1、引言
　　
　　zui近幾年來，隨著國家宏觀經濟政策的調整，煤炭作為焦化廠zui主要的原材料，其價格一直居高不下。同時由于電煤供應日趨市場化、多元化，造成煤質波動幅度增大，煤種雜、入爐煤質控制難度加大，使發電廠鍋爐燃煤偏離設計煤種，鍋爐穩定燃燒受到破壞，引發的設備缺陷明顯增多，嚴重影響了鍋爐安全經濟穩定運行。火力發電行業的煤炭逐步全面推向市場，價格也隨之開放，煤炭的費用在火力發電廠的成本已占70-80%的份額。因此，對煤炭的管理，已也引起火力發電行業的高度重視。因此，煤的經濟性成了國內各燃煤企業重點考核指標。
　　
　　為了考評燃煤經濟性，對入廠煤進行采樣后以質論價幾乎成了所有廠家的zui常用的控制措施。從80年代起，入爐煤采制樣設備得到了高速發展；進入90年代，入場煤采制樣設備（汽車入場煤，火車入場煤）從無到有，從不完善正走向定型和。工業自動化技術在入場煤采制樣設備的廣泛運用，極大地把工人從繁雜的體力勞動和不安全的工作環境中解放出來，顯著地改善了工人的工作環境和提高了工人的工作效率。
　　
　　2、系統概念設計
　　
　　現代焦化廠往往由多個供應商供應全廠的各種用煤，供應商多數采用汽車進煤。的確定煤的發熱量、水份、灰份和其他雜質尤其重要，因為即使是很小的差別也有可能在一段時間內造成很大的損失。同時，采樣機也是煤礦企業用于商品煤采樣的機械，要求從煤流中，火車，汽車，船上以及煤堆上采取煤樣，然后加以分析，以確定煤的各種特性，用此分析結果確定合同價格，并根據要求將采樣機進行了運動動作分析，對其進行了整機的結構設計。在設計采樣時，不但注意了如何使物料連續通過采樣設備，注意了如何保持水分不損失，并且還注意了如何避免粉塵的散失，在設計采樣裝置時要充分考慮到以上因素。
　　
　　本文介紹的系統的采制樣過程全自動化，能自動完成汽車定位、隨機選擇取樣點，自動樣本采集、縮分、制樣和集樣。根據有關汽車采樣的現場條件、技術要求，并參照國家gb475-1996《商品煤樣采取方法》及gb474-1996《煤樣的制備方法》，制訂汽車采樣設計方案介紹如下：
　　
　　2.1工藝流程
　　
　　（1）汽運煤場采制樣過程可以分為：汽車自動定位--隨機選擇取樣點-采制樣-在線分析-集樣。
　　
　　（2）入場煤采制樣設備的工藝流程通常是：自動取樣--破碎--縮分留樣--余煤處理。
　　
　　當運煤車輛進入取樣區域后，汽車定位系統對車輛所有位置進行探測，得到汽車車廂在取樣區域的平面坐標參數，并傳遞給主控計算機。主控計算機根據車廂參數，自動在車廂區域內生成數個隨機取樣點。主控計算機控制機械取樣裝置在的取樣點取樣，并控制制樣設備自動完成煤樣的粉碎、縮分和集樣，在線灰分分析，隨機自動裝罐。汽車自動化采樣機是對汽車運煤進行采樣、制樣的機電一體化設備，該裝置由PLC控制，準確定位，具有結構緊湊，設計新穎，性能可靠，操作簡便等特點。其工作原理：汽車機械化采樣機安裝于運煤車經過的路旁，采樣器由大車行走部分、小車行走部分、采樣器部分等組成，大、小行車攜帶采樣器樣軌道縱向及橫向運動，采樣部分實現采樣器上下運動，從而實現任意點、任意位置、任意量采樣。可與煤質分析儀相連，實現煤質控制。此工藝流程對于火車采制樣設備基本沒有問題。
　　
　　2.2工藝瓶頸
　　
　　對于汽車入場煤采制樣設備，在縮分留樣環節存在有瓶頸，制約了汽車采樣的發展；目前的采制樣設備主要是靠操作人員判斷汽車煤屬于哪一個煤礦，然后選擇留樣的集樣瓶。因此，就存在以下問題：
　　
　　（1）選擇集樣瓶時，操作人員容易誤操作，煤樣的真實性不能得到保證。
　　
　　（2）集樣瓶更換頻繁，增加了工作人員的勞動量。
　　
　　（3）汽車采樣機的縮分留樣能力有限（集樣瓶工位數一般為6或8個），縮分留樣的煤量（縮分比）大或汽車運煤量大時，致使集樣瓶更換頻繁，增加操作人員的工作量；縮分留樣的煤量（縮分比）小時，不易反映單車煤的質量，真實性差。
　　
　　（4）采制樣設備只能采制出煤樣，不能及時的反饋出煤樣的質量（化驗結果滯后），在“扣噸”問題上焦化廠與煤礦易發生扯皮；且增加了化學分析的工作量。
　　
　　（5）焦化廠要求采制樣設備與信息管理系統數據實時共享，在線實時監控，傳統的工作方式很難做到。
　　
　　2.3概念設計
　　
　　為解決以上問題，我們根據多方考察和研究，依據以下原則進行設計：
　　
　　（1）實用性：以解決現實問題為主，堅持為業主決策服務，又為經營管理服務，為生產建設服務。
　　
　　（2）*性：采用成熟的技術，兼顧未來的發展趨勢，及量力而行，又適當超前，留有發展余地。
　　
　　（3）可擴展性：系統便于擴展，以保護前期投資的有效性和后續投資的連續性。經濟性：以節約成本為基本出發點，建立一個運行可靠、滿足公司實際需求的采制樣操作系統。
　　
　　（4）易用性：系統操作簡便、直觀，以利于各個層次的人員使用。
　　
　　（5）可靠性：確保系統可靠運行，在關鍵部分應有安全和容錯措施。
　　
　　（6）可管理性：系統從設計、器件、設備等的選型都必須考慮到系統的可管理性和可維護性。
　　
　　（7）開放性：采用符合標準的產品，保證系統具有開放性特點。
　　
　　（8）實時性：數據實時在線監察，實時現場工況監控，數據庫共享，分析結果分權限瀏覽。根據以上設計原則，并綜合考慮煤場的工作模式后，在縮分留樣環節前增加了灰水分析儀（能夠測量灰分、水分、發熱量），使其工藝流程修正參見圖1所示。　　
　　這種灰水分析儀與采制樣設備相結合的工作方式既解決了傳統工作方式不易解決的問題，又能快速地將入場煤的灰分、水分、發熱量分析出來，減少了焦化廠煤質分析人員的工作量，提高了工作效率。
　　
　　3、系統組成
　　
　　灰水分析儀與采制樣設備相結合的采樣機已成功地在河南某焦化廠投運。此系統完成一個采樣周期共計136秒，其中從汽車車廂內取樣時間為36秒，在線分析時間為100秒。系統控制原理結構框圖如圖2所示。　　
　　現場檢測儀表對生產中各個參數自動、連續地進行檢測，同時將信號反饋給現場PLC和上位機，并在上位機顯示器上顯示出來；plc和上位機比較程序中設定的工藝參數，自動地調節某臺設備的工況（啟動、停止或調速）及存儲煤質數據，從而自動滿足生產過程需要。
　　
　　3.1系統構成
　　
　　（1）上位機。本系統采用pii的研華工控機，捷瑞公司的rs232轉rs322/485工業通訊卡，數據庫采用與焦化廠信息管理系統相一致數據庫visualfoxpro6.0，采用視頻捕捉卡，圖像分割器。閉路監控系統。
　　
　　（2）可編程控制器（plc）。采用西門子公司的plc系列cpu224為控制核心，另有兩塊i/o模塊，一塊輸出模塊，一塊8輸入的模擬量轉換模塊，用于轉換在線分析儀檢測到的數據，internet通訊模塊。各種開關量及模擬量輸入到plc后，由上位機發出執行指令，plc經過運算后，將其運算結果輸出到電機、電動滾筒、電動推桿等執行機構。
　　
　　（3）上位機與plc通信：解決此問題，我們采用了北京亞控科技發展有限公司的組態王6.0作為組態軟件，通過plc編程口與上位機通信。組態王6.0是運行于microsoftwindowsnt/xp中文平臺的全中文界面的組態軟件，采用了多線程、com組件等新技術，能夠實現適時多任務，具有開放的程序接口，可以自由地存取數據，且與各種關系數據庫能夠完整連接。
　　
　　（4）汽車刷卡機。本刷卡機采用了與汽車衡相同型號的刷卡機lk480，用于自動識別不同煤礦的煤炭和車號，以保證煤質分析結果與對應煤車的一致性，便于焦化廠管理。
　　
　　（5）灰水分析儀。此分析儀在0.5分鐘以上能將灰分、水分、發熱量分析出來，且其精度誤差小于0.5%，我們綜合考慮后采用了清華大學研制的hsfx-2000型灰水分析儀。
　　
　　3.2運行方式
　　
　　本系統的操作*由上位機完成，操作人員運用鼠標點擊要操作的對象，上位機通過組態王6.0將指令傳遞給PLC，plc經過運算后決定要進行的工作。系統設置了兩種工作方式：手動運行，自動運行。
　　
　　（1）手動運行：操作人員分別點擊對應的設備，即完成設備的啟停、分析儀的設置等，此工作方式各設備間無連鎖，主要是調試和維修時使用。
　　
　　（2）自動運行：此方式是正常工作的運行方式。設備啟動完成后，當需要采樣時，操作人員只需點擊“采樣”按鈕，采樣機就自動讀取汽車ic卡的信息，產生隨機采樣點，煤樣破碎后經過自動分析，上位機自動將分析結果與對應的ic卡信息存入數據庫，供焦化廠信息管理系統調用。煤樣合格時，集樣瓶內不留煤樣；煤樣不合格時，系統自動縮分留樣，以供焦化廠進一步化驗和檢測。
　　
　　3.3系統功能
　　
　　系統具體功能和特點有：系統根據汽車司機的ic卡能夠自動識別車輛的來源，并將卡的數據與煤質參數對應地存放在一起；在采樣區域內自動產生隨機采樣點，并自動完成采樣；對煤樣自動進行灰水在線分析；根據煤質參數的結果自動決定是否留樣；將每個煤樣的煤質參數轉換成焦化廠信息管理系統所需的數據庫格式文件；系統提供了詳實的采樣紀錄供操作人員查詢和打印；系統具有多種連鎖保護邏輯；若系統出現故障時，自動打印出故障說明，并自動停車等待故障解除；當操作人員誤操作時，系統將彈出豐富的連鎖保護界面供操作人員參考；全部系統動作可根據plc指令，按設置的程序自動完成，依賴plc實現檢測、程控、報警、指示、聯鎖及解鎖等功能，并實時檢測來自設備的各種位置，控制系統包括供電、保護、控制及控制柜（可選用工控機或觸摸屏，能夠實時生動地顯示設備運行狀況及實現故障報警，并實現自動與手動之間的操作切換），出現問題，發出報警信號，整個系統由上而下地程序關機，以防設備及聯帶事故的發生；螺旋采樣頭垂直安裝在三維移動的載體上，升降對位靈活，可實現表層棄料，任意的深度斷面取樣，操作簡便，符合國家采樣標準。該采樣頭螺旋桿底部，裝有合金刀頭，可破碎或撥開大塊物料及其它異物，以保證取樣的順利進行及安全性，尤其適用于北方冬季煤層結冰狀況下的采樣。
　　
　　采樣頭直徑按煤樣含量超過5％，按zui大粒度的2.5-3倍要求設計；性能優良的環錘式破碎機，其錘頭可換，出料粒度可調節，對不易破碎異物有排出處理機構。破碎出料粒度不大于6mm的不低于95%，保證來煤水份達20%時不堵煤；旋轉式縮分器，縮分頭的動作由plc設定，該縮分器設計精巧，分樣斗采用不銹鋼材制作，驅動功率小、故障率低。其縮分可調，而且精度高、外形尺寸小；由于在次級制樣系統中采用了喂料皮帶輸送機，使物料在運動中均勻地進入下一級設備，保證了破碎，環節從容地進行，有效避免了因喂料不均勻造成的堵料故障。避免水份散失及樣品的污染。喂料機采用全密封處理，避免人為因素干擾。為提高采制樣設備的過程管理水平，為適應用戶對計算機網絡管理的需求，自動化采制樣裝置可選用了計算機監控管理系統；工控機與plc實現雙向通訊，可通過工控機輸出設備程序開啟指令，并可根據需要通過工控機直接干預或修改采制樣程序及有關參數。工控機與皮帶秤稱重儀表通過rs-232/485接口電路實現數據通訊，并接收各終端元件的開關量信號，通過工控機屏幕上“動態工藝流程圖”軟件監測跟蹤現場工藝狀況，并實現對各類數據的監測、整理及輸出打印；該系統可作為一個網絡站點，與上位機通訊，實現用戶的局域網絡管理。采樣系統可作為一個子系統或一個網絡結點，納入到整個工廠局域網中，plc與計算機聯網后，再使用相應的編程軟件（如梯形圖或流程圖）及其它語言編程，比較方便；可簡化系統布線、維修，并提高工作的可靠性；可對現場智能裝置進行管理，充分發揮這些裝置的效益，推進生產自動化、智能化；一次膠帶輸樣機：一次喂料機為全密封結構，料門開度可方便的調整，可將子樣均勻地輸入破碎機；破碎機：破碎機為環錘式破碎機，其錘頭可更換，出料細度可調節，對不易破碎異物有排出處理機構。破碎出料細度可達6mm（不少于95%）；二次膠帶輸樣機：理論上破碎機的輸出是不均衡的，因而直接對其輸出的子樣進行縮分，不可能保證標準要求的縮分精密度，必須配置二次膠帶輸樣機；由于其轉速可無級調整，且又有可調閘門，故能嚴格做到子樣均勻流出，做到合理縮分；縮分器：為直線式擺動縮分機構，維護量小、外形尺寸小，縮分頭的動作由電子定時器設定，縮分比可調，而且精度高、范圍大，結構設計合理，煤樣收集管及縮分頭采用不銹鋼制造，不會產生堵料；自動換桶機（電動推桿驅動）：有“園盤自動換桶”和“環鏈式自動換桶”供用戶選擇，所配樣桶（取樣器）密封性強，使用方便；余煤回收機：采用斗式提升機（電機驅動），出料方式有二種：分散式：配小料斗可擺動溜槽（電動推桿驅動），使余煤回至下一汽車車廂內；集中式：配大料倉（5t），使余煤集中儲存，每班一次，放入回煤車；機架及操作室：鋼結構，包括機架、導軌、維護平臺及頂棚等，其中部分制樣設備（如破碎輸樣、縮分及換桶機）可按用戶要求密封在單元室內（二次制樣單元）。對于采用雙頭橫移式采樣車，實行自動控制時，將省去上部操縱室，將控制臺設在地面工作間內；為保證系統可靠、運行，本系統的構成設備均設置檢測元件，可編程控制器定時檢測各設備的運行狀態，當發現不正常狀況時，PLC可自動采取補救措施，報警無效時，plc自動順序停機；現場的閉路監控系統帶有硬盤存儲系統，調動值班人員可隨時觀察現場取樣工作，還可查詢歷史工況。采樣機自動運行操作界面如圖3所示。　　
　　4、研發評估
　　
　　采用帶煤質在線分析的采制樣機有以下優缺點。
　　
　　4.1系統優點
　　
　　從采制樣到化驗分析，*是自動完成，排除了人為干擾因素，保證了樣品的真實性。正常工作情況下，從采制樣到分析煤質結果只需一個工作人員，節省了勞動力。采集的煤樣不必經過焦化廠化驗室化學分析，其分析數據自動存入焦化廠信息管理系統的數據庫，使數據在一定權限內共享，方便管理、查詢和打印，減少了焦化廠二次制樣和化學分析，提高了工作效率。采樣機使用刷卡制，避免了漏采的可能性，便于焦化廠對車輛的管理。采樣機采用plc與工控機共同控制的方式，維修量小，可靠性高。煤樣分析數據自動存入信息管理系統的數據庫，方便焦化廠其他工作人員的查詢，提高了信息的快速性。采用plc控制，運用成熟的自動控制技術，使采樣機的采樣頭能在的三維空間內任意一點采樣，自動完成旋轉，下降，采樣，上升，回位，卸樣，破碎，縮分，分礦點收集子樣、棄樣等工作。該機器適應國內各種運媒或散狀礦石的車型。該機的采樣頭采用安陽鑫達自控科技有限公司的產品，具有良好的水份適應性，公司自行研制的防止破碎機內腔粘煤和堵塞裝置（已申請）應用于制樣系統的破碎機，對提高制樣系統的水份適應性起到了關鍵作用目前國外同類產品的水份適應性在12%左右，國內同類產品的水份適應性在10%左右，而我公司產品的水份適應性達到16%。
　　
　　4.2系統缺點
　　
　　目前國內的灰水在線分析儀發展還不十分完善，還主要依靠國外進口，因此造價較高，一次性投資大。由于灰水分析儀需要煤質的靜態和動態的標定，且此工作較繁瑣，因此調試標定工作需反復進行。
　　
　　5、結束語
　　
　　原煤自動采制樣裝置是針對燃煤焦化廠對控制入廠煤的質量而研發的產品，采制樣裝置通過精心設計，具有結構簡單、性能可靠、采樣精度高、對煤中的難碎異物具有很強的適應能力等特點。采樣系統的設計、制造*符合有關國家標準和標準，可保證采樣數據準確性，滿足商業結算或正平衡計算發電煤耗的要求。該裝置主要用于焦化廠、燃煤電廠及類似以煤作燃料的大型企業，也可用于冶金企業礦粉類采樣。采用的自動化設備是提高我們工作效率的必由之路，也是社會發展的必然趨勢。隨著我國經濟的發展，灰水分析儀的完善，計算機控制和灰水分析儀與自動化采制樣設備的結合將是采制樣設備的發展方向。