孫引忠， 韓泰然

(1. 中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室， 河南 平頂山 467099； 2. 中國平煤神馬集團 能源化工研究院， 河南 平頂山 467099)

0 引言

田莊選煤廠位于河南省平頂山市東部，是一座年原煤處理能力10.0 Mt/a的礦區(qū)型選煤廠，現(xiàn)有生產(chǎn)能力已達到年入洗原煤600萬t。在生產(chǎn)原煤入洗過程中，需要對入洗后的原煤各粒度級進行頻繁采樣和化驗(20 min采樣1次，1 h出1次化驗結(jié)果，進行快速灰分檢測)，并根據(jù)化驗結(jié)果對選煤設(shè)備進行調(diào)控，從而實現(xiàn)煤炭洗選質(zhì)量和產(chǎn)率的最佳組合，確保選煤廠經(jīng)濟效益最大化[1-4]。原煤洗選后所產(chǎn)生的精煤產(chǎn)品，需經(jīng)化驗后根據(jù)其煤質(zhì)指標來確定其價格。據(jù)調(diào)研，當前國內(nèi)絕大多數(shù)選煤廠指導生產(chǎn)采樣和煤質(zhì)化驗仍主要采用人工方式進行。對于煤質(zhì)化驗環(huán)節(jié)而言，人工化驗則難以排除人為因素對化驗結(jié)果有意或無意的影響，其中微小的偏差就會直接影響精煤產(chǎn)品的質(zhì)量分級和銷售價格，從而帶來巨大的經(jīng)濟損失。比如，選煤廠精煤產(chǎn)品中的灰分是產(chǎn)品的重要定價標準，灰分每相差0.5%，噸煤價格即相差6～10元錢，對于年入洗量百萬噸、千萬噸的企業(yè)來說，損失將是巨大的[5-7]。

為此，通過反復研究分析，決定引進工業(yè)機器人智能化驗系統(tǒng)，并利用互聯(lián)網(wǎng)+大數(shù)據(jù)信息技術(shù)，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和智能化操作[1-4]，取得了良好的效果。

1 化驗系統(tǒng)研制設(shè)計方案

1.1 研制核心

智能化驗系統(tǒng)主要完成0.2 mm分析煤樣的硫分、熱值、內(nèi)水、灰分、揮發(fā)分及6 mm全水樣的全水指標的自動化化驗。采用工業(yè)機器人技術(shù)、機器人應(yīng)用技術(shù)、非標機械自動化技術(shù)配合煤炭行業(yè)標準化驗儀器，用機器人及自動化機械直接或者間接模擬化驗人員的化驗操作流程，從而完成各項化驗指標的自動化測量，測量結(jié)果直接進入信息管理系統(tǒng)。整個化驗過程，操作人員無法直接接觸化驗煤樣，從根本上解決了人為因素對化驗結(jié)果的影響[8-11]。

1.2 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能化驗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括0.2 mm分析樣化驗系統(tǒng)、6 mm全水樣化驗系統(tǒng)和信息管理(MIS)系統(tǒng)。0.2 mm分析樣化驗系統(tǒng)的核心模塊包括微量稱重系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、行走機構(gòu)、手爪系統(tǒng)、分析儀器、煤樣進出系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)、RFID掃碼系統(tǒng)。6 mm全水樣化驗系統(tǒng)包括微量稱重系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、全水儀、拆擰蓋系統(tǒng)、煤樣進出系統(tǒng)、RFID掃碼系統(tǒng)。信息管理(MIS)系統(tǒng)核心模塊包括中央數(shù)據(jù)庫、調(diào)度監(jiān)督系統(tǒng)、報告發(fā)布系統(tǒng)、報告審核系統(tǒng)、報告查詢系統(tǒng)、APP推送系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

2 基本原理

工業(yè)機器人智能化驗系統(tǒng)是一個相對獨立的工作空間，內(nèi)部包括分析儀器(如工業(yè)分析儀、量熱儀、硫分儀、全水儀等)、微量給料稱重系統(tǒng)、工業(yè)機器人系統(tǒng)、掃碼系統(tǒng)、樣品解鎖系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、其他輔助系統(tǒng)(如坩堝處理系統(tǒng)、氧彈處理系統(tǒng)、棄料處理系統(tǒng)、煤樣盒回收系統(tǒng)等)。

由圖2所示，0.2 mm、6 mm煤樣由煤樣入口進入智能化驗系統(tǒng)。工業(yè)機器人夾持煤樣進行掃碼，自動獲取煤樣信息，并將煤樣放入樣品解鎖系統(tǒng)，打開煤樣，煤樣隨后進入微量給料稱重系統(tǒng)，稱取定量分析煤樣后，工業(yè)機器人將定量煤樣放入需要化驗所對應(yīng)的分析儀器，分析儀器自動完成測量，完成測量后，數(shù)據(jù)自動傳輸給MIS系統(tǒng)，工業(yè)機器人將測試完后的坩堝、氧彈轉(zhuǎn)移至輔助系統(tǒng)(如坩堝處理系統(tǒng)、氧彈處理系統(tǒng)、棄料處理系統(tǒng)、煤樣盒回收系統(tǒng)等)進行后處理。整個化驗過程中，測試人員不直接參與操作，只是在智能化驗系統(tǒng)外部通過人機操作面板處理一些異常情況。

3 智能化系統(tǒng)組成及設(shè)計要求

3.1 微量稱重系統(tǒng)

包括煤樣瓶、樣品加載裝置、樣品盒、分析天平、電控系統(tǒng)等。機械手將煤樣瓶加載到樣品加載裝置上后，便可進行自動往樣品盒中加樣，直至到達設(shè)定質(zhì)量，且質(zhì)量要求符合國標。設(shè)計中應(yīng)用微量加樣頭關(guān)鍵技術(shù)，為參照國外成熟方案進行改進設(shè)計，使之滿足煤樣微量稱重的要求[12]?，F(xiàn)有方案中的加樣頭，采用螺旋加上下移動的方式，螺旋主要起到下料的作用，上下運動具有沖擊作用，防止粉料結(jié)塊停滯，采用徑向雙側(cè)激振落料的技術(shù)方案更為合理[13]。

圖2 0.2 mm分析樣智能化驗系統(tǒng)構(gòu)成圖

3.2 工業(yè)機器人系統(tǒng)

采用典型的工業(yè)機器人系統(tǒng)，其包括六自由度工業(yè)機器人、機器人行走機構(gòu)和機器人專用工具。六自由度工業(yè)機器人負責煤樣及其他物品的空間任意位置的取放；機器人行走機構(gòu)的作用是將工業(yè)機器人移動至不同工位，使機器人具有更大活動空間。機器人專用工具是機器人末端的執(zhí)行元件，根據(jù)化驗要求，它能抓取坩堝、灰皿、氧彈等器件及其他微細操作[14]。

3.3 工業(yè)分析儀測量系統(tǒng)

工業(yè)分析儀主要測量煤樣的灰分、揮發(fā)分、水分。該系統(tǒng)擬選用全自動工分儀，方便與機器人系統(tǒng)的集成。機器人直接抓取煤樣放入全自動工分儀，工分儀自動稱重測量，完畢后，機器人將燃燒后的煤樣及坩堝，移至坩堝處理系統(tǒng)及廢料處理系統(tǒng)。

3.4 量熱儀測量系統(tǒng)

測量煤樣的熱值，用坩堝稱取定量煤樣，機器人用專用工具將坩堝放入氧彈，機器人給氧彈定量注水，借助輔助設(shè)備，機器人給氧彈安裝點火絲，借助輔助設(shè)備將氧彈合蓋。然后機器人將準備好的氧彈放入全自動量熱儀中，全自動量熱儀自動充氧、檢查點火絲并點火?；炌戤吅?，機械臂將氧彈取出，運至氧彈處理系統(tǒng)和棄料處理系統(tǒng)，將氧彈與坩堝處理干凈以備下次使用。此系統(tǒng)中的點火絲安裝與氧彈合蓋是關(guān)鍵系統(tǒng)，需要設(shè)計專用的輔助設(shè)備配合機器人來完成動作，詳細設(shè)計方案需要根據(jù)儀器的測量方法及氧彈規(guī)格具體展開。

3.5 全水儀測量系統(tǒng)

借助全自動水分儀測量煤樣的全水分，煤樣稱重后，機器人將盛有煤樣的坩堝放入全自動水分儀中，全自動水分儀自動進行煤樣全水測量，測量完畢后，機器人將坩堝取出移至坩堝處理系統(tǒng)與棄料處理系統(tǒng)。

3.6 定硫儀測量系統(tǒng)

借助全自動定硫儀測量煤樣的硫分，煤樣稱重后，機器人將盛有煤樣的坩堝放入全自動定硫儀中，全自動定硫儀自動進行煤樣硫分測量，測量完畢后，機器人將坩堝取出移至坩堝處理系統(tǒng)與棄料處理系統(tǒng)。

3.7 電氣控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)是控制系統(tǒng)的動力源，由樣品電子標簽、掃碼及加解鎖伺服控制系統(tǒng)、自動樣品輸送伺服控制系統(tǒng)、自動存查樣伺服控制系統(tǒng)、微量給料稱重伺服控制系統(tǒng)、自動檢驗伺服控制系統(tǒng)、自動器皿處理伺服控制系統(tǒng)、自動廢料處理伺服控制系統(tǒng)等電氣控制系統(tǒng)部件組成，各伺服控制系統(tǒng)部件間通過工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等互連，在檢驗信息管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度安排下，為各個環(huán)節(jié)的機器實現(xiàn)自動控制功能[15-16]。

1) 電子標簽、掃碼及加解鎖伺服控制系統(tǒng)。用于實施樣品的統(tǒng)一密鑰編碼，自動采樣伺服控制系統(tǒng)可根據(jù)實際業(yè)務(wù)的需要實現(xiàn)多種方式的采樣，樣品經(jīng)過預處理后儲存于帶電子密碼鎖的容器內(nèi)并自動推送至自動制樣系統(tǒng)。

2) 微量給料稱量伺服控制系統(tǒng)。通過鑰匙打開煤樣罐后，取出特定的煤樣配合分析天平實現(xiàn)檢驗樣品的稱量及分裝，樣品分裝完成后控制給料系統(tǒng)進行自動清潔。

3) 自動檢驗伺服控制系統(tǒng)。用于把已經(jīng)分裝好的樣品送入特定的檢驗設(shè)備中，由各檢驗分析儀器對樣品進行特定的處理，檢驗完成后，自動把檢驗結(jié)果送入檢驗信息管理系統(tǒng)。

4) 自動器皿處理、自動廢料處理伺服控制系統(tǒng)。用于實現(xiàn)檢驗器皿的輸送、清潔、廢料的處理。

煤樣化驗自動化系統(tǒng)使用新一代高性能工業(yè)計算機作為電控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理服務(wù)中心(調(diào)度服務(wù)器)，通過高性能工業(yè)以太網(wǎng)交換機與數(shù)據(jù)服務(wù)器、機器人、量熱儀、工業(yè)分析儀、定硫儀、全水儀、微量加料稱重系統(tǒng)、組建高速、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)以太網(wǎng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實現(xiàn)化驗任務(wù)的自動化通信。

3.8 掃碼系統(tǒng)

選用滿足國際標準ISO14443A的射頻集成電路卡作為煤樣識別的ID卡，該RFID整卡包括天線合成于一個直徑25 mm，厚度0.5 mm的一個圓柱形輕薄柔性基片上，方便于安裝在不同的位置。RFID卡為無源卡，當需要讀寫RFID上的信息時，需要通過讀卡器向RFID實施供電，RFID上電后，再由讀卡器按規(guī)定的通信協(xié)議實施訪問。具有32位的全球唯一ID號，128字節(jié)用戶加密鍵，通過加密鍵可能控制RFID不能由非授權(quán)用戶隨意改寫信息。RFID掃碼系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)型的閱讀器，總共使用192位的共24個字節(jié)的編碼信息。當智能制樣系統(tǒng)與智能化驗系統(tǒng)之間的距離較遠無法進行樣品自動傳輸時，需要借助人工傳輸。為了防止人工在樣品傳輸過程中的干涉，需要對樣品進行加鎖，當此類樣品進入智能化驗系統(tǒng)時，需用到掃碼解鎖系統(tǒng)。為掃碼解鎖系統(tǒng)基本流程，加鎖全水樣與加鎖分析樣分別用專用加鎖樣品盒裝載，人工將樣品盒放置于化驗室特定位置后，機器人抓取樣品盒放于掃碼裝置掃碼登記，然后進入解鎖裝置解鎖，得到解鎖的全水樣與分析樣，從而進行后續(xù)自動化驗操作。

4 應(yīng)用效果

化驗系統(tǒng)自完成投入運行后取得良好效果，將大幅提升田莊選煤廠的智能化和自動化水平，為企業(yè)進入工業(yè)4.0時代，打造無人智慧化工廠，邁出堅實的步伐?，F(xiàn)場智能化驗系統(tǒng)布置見圖3。

原有化驗員工近40多人，將一線工人從繁重、危險的生產(chǎn)環(huán)境中解脫出來，降低選煤廠用工成本。同時，提高了作業(yè)效率，提供了更快速精準的智能化生產(chǎn)能力，實現(xiàn)減員增效，提高了煤炭產(chǎn)品質(zhì)量，為企業(yè)帶來間接的經(jīng)濟效益。

全封閉自動化的化驗系統(tǒng)可以徹底杜絕人為因素有意或無意對化驗結(jié)果的影響，避免了不必要的經(jīng)濟損失，保證化驗結(jié)果的客觀性和公正性，提升了化驗結(jié)果的權(quán)威性。大幅度提升集團煤樣檢測單位的智能化和自動化水平，增強了企業(yè)的安全生產(chǎn)能力，提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，提升了煤的品質(zhì)和穩(wěn)定性。

圖3 現(xiàn)場智能化驗系統(tǒng)布置圖

5 結(jié)論

工業(yè)機器人智能化驗子系統(tǒng)通過研究分析和具體設(shè)計研制，既提升了系統(tǒng)的智能化水平，又提高了企業(yè)的效益，取得了良好的效果。在調(diào)度監(jiān)管系統(tǒng)的統(tǒng)一安排下，完全實現(xiàn)無人值守無人參與，全自動從樣品庫中取出已經(jīng)制成分析樣的各種樣品，由機器人實現(xiàn)樣品稱量，并自動分發(fā)到各種分析檢驗儀器進行檢驗，檢測完成后檢驗結(jié)果自動存入中央服務(wù)器數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，并由中央服務(wù)器系統(tǒng)對檢驗結(jié)果進行處理并生成最終的檢驗報告。智能化煤質(zhì)檢驗信息管理系統(tǒng)，是綜合運用現(xiàn)代計算機信息技術(shù)、工業(yè)自動化、智能機器人、計算機網(wǎng)絡(luò)、成像與圖像處理、現(xiàn)代物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等現(xiàn)代新興技術(shù)手段，在完全滿足煤質(zhì)檢驗國家標準的前提條件下，實現(xiàn)檢驗系統(tǒng)的智能化、自動化，實現(xiàn)檢驗過程的化驗無人化、無紙化，使檢驗結(jié)果能夠更客觀的反映實際物品的品質(zhì)。系統(tǒng)在調(diào)度監(jiān)管子系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度安排下，通過系統(tǒng)的服務(wù)器調(diào)度安排全自動智能化檢測過程，實現(xiàn)真正的無人值守檢測過程。