羅隕飛，周 媛，姜 英

(1.力鴻智信(北京)科技有限公司，北京 100102;2.中國質(zhì)量檢驗協(xié)會煤炭專業(yè)委員會，北京 100125)

0 前 言

煤炭為我國的主要能源，對其提出合理、精細(xì)化的使用要求可有效控制劣質(zhì)煤的使用、減少煤炭排放帶來的大氣污染、維護空氣的純凈和人類的健康。煤炭的質(zhì)量檢驗結(jié)果可幫助篩選出不同煤種的特征，使得煤炭的利用更為高效。煤炭的質(zhì)量檢驗過程包括采樣、制樣和檢測3個環(huán)節(jié)[1]，每個環(huán)節(jié)的準(zhǔn)確率均直接影響到整體煤炭質(zhì)量結(jié)果，其中采樣和制樣環(huán)節(jié)的誤差分布占整體煤質(zhì)檢驗誤差分布的96%[2-7]，所以有效管理采制樣環(huán)節(jié)為控制煤炭質(zhì)量的關(guān)鍵所在。近十年來，煤炭采樣環(huán)節(jié)逐漸已由原來的人工采樣轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械化自動采樣，且已被行業(yè)內(nèi)廣泛認(rèn)可，并在煤炭行業(yè)內(nèi)快速普及，而制樣環(huán)節(jié)也經(jīng)歷了自動化的變革。全自動制樣技術(shù)已開始逐漸替代人工操作與各制樣環(huán)節(jié)工藝銜接的制樣方式，更由于電力行業(yè)自2012年起推行的燃料管理智能化、采制過程全自動作業(yè)，促使著全自動煤炭制樣系統(tǒng)高效、迅速發(fā)展。

1 煤炭自動制樣技術(shù)的發(fā)展歷程

1.1 煤炭聯(lián)合自動制樣設(shè)備

自1999年始，煤炭聯(lián)合自動制樣機相繼被推出，該類型設(shè)備采用簡單的自動控制模式，可將破碎、篩分和縮分組合成為整體，但也存在著設(shè)備體型龐大、出料粒度大(0 mm～13 mm)、縮分比例固定、不可調(diào)節(jié)、無防塵設(shè)施且在煤樣水分較大時經(jīng)常不能正常開機工作等問題。

1.2 多功能聯(lián)合制樣機

2002年后，具有自動截取全水分樣功能的多功能聯(lián)合制樣機組被陸續(xù)研制發(fā)明。該種聯(lián)合制樣機組結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積較小，可實現(xiàn)對煤樣破碎、縮分后制取化驗所需的煤樣樣品，還能夠自動截取全水分煤樣樣品，工作效率更高，人員工作強度降低。此類制樣機組還試圖解決含水較高的煤樣物料發(fā)生的黏連、堵塞等現(xiàn)象。

2004年到2008年期間，一系列多功能聯(lián)合制樣機組被陸續(xù)推向市場，其各項制樣功能更加完善，制樣效率、制樣品質(zhì)逐步提高，所研制產(chǎn)品逐步向環(huán)保型升級。此段時間推出的制樣機組，基本均包含簡單的自動清洗排棄裝置，全部密閉于密閉機體內(nèi)。該種制樣系統(tǒng)大幅降低了制樣過程空氣中的粉塵密度。

1.3 電腦控制聯(lián)動制樣系統(tǒng)

2009年前后，煤檢行業(yè)內(nèi)陸續(xù)研發(fā)推出適用于各種礦石、煤炭制樣的電腦控制聯(lián)動制樣系統(tǒng)，基本實現(xiàn)了電腦控制實現(xiàn)作業(yè)制樣，對制樣機堵煤、零部件損害等簡單功能實現(xiàn)監(jiān)督報警，較好地解決了因原煤樣水分大而產(chǎn)生的制樣堵料問題，從而提高制樣機實時制樣的效率。

1.4 煤炭全自動制樣系統(tǒng)

煤檢、煤炭業(yè)界于2012年首次提出通過聯(lián)動制樣系統(tǒng)實現(xiàn)煤炭檢測樣品制備工作“無人值守”的理念。2013年前后，各研發(fā)單位開始研發(fā)無人值守煤樣自動制樣系統(tǒng)，此段時間研發(fā)的自動制樣系統(tǒng)基本包括控制單元、上料單元、破碎縮分單元、干燥單元、粉碎單元等。全自動煤炭制樣系統(tǒng)建立在傳統(tǒng)人工檢驗檢測模式基礎(chǔ)上，為了解決人工制樣條件惡劣、勞動強度大、自動化程度低等問題進而發(fā)展。其將傳統(tǒng)的、獨立的各個環(huán)節(jié)運用自動化的方式集成，實現(xiàn)成為1個可獨立、自動完成全部制樣工作的系統(tǒng)，可實現(xiàn)全水分煤樣制備、存查煤樣、一般分析煤樣制備及噴碼封裝一體化等過程和結(jié)果。自動制樣系統(tǒng)對于保障煤炭樣品制備的規(guī)范性和樣品的代表性、安全性的功能逐步提高，可杜絕人為干擾、降低勞動強度及改善工作環(huán)境[1,2]。對于全自動煤炭制樣系統(tǒng)的實際應(yīng)用來說，除了關(guān)注其實際制備的效率外，煤炭的水分適應(yīng)性、系統(tǒng)防止煤樣的交叉污染能力以及在設(shè)備在制樣過程中無明顯生熱等均為關(guān)注的重點。

目前已有的煤炭全自動制樣系統(tǒng)均可實現(xiàn)樣品的自動輸送、稱重、破碎、縮分和干燥等功能，但由于在空氣干燥、往復(fù)式切割縮分、樣品破碎、研磨等方面技術(shù)的局限性，無法兼顧在高制樣效率下達(dá)到國標(biāo)對于制樣方法流程和制樣結(jié)果的要求[8-18]。

為從根本上消除人為因素所導(dǎo)致的煤炭質(zhì)量糾紛，提升整體制樣精度和制樣效率，滿足用戶個性化的需求，自2017年前后國內(nèi)開始自主研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)機器人煤炭制樣系統(tǒng)。以LEON-SIASUN IPS 3600機器人智能制樣系統(tǒng)為例，其可將先進的機器人技術(shù)、信息化技術(shù)和智能控制技術(shù)應(yīng)用于煤炭制樣領(lǐng)域，彌補了目前普遍使用的人工制樣法的諸多不足，提升了傳統(tǒng)煤炭制樣工作的技術(shù)水平，實現(xiàn)正常連續(xù)制樣過程中無人操作、自動化程度高等要求，過程和結(jié)果完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。該系統(tǒng)布局緊湊，可根據(jù)用戶場地需求對各模塊設(shè)備進行相應(yīng)調(diào)整，各模塊并聯(lián)設(shè)計，可同時多步驟同步進行，有效提升煤炭質(zhì)量檢驗業(yè)務(wù)的效率和準(zhǔn)確性，有助于煤炭貿(mào)易及使用中的質(zhì)量管理控制。目前，該系統(tǒng)已經(jīng)在河北滄州黃驊港煤炭第三方實驗室進行應(yīng)用示范。其示意圖如圖1所示。

圖1 正在應(yīng)用中的LEON-SIASUN IPS 3600機器人智能制樣系統(tǒng)

2 機器人智能制樣系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成及關(guān)鍵技術(shù)

LEON-SIASUN IPS 3600煤炭機器人智能制樣系統(tǒng)主要由制樣前置處理單元、大樣處理單元自動對接系統(tǒng)、人工加料系統(tǒng)、入料系統(tǒng)、出料系統(tǒng)、機器人制樣單元和控制系統(tǒng)等系統(tǒng)單元組成，其中機器人制樣單元還包括破碎單元、研磨單元、縮分單元、烘干單元、恒溫恒濕單元以及智能灌裝單元。制樣單元的整體布局為圓形，實現(xiàn)了各功能模塊并聯(lián)運行、互不干擾，可實現(xiàn)多批次樣品同時制樣，極大提高了系統(tǒng)制樣效率，但相對獨立的各單元模塊可根據(jù)實際需要實現(xiàn)布局的多樣化，且各單元模塊檢修過程更方便，對客戶的個性化需求方面適應(yīng)性更強。

2.1.1機器人系統(tǒng)

機器人智能制樣與線性生產(chǎn)線全自動制樣系統(tǒng)相比，由于采用機器人實現(xiàn)上下料、搬運，能夠有效防止煤樣交叉污染，實現(xiàn)多批次連續(xù)制樣，提高生產(chǎn)效率。同時機器人定位精度高，能夠適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境，穩(wěn)定可靠，系統(tǒng)開放，適用多種應(yīng)用開發(fā)。系統(tǒng)中選用六軸垂直多關(guān)節(jié)機器人，機器人最大負(fù)載50 kg，滿足制樣最大負(fù)載使用要求及后續(xù)機器人智能制樣系統(tǒng)升級的要求，機器人最大工作半徑2 150 mm，各單體設(shè)備環(huán)形分布，滿足各單體設(shè)備入料、出料要求。重復(fù)定位精度±0.25 mm，實現(xiàn)較高的定位精度，滿足制樣所需精度要求。

2.1.2定質(zhì)量縮分技術(shù)

該系統(tǒng)所使用的定質(zhì)量縮分器由伺服驅(qū)動裝置、縮分器本體、控制傳感器等組成。縮分器供料由皮帶機均勻給料。下料過程中縮分器在來料方向上做往復(fù)切割運動，流經(jīng)接料口的煤樣為所需煤樣，其他煤通過棄料溜道進入棄料系統(tǒng)。通過控制接料口在煤流下方的停留時間與棄料口在煤流下方的停留時間比來控制縮分比。該縮分器區(qū)別于以往的傳統(tǒng)縮分器，解決了現(xiàn)有市場上切割槽定質(zhì)量縮分器驅(qū)動機構(gòu)復(fù)雜，體積龐大，上游供料均勻性控制不好，縮分比不精確等難題，縮分次數(shù)滿足GB/T 19494.2—2004要求。整體結(jié)構(gòu)緊湊、縮分精度準(zhǔn)確、裝置穩(wěn)定可靠，根據(jù)稱重系統(tǒng)重量信息自動實現(xiàn)煤流斷面全部切割，得到系統(tǒng)工藝設(shè)定的定質(zhì)量煤樣，可在機器人智能制樣系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。

2.1.3無篩板立式錘式破碎技術(shù)

該系統(tǒng)所使用的立式破碎機是由進料口、破碎腔、出料口，同時具有清掃裝置和噴吹裝置，防止煤樣在破碎過程中出現(xiàn)的煤樣殘留，有效地解決了煤炭混樣的問題;破碎腔內(nèi)錘片布置的巧妙性，完善了煤炭一次性破碎粒度達(dá)到過篩率99%的要求;同時，無篩板設(shè)計解決了不同水分的煤樣在破碎機內(nèi)的堵塞問題，真正達(dá)到粒度達(dá)標(biāo)、不堵塞、不離析。該立式無篩板破碎機真正意義上解決了樣品的堵塞問題，滿足日常制樣的需要，使制備的6 mm煤樣過篩率可達(dá)95%以上，3 mm煤樣過篩率可達(dá)99%以上，且煤樣的粒度組成合理。

2.1.4動態(tài)控制振動研磨技術(shù)

系統(tǒng)采用的研磨機利用了動態(tài)控制振動研磨技術(shù)，該0.2 mm研磨機結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、重量輕、能耗低、粉磨粒度集中、流程簡化、操作簡單、維修方便，煤樣收集率達(dá)到99%以上，制備的0.2 mm一般分析試樣過篩率可達(dá)99.65%，且研磨過程中煤樣不會由于過熱而變質(zhì)。

2.1.5空氣干燥平衡技術(shù)

通過遠(yuǎn)程信息傳遞技術(shù)將恒溫恒濕箱和化驗室的溫濕度計進行信息互聯(lián)，使系統(tǒng)根據(jù)化驗室的溫濕度情況自動調(diào)整恒溫恒濕箱的設(shè)置參數(shù)，箱內(nèi)的分析試樣始終處于空氣平衡狀態(tài)。

2.1.6智能烘干技術(shù)

該系統(tǒng)采用了智能烘干技術(shù)，根據(jù)不同煤樣和水分的特征，優(yōu)化調(diào)整烘干箱參數(shù)，使樣品的烘干溫度和時間滿足國標(biāo)要求，樣品不會由于溫度過高而變質(zhì)，同時由于機器人并聯(lián)運行技術(shù)，烘干的時間長短并不會對制樣效果造成不良影響。

2.1.7信息化傳遞技術(shù)

系統(tǒng)通過其先進的信息化傳遞技術(shù)，與實驗室各系統(tǒng)完美對接，實現(xiàn)了樣品信息的全流程監(jiān)控記錄，同時采用自主研發(fā)的電子掃碼噴碼技術(shù)，實現(xiàn)了煤樣自動封裝和信息傳輸，解決了樣品封閉及標(biāo)識的唯一性、可追溯性和安全性的關(guān)鍵技術(shù)。

2.2 工藝流程

煤炭機器人智能制樣系統(tǒng)工作流程如圖2所示。

2.3 制樣方案及運行模式

在傳統(tǒng)的制樣模式中，制樣工人會根據(jù)經(jīng)驗判斷煤樣的水分，然后確定一次性進入破碎機的樣品量，防止煤樣在破碎過程中發(fā)生堵塞的情況，從而保證煤樣破碎粒度達(dá)標(biāo)、縮分出具有代表性的樣品。

圖2 機器人智能制樣系統(tǒng)工作流程圖

機器人智能制樣系統(tǒng)通過大量不同煤種的實驗確定了不同煤種的破碎時間、烘干時間以及恒溫恒濕時間，形成了多種有效的煤樣制樣方案，保證不同煤種在整個制樣過程中不發(fā)生煤樣的變質(zhì)情況，也達(dá)到煤樣水分損失最小化，真正實現(xiàn)煤樣制備的智能化。

該系統(tǒng)可根據(jù)實際需要進行運行模式的選擇:自動、手動及實驗?zāi)Ｊ?。若設(shè)備在正常制樣條件下可選擇自動模式，實現(xiàn)樣品制備全過程自動，不需要手動干預(yù)，人工可定期對制樣系統(tǒng)進行巡視或在中控室對制樣情況進行了解，僅在制樣系統(tǒng)發(fā)生故障報警的情況下才需人工進行處理。手動模式常使用在設(shè)備發(fā)生故障、對設(shè)備進行檢修時，該模式下設(shè)備不會按照原始設(shè)定的程序進行工作，需人為的操作電控觸屏進行相應(yīng)的操作，人工處理完檢修、消除報警后，可重新進行自動操作，完成接下來的程序或可根據(jù)需求重新開始新一輪的制樣工作。實驗?zāi)Ｊ绞窃谠O(shè)備自動運行一年或根據(jù)公司需求進行設(shè)備的定期維護時使用，該程序可實現(xiàn)制樣各環(huán)節(jié)單獨啟動，實現(xiàn)對每個環(huán)節(jié)的單獨調(diào)試。

2.4 技術(shù)優(yōu)勢

2.4.1自學(xué)習(xí)及自優(yōu)化

機器人智能制樣系統(tǒng)采用了智能控制技術(shù)，使得系統(tǒng)可根據(jù)不同煤種/水分的特性，執(zhí)行最佳的制樣流程方案。通過對常用煤種進行長期制樣后，大量數(shù)據(jù)的積累分析將使系統(tǒng)的制樣流程方案更為完善，對于技術(shù)細(xì)節(jié)的處理更加全面，對于性質(zhì)較為特殊的不常見煤種，隨著制樣次數(shù)增多，系統(tǒng)也將總結(jié)編制出一套使用的流程方案，并不斷優(yōu)化。隨制樣次數(shù)的積累，系統(tǒng)的運行就會越來越智能、準(zhǔn)確、高效、穩(wěn)定。該智能制樣系統(tǒng)各項指標(biāo)、過程及結(jié)果均符合GB/T 474、GB/T 19494.2等國家標(biāo)準(zhǔn)、DL/T 1339等電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4.2獨立并聯(lián)及掃碼溯源

系統(tǒng)將原有的制樣各環(huán)節(jié)分成獨立的各個模塊，連續(xù)制樣時可實現(xiàn)各模塊并聯(lián)運行，互不干擾。獨立模塊的設(shè)計可根據(jù)實際場地需求，實現(xiàn)設(shè)備擺放的靈活性、占地面積最小化。相對獨立的各單元模塊檢修過程更方便，對客戶的個性化需求方面適應(yīng)性更強。系統(tǒng)以機器人作為作業(yè)載體，可對各環(huán)節(jié)的運行順序及主次進行程序設(shè)定，實現(xiàn)機器人進行不同模塊的作業(yè);精準(zhǔn)而快速的機器人作業(yè)可實現(xiàn)多批次樣品同時制備，提高制樣效率與可靠性。

樣品打包環(huán)節(jié)采用了自主研發(fā)的電子掃碼噴碼技術(shù)，實現(xiàn)了煤樣自動封裝和信息傳輸，解決了樣品封閉及標(biāo)識的唯一性、可追溯性和安全性的關(guān)鍵技術(shù)。先進化的信息化傳遞技術(shù)，可實現(xiàn)機器人制樣系統(tǒng)與實驗室各系統(tǒng)和存查樣立庫的完美對接，實現(xiàn)了樣品信息的全流程監(jiān)控記錄。進入煤炭化驗系統(tǒng)可掃碼進行盲樣檢測，存查樣可直接掃碼進入立庫。該二維碼均隨機生成，可保證在制樣系統(tǒng)中不存在有相同編號的樣品存在。

2.4.3節(jié)約成本及環(huán)境友好

通過機器人制樣替代傳統(tǒng)的人工制樣和自動制樣系統(tǒng)，以其先進的機器人技術(shù)、信息化技術(shù)和智能控制技術(shù)，使員工由從事勞動強度大、勞動環(huán)境惡劣的重復(fù)性制樣工作轉(zhuǎn)變?yōu)閷ο到y(tǒng)運行狀態(tài)監(jiān)控、系統(tǒng)定期維護升級等技術(shù)性工作，可有效地避免人為因素在制樣工作中造成的干預(yù)影響，確保結(jié)果的真實準(zhǔn)確性，也有效地節(jié)約了人力成本。同時，該系統(tǒng)提出并采用了全面的自動清掃系統(tǒng)。對于樣品運輸過程中接觸到的皮帶、料筒，均采用毛刷、噴吹、振動等清掃技術(shù)，避免了樣品的交叉污染。整體除塵系統(tǒng)和降噪系統(tǒng)可使粉塵和噪聲均滿足國標(biāo)要求，制樣室的粉塵濃度(PM10)<10 mg/m3、系統(tǒng)噪音符合GB12348的要求≤80 dB(A)。

2.4.4煤樣代表性及安全性

制樣過程中所有的樣品稱重信息以及每個環(huán)節(jié)的應(yīng)用狀況均通過控制器控制，以達(dá)到煤炭樣品在制備過程中水分損失最小，真正保障了煤樣制備的代表性。

機器人智能制樣系統(tǒng)的操作人員需經(jīng)過專門的培訓(xùn)，對所有流程及設(shè)備具有一定的了解才能獨立進行操作，操作設(shè)備的觸摸屏及設(shè)備參數(shù)修改界面具有相應(yīng)的密碼設(shè)置，具有操作資格的人方可修改設(shè)備既定的參數(shù)以防止設(shè)備參數(shù)被隨意修改，并避免導(dǎo)致破壞制樣流程或損壞設(shè)備。

2.5 主要性能指標(biāo)

3 結(jié) 語

機器人智能制樣系統(tǒng)將目前先進的機器人和智能控制技術(shù)應(yīng)用于煤炭檢驗檢測領(lǐng)域，可極大提高制樣工作效率、維護工人作業(yè)健康、滿足國標(biāo)GB/T474和GB/T 19494.2中精密度和偏倚要求、降低人為誤差的影響，是1種既可作為作業(yè)工具又能成為管理工具的智能化制樣設(shè)備，同時也是1項具有創(chuàng)造力和市場競爭力的產(chǎn)品和系統(tǒng)工程。該系統(tǒng)的應(yīng)用實踐推動了煤炭及煤檢行業(yè)的自動化和智能化進程，將傳統(tǒng)的煤炭檢驗與工業(yè)化和智能信息化深度融合發(fā)展，由勞動密集型向技術(shù)密集型產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，通過智能機器人替代人工操作，提高了煤炭檢驗的準(zhǔn)確率和效率以及煤炭檢測機構(gòu)的運營效率，提升了我國煤炭相關(guān)領(lǐng)域的科技實力。在煤炭檢測，特別是商品煤質(zhì)量檢測的采樣、制樣、化驗系統(tǒng)建設(shè)和整個過程管控工作中，智能化及標(biāo)準(zhǔn)化的機器人系統(tǒng)將成為未來大勢所趨的發(fā)展方向，具有廣闊的發(fā)展空間。