基于S7-200與MCGS的煤樣清洗系統設計

羅杰, 王春蓮, 周劍, 邵明凱

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

0 引言

煤炭資源作為我國重要能源之一，不僅與人們日常生活有密切聯系，而且對于國家各方面發展也起到一定促進作用[1-3]。隨著社會發展,高效清潔的煤炭已成為人們研究的主題，中國作為世界煤炭資源大國，在清潔煤炭領域已研究多年，認為煤炭能夠成為清潔能源[4]。

煤炭質量檢測是毛煤采掘、原煤洗選加工和商品煤產品結構優化的重要依據，檢測手段不健全則無法保證商品煤質量的均衡性。煤炭檢測檢驗主要包括采樣、制樣及化驗[5]。煤樣在采掘后表面附著許多雜質，對后續制樣及實驗產生不利影響，因此洗煤工藝是影響煤質研究結果的重要工藝之一。 目前一些實驗機構洗煤設備老化嚴重，導致自動化程度低，洗煤效率低、質量差[6]，甚至有些機構采用人工清洗煤樣的方式，只憑經驗來判斷是否清洗干凈，這不僅浪費水資源而且效率低。隨著自動化控制技術已深入社會生活的方方面面，并且得到全方面的發展與應用[6]。王軍等[7]設計跳汰洗煤機自動排矸控制裝置，提高了跳汰洗煤機工作效率、降低了洗煤成本的有益效果；李詩雨等[8]針對神華巴彥淖爾能源有限責任公司洗煤廠進行研究，構建了基于現場總線的網絡化自動控制方案，設計了一套自動洗煤控制系統，顯著提高了洗煤效率;馮哲等[9]為優化洗煤工藝, 實現對機電設備運行狀態的在線監控, 提出了基于WinCC的洗煤車間機電設備監控方案。因此為提高洗煤效率、節約成本，需要一套完整的自動化控制系統。

德國西門子公司生產的S7-200 PLC功能強大，性能優越，市場認可度很高，在工業生產中應用廣泛[10]。本文設計以PLC為控制核心，通過光電傳感器對清洗液的灰度進行采集，用來判斷清洗液的潔凈程度，采用MCGS組態軟件設計控制畫面，對清洗過程實時監控，實現煤樣自清洗和自檢測的功能。

1 系統的總體流程設計及原理

煤樣自動清洗系統主要由四大部分組成，分別為煤樣清洗部分、灰度檢測部分、系統的控制柜部分和上位機部分。清洗部分和檢測部分都是由控制柜部分根據現場液位傳感器和光電傳感器采集的數據進行分析控制的。上位機可以顯示系統工作狀態，也可以通過上位機改變各個模塊的工作狀態。

本文設計采用的是S7-200 PLC，為了使系統有更好的兼容性和可靠性，控制相關的模塊均選用西門子產品。

1.1 煤樣自清洗系統流程設計

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

自動煤樣清洗設備的工藝流程如圖1所示。

圖1 自動煤樣清洗設備的工藝流程圖

自動洗煤樣設備工藝流程為：

1) 設備通電開啟水泵同時2個噴嘴噴出水霧，為了清洗桶壁上的異物，設定水泵的工作時間。

2) 打開進水閥門，當水位達到設定的液位后關閉進水閥門停止進水。

3) 啟動電機開始攪拌清洗，設定攪拌時間。

4) 將清洗一段時間后的清洗液通過排水閥門排出一部分，然后打開進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別其表面灰度值來判斷是否清洗干凈。

5) 當灰度值滿足設定參數時，表明已清洗干凈，打開排料閥門，將煤樣排出；當不滿足設定參數，打開排水閥門，將清洗液排出，并繼續上述2～5的步驟，直到清洗干凈。

2 控制系統的總體設計

本裝置由水泵、電動機、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個數字量I/O點，2輸入/1輸出共3個模擬量I/O點，可連接7個擴展模塊，最大擴展值至168路數字量I/O點或38路模擬量I/O點[11]。該型號PLC價格便宜，性能穩定，能夠連接擴展模塊，在控制市場應用廣泛，符合系統設計要求。

2.2 光電傳感器選型

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

根據工藝要求，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，會與清洗中的CL元素發生反應，產生白色沉淀。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原理檢測與硝酸銀試劑反應過的清洗液中是否含有白色沉淀，進而判斷煤樣是否清洗干凈。

目前，光電傳感器的種類很多，根據其發光原理可分為槽型類光電傳感器、對射型光源傳感器、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中應用廣泛，技術成熟，價格相對便宜，因此選用槽型類模擬量輸出白光傳感器。

2.3 I/O分配

煤樣自動清洗系統的I/O分配如表1所示。給PLC上電后，系統先進行初始化動作，然后可以通過I/O 0.0控制煤樣自動清洗系統的開啟，其他功能可以通過其他I/O點控制。

表1 I/O分配表

2.4 變頻器

由于異步電動機在變頻調速中轉差功率不變，本設計采用異步電動機作為清洗動力。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，也可以通過開關量進行簡單的控制。通信方式多種多樣，在工程中有較高的靈活性，因此選用MM440變頻器對電動機進行調速。

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。根據設計要求確定PLC接線原理如圖2所示。

圖2 PLC接線原理

3 PLC程序設計

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編程軟件簡單直觀，易上手。

光電傳感器與PLC之間的數據轉換過程如圖3所示。

圖3 數據轉換過程

模擬量與PLC200對應關系：單極性 0～10 V 0～20 MA(0-32 000);雙極性 -10～10 V(-32 000-32 000)。

圖4和圖5為光電傳感器的數值采集與控制程序圖。當灰度值符合清洗要求，系統控制煤樣與清洗液一起流出，清洗結束。當灰度值未達到工藝要求，則排出污水后繼續放入清水進行清洗。

圖4 灰度值采集

圖5 光電傳感器控制程序

4 MCGS組態頁面設計

選用MCGS作為自動煤樣清洗設備的上位機組態軟件，該組態軟件不需要其他輔助軟件，操作簡單，許多應用程序都可以在軟件庫里直接調用，功能強大。MCGS通過對現場數據的采集處理，以動畫顯示、報警處理、流程控制和報表輸出等多種方式向用戶提供解決實際工程問題的方案，在自動化領域有廣泛的應用[13]。

本系統組態畫面包括主頁面、仿真控制界面、報警畫面和歷史數據等畫面。

圖6和圖7組態軟件的控件與PLC的變量對應關系，圖8為仿真控制界面，該界面與PLC連接，可以實時監控煤樣自清洗系統的工作狀態，也可通過控制面板改變清洗過程，控制電動機的轉速以及各種閥門的開度。

圖6 實時數據庫

圖7 S7-200PPI

圖8 仿真控制界面

5 結論

基于S7-200 PLC的煤樣自動清洗控制系統實現了煤樣自清洗、自檢測等控制功能。該系統以MCGS作為組態軟件，對設備既可以現場控制，也可以通過顯示屏幕進行遠距離操控、調試，使煤樣清洗得以自動化進行，避免了傳統人工清洗的繁瑣，顯著提高了工作效率，節約了水資源。