操作的对象。根据存储器在系统中的作用，可分为系统程序存储器和用户程序存储器。（1）系统程序存储器。系统程序是指对整个PLC系统进行调度、管理、监视及服务的程序，它决定了PLC的基本智能，使PLC能完成设计者要求的各项任务。系统程序存储器用来存放这部分程序。（2）用户程序存储器。用户程序是用户在各自的控制系统中开发的程序，是针对具体问题编制的。用户程序存储器用来存放用户程序，以及存放输入/输出状态、计数/定时的值、中间结果等，由于这些程序或数据需要经常改变、调试，故用户程序存储器多为随机存储器（

21、RAM）。PLC具备了系统程序，才能使用户有效地使用PLC；PLC系统具备了用户程序，通过运行才能发挥PLC的功能。3. 输入和输出接口输入、输出接口电路是PLC与现场I/O设备相连接的部件。它的作用是将输入信号转换为CPU能够接收和处理的信号，将CPU送出的弱电信号转换为外部设备所需要的强电信号。因此，它不仅能完成输入、输出接口电路信号传递和转换，而且有效地抑制了干扰，起到了与外部电的隔离作用。（1）输入接口电路。输入接口一般接收按钮开关、限位开关、继电器触点等信号。（2）输出接口电路。输出接口电路按照PLC的类型不同一般分为继电器输出型、晶体管输出型和晶闸管输出型三类，以满足各种用户的要求

22、。4电源 PLC的电源电路是将交流电源经整流、滤波、稳压后变换成供PLC的中央处理、存储器等电子电路工作所需的直流电压。为保证PLC工作可靠，一般采用的是开关型稳压电源，其特点是电压范围宽、体积小、重量轻、效率高、抗干扰性能好。5. 通信接口、系统总线通信接口是人与PLC 进行信息交换的窗口和桥梁,通过它与计算机编程器等相连接,可以将用户程序送到PLC 的用户程序存储器中,从而实现编程、调试、运行、监控等功能. 系统总线把各独立的功能模块相互联结起来. （二）软件组成PLC 控制系统的软件主要由系统软件、应用软件、编程语言和编程支持工具软件等组成。（三）工作原理PLC 采用一种叫做循环扫描的工

23、作方式,在系统软件的支持下,PLC 对用户程序逐行进行解释并加以执行,直到用户程序结束,然后再返回程序的起始点又开始新一轮的扫描. 扫描一次用户程序的时间即扫描周期一般为0. 1ms几十ms 不等. 但其结果使人感觉到的效果如同继电器控制屏一样.PLC的工作方式为循环扫描方式。PLC的工作过程大致分为3个阶段，即输入采样、程序执行和输出刷新。PLC重复的执行上述3个阶段，周而复始。每重复一次的时间称为 一个扫描周期。（1）输入采样PLC在系统程序控制下以扫描方式顺序读输入端口的状态（如开关的接通或断开），并写入输入状态寄存器，此时输入状态寄存器被刷新。接着转入程序执行阶段。在程序执行期间，即使

24、输入状态发生变化，输入状态寄存器的内容也不会改变。输入状态的改变只能在下一个扫描周期输入采样到来时，才能重新读入。（2）程序执行PLC按照梯形图先左后右，先上后下的顺序扫描执行每一条用户程序。执行程序时所用的输入变量和输出变量，是在相应的输入状态寄存器和输出状态寄存器中取用，运算的结果写入输出状态寄存器。（3）输出刷新将输出状态寄存器的内容传送给输出端口，驱动输出设备，这才是PLC的实际输出。上述三个阶段构成了PLC的一个工作周期。实际上PLC的扫描工作还要完成自诊断，与编程器、计算机等通信，如图22所示。如此5个工作阶段，构成了一个扫描周期。一般扫描时间长短主要取决于程序的长短，通常扫描周期

25、为几十毫秒。图2-2 PLC工作过程图（四）PLC 的性能和特点由于引入了PLC ,使系统较原系统具有如下优点:(1) 电控系统中的继电器逻辑关系均可用编程器结合指令进行程序的编制,而且梯形图与控制电路图之间的转换十分方便;(2) 在不增加硬件的前提下,可增加许多种保护;(3) 外线路控制执行继电器少,便于维护;(4) 系统内部故障可以直接在触摸显示屏或编程器上查出,处理方便;(5) 主控台能准确提供行程、速度、油压等数据,便于司机观察;(6) 控制精度高、扩展功能强。如需对系统的功能及参数进行改变,无须更改硬件接线,只要修改内部程序即可,真正实现了柔性控制。（五）编程语言PLC是专为工业自动

26、控制开发的装置。为利于推广普及，通常PLC不采用计算机的编程语言，而采用梯形图语言、助记符语言。除此之外，还可以使用逻辑功能图，而采用梯形图、逻辑方程等。有些PLC可使用BASIC、PASCAL、C等高级语言。1 梯形图语言作为一种图形语言，它将PLC内部的各种编程元件和各种具有特定功能的命令用专用图形符号定义，并按控制要求将有关图形符号按一定规律连接起来，构成描述输入、输出之间控制关系的图形。这种图形称为PLC梯形图。PLC梯形图表示的并不是一个实际电路，而是一个控制程序。PLC梯形图中的继电器是广义的，除了有输出继电器线圈、内部继电器线圈，而且还有定时器、计数器以及各种运算等。PLC梯形图

27、中继电器的触点对应的是存储器的存储单元，在整个程序运行中是对这个信息的读取、可以多次重复使用。因此可认为PLC内部的“软继电器”有无数个常闭或常开触点供用户使用，没有使用寿命的限制，无需用复杂的程序结构来减少触点的使用次数。PLC梯形图是串行工作方式，按梯形图先后顺序自左至右，自上而下执行，并循环扫描，不存在几条并列支路电器同时动作因素。如果逻辑继电器状态改变时，其许多触点只有被扫描的触点才会工作。这种串行工作方式可以在梯形图设计时减少许多有约束关系的连锁电路，使电路设计简化。2 助记符语言助记符语言类似于计算机的汇编语言。它采用一些简洁易记的文字符号表示各种程序指令，与梯形图语言相互对应，而

28、且可以相互转换。梯形图语言虽然直观、方便、易懂，但必须配有较大的显示器才能输入图形，一般多用于计算机编程环境中。而助记符语言常用于手持编程器，可以通过输入助记符语言在生产现场编制、调试程序。助记符语言包含2个部分，即：操作码、操作数。操作码表明该条指令应执行的操作种类，如数据传送、算术运算、逻辑运算等；操作数一般由标识符和参数组成。标识符表明输入继电器、输出继电器、计数器、定时器等；参数可以是一个常数，如计数器、定时器的设定值等。与计算机相比，PLC的硬件、软件体系结构都是封闭的，而不是开放的。因此，各厂家生产的PLC除梯形图相似，指令系统并不一致，使PLC互不兼容。三、PLC的选择随着PLC

29、的推广普及，PLC产品的种类和数量越来越多，而且功能也日趋完善。近年来，从美国、日本、德国等国引进的PLC产品及国内厂家组装或自行开发的产品已有几十个系列、上百种型号。PLC的品种繁多，其结构型式、性能、容量、指令系统、编程方法、价格等各不相同，适用场合也各有侧重。因此，合理选择PLC，对于提高PLC在控制系统中的应用起着重要作用。根据PLC结构形式的不同，PLC主要可分为整体式和模块式两类。模块式结构的PLC是由一些模块单元构成，如CPU模块、输入模块、输出模块、电源模块和各种功能模块等，将这些模块插在基板上即可。各模块功能是独立的，外形尺寸是统一的，可根据需要灵活配置。因此，较复杂的、要求

30、较高的系统一般选用模块式的PLC。据系统的控制要求可以得知需设置26个输入量，16个输出量，选用输入点数为48、输出点数为32的CQM1HCPU21-E型可编程控制器即可满足要求。因此，选择为模块式的PLC。输入器件和CQM1HCPU21-E型可编程控制器输入点的分配如表所示。表2-1 输入信号序号名称符号1半自动SA12自动SA13系统启动SB14系统停止SQ25大车原位1SQ86大车计数SQ97小车原位SQ108小车计数SQ119采样头原位SQ1210螺旋采样头计数SQ1311汽车定位开关KB12电铃按钮SB313急停SB414大车前进把手SA215大车后退把手SA216小车前进把手SA217小车后退把手SA218采样头上升把手SA319采样头下降把手SA320采样头料门开把手SA321采样头料门关把手SA322采样头正转按钮SB523采样头反转按钮