基于S7-200與MCGS的煤樣清洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

羅杰, 王春蓮, 周劍, 邵明凱

(1. 新疆維吾爾自治區(qū)煤炭煤層氣測(cè)試研究所， 新疆 烏魯木齊 830000；2. 新疆大學(xué)， 新疆 烏魯木齊 830000)

0 引言

煤炭資源作為我國(guó)重要能源之一，不僅與人們?nèi)粘Ｉ钣忻芮新?lián)系，而且對(duì)于國(guó)家各方面發(fā)展也起到一定促進(jìn)作用[1-3]。隨著社會(huì)發(fā)展,高效清潔的煤炭已成為人們研究的主題，中國(guó)作為世界煤炭資源大國(guó)，在清潔煤炭領(lǐng)域已研究多年，認(rèn)為煤炭能夠成為清潔能源[4]。

煤炭質(zhì)量檢測(cè)是毛煤采掘、原煤洗選加工和商品煤產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要依據(jù)，檢測(cè)手段不健全則無法保證商品煤質(zhì)量的均衡性。煤炭檢測(cè)檢驗(yàn)主要包括采樣、制樣及化驗(yàn)[5]。煤樣在采掘后表面附著許多雜質(zhì)，對(duì)后續(xù)制樣及實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生不利影響，因此洗煤工藝是影響煤質(zhì)研究結(jié)果的重要工藝之一。 目前一些實(shí)驗(yàn)機(jī)構(gòu)洗煤設(shè)備老化嚴(yán)重，導(dǎo)致自動(dòng)化程度低，洗煤效率低、質(zhì)量差[6]，甚至有些機(jī)構(gòu)采用人工清洗煤樣的方式，只憑經(jīng)驗(yàn)來判斷是否清洗干凈，這不僅浪費(fèi)水資源而且效率低。隨著自動(dòng)化控制技術(shù)已深入社會(huì)生活的方方面面，并且得到全方面的發(fā)展與應(yīng)用[6]。王軍等[7]設(shè)計(jì)跳汰洗煤機(jī)自動(dòng)排矸控制裝置，提高了跳汰洗煤機(jī)工作效率、降低了洗煤成本的有益效果；李詩雨等[8]針對(duì)神華巴彥淖爾能源有限責(zé)任公司洗煤廠進(jìn)行研究，構(gòu)建了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)化自動(dòng)控制方案，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)洗煤控制系統(tǒng)，顯著提高了洗煤效率;馮哲等[9]為優(yōu)化洗煤工藝, 實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的在線監(jiān)控, 提出了基于WinCC的洗煤車間機(jī)電設(shè)備監(jiān)控方案。因此為提高洗煤效率、節(jié)約成本，需要一套完整的自動(dòng)化控制系統(tǒng)。

德國(guó)西門子公司生產(chǎn)的S7-200 PLC功能強(qiáng)大，性能優(yōu)越，市場(chǎng)認(rèn)可度很高，在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛[10]。本文設(shè)計(jì)以PLC為控制核心，通過光電傳感器對(duì)清洗液的灰度進(jìn)行采集，用來判斷清洗液的潔凈程度，采用MCGS組態(tài)軟件設(shè)計(jì)控制畫面，對(duì)清洗過程實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)煤樣自清洗和自檢測(cè)的功能。

1 系統(tǒng)的總體流程設(shè)計(jì)及原理

煤樣自動(dòng)清洗系統(tǒng)主要由四大部分組成，分別為煤樣清洗部分、灰度檢測(cè)部分、系統(tǒng)的控制柜部分和上位機(jī)部分。清洗部分和檢測(cè)部分都是由控制柜部分根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)液位傳感器和光電傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析控制的。上位機(jī)可以顯示系統(tǒng)工作狀態(tài)，也可以通過上位機(jī)改變各個(gè)模塊的工作狀態(tài)。

本文設(shè)計(jì)采用的是S7-200 PLC，為了使系統(tǒng)有更好的兼容性和可靠性，控制相關(guān)的模塊均選用西門子產(chǎn)品。

1.1 煤樣自清洗系統(tǒng)流程設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)包括電源模塊、西門子S7-200 PLC、液位模塊、光電傳感器模塊等。

自動(dòng)煤樣清洗設(shè)備的工藝流程如圖1所示。

圖1 自動(dòng)煤樣清洗設(shè)備的工藝流程圖

自動(dòng)洗煤樣設(shè)備工藝流程為：

1) 設(shè)備通電開啟水泵同時(shí)2個(gè)噴嘴噴出水霧，為了清洗桶壁上的異物，設(shè)定水泵的工作時(shí)間。

2) 打開進(jìn)水閥門，當(dāng)水位達(dá)到設(shè)定的液位后關(guān)閉進(jìn)水閥門停止進(jìn)水。

3) 啟動(dòng)電機(jī)開始攪拌清洗，設(shè)定攪拌時(shí)間。

4) 將清洗一段時(shí)間后的清洗液通過排水閥門排出一部分，然后打開進(jìn)試劑閥門將試劑滴入排出的清洗液中，并通過光電傳感器識(shí)別其表面灰度值來判斷是否清洗干凈。

5) 當(dāng)灰度值滿足設(shè)定參數(shù)時(shí)，表明已清洗干凈，打開排料閥門，將煤樣排出；當(dāng)不滿足設(shè)定參數(shù)，打開排水閥門，將清洗液排出，并繼續(xù)上述2～5的步驟，直到清洗干凈。

2 控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本裝置由水泵、電動(dòng)機(jī)、液位傳感器、光電傳感器和各種閥門等組成。

2.1 PLC選型

西門子 S7-200 CPU 224XP CN系列集成14輸入/10輸出共24個(gè)數(shù)字量I/O點(diǎn)，2輸入/1輸出共3個(gè)模擬量I/O點(diǎn)，可連接7個(gè)擴(kuò)展模塊，最大擴(kuò)展值至168路數(shù)字量I/O點(diǎn)或38路模擬量I/O點(diǎn)[11]。該型號(hào)PLC價(jià)格便宜，性能穩(wěn)定，能夠連接擴(kuò)展模塊，在控制市場(chǎng)應(yīng)用廣泛，符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

2.2 光電傳感器選型

光電傳感器是利用光電效應(yīng)原理，可以檢測(cè)從被測(cè)物體表面返回的光的電阻值，用于區(qū)分黑色和其他顏色。

根據(jù)工藝要求，主要清洗煤樣上表面附著的CL元素，因此在清洗液中添加硝酸銀試劑，會(huì)與清洗中的CL元素發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生白色沉淀。由于煤樣清洗液為黑色液體，因此可以通過光電傳感器利用灰度檢測(cè)原理檢測(cè)與硝酸銀試劑反應(yīng)過的清洗液中是否含有白色沉淀，進(jìn)而判斷煤樣是否清洗干凈。

目前，光電傳感器的種類很多，根據(jù)其發(fā)光原理可分為槽型類光電傳感器、對(duì)射型光源傳感器、反光版型光電傳感器以及漫反射性的光電傳感器[12]。槽型類光電傳感器在工業(yè)中應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，價(jià)格相對(duì)便宜，因此選用槽型類模擬量輸出白光傳感器。

2.3 I/O分配

煤樣自動(dòng)清洗系統(tǒng)的I/O分配如表1所示。給PLC上電后，系統(tǒng)先進(jìn)行初始化動(dòng)作，然后可以通過I/O 0.0控制煤樣自動(dòng)清洗系統(tǒng)的開啟，其他功能可以通過其他I/O點(diǎn)控制。

表1 I/O分配表

2.4 變頻器

由于異步電動(dòng)機(jī)在變頻調(diào)速中轉(zhuǎn)差功率不變，本設(shè)計(jì)采用異步電動(dòng)機(jī)作為清洗動(dòng)力。MM440變頻器是西門子公司推出的多功能性變頻器，與PLC之間既可模擬量輸入和輸出，也可以通過開關(guān)量進(jìn)行簡(jiǎn)單的控制。通信方式多種多樣，在工程中有較高的靈活性，因此選用MM440變頻器對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速。

2.5 PLC接線原理圖

控制電路中，選用220 V作為輸出電路供電，用24 V直流電源給PLC輸入端供電。根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定PLC接線原理如圖2所示。

圖2 PLC接線原理

3 PLC程序設(shè)計(jì)

使用的編程軟件STEP7是西門子 S7-200系列PLC相配套的編程軟件。STEP7編程軟件簡(jiǎn)單直觀，易上手。

光電傳感器與PLC之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程

模擬量與PLC200對(duì)應(yīng)關(guān)系：?jiǎn)螛O性 0～10 V 0～20 MA(0-32 000);雙極性 -10～10 V(-32 000-32 000)。

圖4和圖5為光電傳感器的數(shù)值采集與控制程序圖。當(dāng)灰度值符合清洗要求，系統(tǒng)控制煤樣與清洗液一起流出，清洗結(jié)束。當(dāng)灰度值未達(dá)到工藝要求，則排出污水后繼續(xù)放入清水進(jìn)行清洗。

圖4 灰度值采集

圖5 光電傳感器控制程序

4 MCGS組態(tài)頁面設(shè)計(jì)

選用MCGS作為自動(dòng)煤樣清洗設(shè)備的上位機(jī)組態(tài)軟件，該組態(tài)軟件不需要其他輔助軟件，操作簡(jiǎn)單，許多應(yīng)用程序都可以在軟件庫里直接調(diào)用，功能強(qiáng)大。MCGS通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的采集處理，以動(dòng)畫顯示、報(bào)警處理、流程控制和報(bào)表輸出等多種方式向用戶提供解決實(shí)際工程問題的方案，在自動(dòng)化領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用[13]。

本系統(tǒng)組態(tài)畫面包括主頁面、仿真控制界面、報(bào)警畫面和歷史數(shù)據(jù)等畫面。

圖6和圖7組態(tài)軟件的控件與PLC的變量對(duì)應(yīng)關(guān)系，圖8為仿真控制界面，該界面與PLC連接，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控煤樣自清洗系統(tǒng)的工作狀態(tài)，也可通過控制面板改變清洗過程，控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速以及各種閥門的開度。

圖6 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫

圖7 S7-200PPI

圖8 仿真控制界面

5 結(jié)論

基于S7-200 PLC的煤樣自動(dòng)清洗控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了煤樣自清洗、自檢測(cè)等控制功能。該系統(tǒng)以MCGS作為組態(tài)軟件，對(duì)設(shè)備既可以現(xiàn)場(chǎng)控制，也可以通過顯示屏幕進(jìn)行遠(yuǎn)距離操控、調(diào)試，使煤樣清洗得以自動(dòng)化進(jìn)行，避免了傳統(tǒng)人工清洗的繁瑣，顯著提高了工作效率，節(jié)約了水資源。