楊 勇，任 率

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

《國(guó)家電力發(fā)展十三五規(guī)劃》明確指出了“發(fā)展智能發(fā)電技術(shù)，開展發(fā)電過程智能化檢測(cè)”的要求。智慧電廠則是在廣泛采用信息化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)的基礎(chǔ)上，集成智能傳感與執(zhí)行、智能控制和管理決策等技術(shù)，形成“無人干預(yù)、少人值守”的新型電廠，最大限度地實(shí)現(xiàn)電廠全生命周期內(nèi)的資產(chǎn)最優(yōu)分配、生產(chǎn)質(zhì)量最優(yōu)控制，最優(yōu)地實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和設(shè)計(jì)效益[1]。在《關(guān)于加快煤礦智能化發(fā)展指導(dǎo)意見》(發(fā)改能源〔2020〕283號(hào))中也明確提出了加快煤礦智能化發(fā)展的10項(xiàng)任務(wù)，其中推進(jìn)科技創(chuàng)新、提高智能化技術(shù)與裝備水平成為改革重點(diǎn)，機(jī)械化換人、自動(dòng)化減人專項(xiàng)行動(dòng)勢(shì)在必行[2]。

目前，火力發(fā)電仍是我國(guó)電力生產(chǎn)的主要組成部分，發(fā)揮著不可替代的主體作用，而燃料管理是影響火電企業(yè)經(jīng)營(yíng)成效的首位因素。采樣、制樣、化驗(yàn)作為燃料管理最基礎(chǔ)、最重要的3個(gè)環(huán)節(jié)，經(jīng)過多年的快速發(fā)展，采樣和制樣環(huán)節(jié)的自動(dòng)化、智能化比例逐步提升，市面上廣泛推出了全自動(dòng)采樣、全自動(dòng)制樣系統(tǒng)、樣品存查系統(tǒng)以及各系統(tǒng)間樣品轉(zhuǎn)運(yùn)的樣品傳輸系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)了采制環(huán)節(jié)的無人值守和全自動(dòng)化[3]。而化驗(yàn)環(huán)節(jié)的檢測(cè)分析，主要還是應(yīng)用單臺(tái)的化驗(yàn)儀器設(shè)備，通過人工操作得出各項(xiàng)指標(biāo)[4]，該方式人力成本高、效率低，尤其是存在人為干擾的風(fēng)險(xiǎn)，容易滋生管理尋租現(xiàn)象，對(duì)樣品數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、客觀性、公正性有較大影響。

樣品化驗(yàn)作為燃料管理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其智能化的推進(jìn)，對(duì)于突破燃料采、制、化“最后1 km”，打通燃料管控全環(huán)節(jié)智能化意義重大。近年來，行業(yè)內(nèi)陸續(xù)開始研究智能無人化驗(yàn)系統(tǒng)[5-7]，采用工業(yè)機(jī)器人代替人工，將各檢測(cè)設(shè)備集成在一起，工業(yè)機(jī)器人固定置于中間，或在導(dǎo)軌上進(jìn)行流水線作業(yè)，替代人在處理各設(shè)備之間的坩堝流轉(zhuǎn)。但大多是將所有設(shè)備放置在統(tǒng)一環(huán)境區(qū)域內(nèi)，由于各檢測(cè)設(shè)備對(duì)環(huán)境要求不一，容易導(dǎo)致化驗(yàn)結(jié)果受環(huán)境的影響失真，如稱重天平在不同溫度下的數(shù)據(jù)漂移造成稱重不準(zhǔn)，量熱儀需在恒溫狀態(tài)的環(huán)境下測(cè)試等。很多學(xué)者對(duì)無人化驗(yàn)系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了深入研究和探討[8-11]，無人化驗(yàn)系統(tǒng)作為1個(gè)系統(tǒng)工程，需梳理清楚各指標(biāo)之間的化驗(yàn)業(yè)務(wù)流程，處理好各設(shè)備之間的工作優(yōu)先級(jí)，才能協(xié)調(diào)整體系統(tǒng)的高速運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)智能化、無人化。

筆者介紹了1種結(jié)合工業(yè)機(jī)器人的無人化驗(yàn)系統(tǒng)，采用先進(jìn)的信息化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、控制技術(shù)和工業(yè)機(jī)器人技術(shù)，通過模塊化設(shè)計(jì)，全程模擬人工作業(yè)，按化驗(yàn)程序自動(dòng)完成各項(xiàng)指標(biāo)的化驗(yàn)和遠(yuǎn)程管控，以實(shí)現(xiàn)煤炭、焦炭等樣品發(fā)熱量、工業(yè)分析、全硫、碳?xì)涞戎笜?biāo)的全自動(dòng)無人化測(cè)試。對(duì)該系統(tǒng)中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了探討，如布局的合理分區(qū)、自動(dòng)稱量技術(shù)、自動(dòng)點(diǎn)火技術(shù)、自動(dòng)清洗技術(shù)等。為驗(yàn)證該系統(tǒng)的檢測(cè)數(shù)據(jù)精準(zhǔn)有效，通過第3方性能試驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)的重復(fù)性誤差、偏載誤差、示值誤差等進(jìn)行檢定。

1 系統(tǒng)組成及工作流程

無人化驗(yàn)系統(tǒng)由樣品處理單元、稱量存儲(chǔ)模塊、量熱單元、高溫單元、控制系統(tǒng)、覆蓋件單元、工業(yè)機(jī)器人、以及量熱儀、工業(yè)分析儀、定硫儀、碳?xì)涞獌x、上位機(jī)軟件系統(tǒng)等組成，且具備與氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)、存查柜系統(tǒng)、燃料智能管控系統(tǒng)的軟硬件對(duì)接接口，其結(jié)構(gòu)如圖1所示.該系統(tǒng)中的工業(yè)機(jī)器人，在系統(tǒng)中間固定于地面上，替代化驗(yàn)人員在各系統(tǒng)之間進(jìn)行坩堝的流轉(zhuǎn)。系統(tǒng)內(nèi)部的檢測(cè)儀器、樣瓶開蓋、氧彈充氧等關(guān)鍵環(huán)節(jié)均采用冗余設(shè)計(jì)，并行工作，單模塊故障不會(huì)影響整體系統(tǒng)的有效運(yùn)行和數(shù)據(jù)結(jié)果的輸出。

圖1 煤質(zhì)無人化驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure drawing of coal intelligent analysis system

系統(tǒng)中主體部分配置了ABB機(jī)械手，在該機(jī)械手覆蓋不到的區(qū)域，如量熱儀區(qū)、稱量區(qū)配置了機(jī)械手運(yùn)轉(zhuǎn)模塊。系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示，該流程嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)規(guī)范，并充分參照人工化驗(yàn)的操作習(xí)慣，以實(shí)現(xiàn)整體效率的最高，實(shí)現(xiàn)了從接樣、搖勻、開蓋、稱量、化驗(yàn)、坩堝/氧彈清洗機(jī)循環(huán)使用、數(shù)據(jù)報(bào)表輸出及上傳的全過程無人化。該系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖2 無人化驗(yàn)系統(tǒng)工作流程Fig.2 Flow chart of coal intelligent analysis system

表1 無人化驗(yàn)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)Table 1 Main technical parameters of coal intelligent analysis system

2 關(guān)鍵技術(shù)及功能特點(diǎn)

無人化驗(yàn)系統(tǒng)不是簡(jiǎn)單的將工業(yè)機(jī)器人與人工化驗(yàn)設(shè)備集成為1個(gè)整體，還需眾多關(guān)鍵技術(shù)的支撐，如功能合理分區(qū)、精準(zhǔn)自動(dòng)稱量技術(shù)、可靠穩(wěn)定的自動(dòng)點(diǎn)火技術(shù)、坩堝自動(dòng)清洗、多任務(wù)的協(xié)調(diào)、大數(shù)據(jù)采集及挖掘應(yīng)用等。

2.1 科學(xué)分區(qū)與優(yōu)化布局

機(jī)器人化驗(yàn)系統(tǒng)如不進(jìn)行功能的科學(xué)分區(qū)，會(huì)存在人工活動(dòng)區(qū)和機(jī)器人活動(dòng)區(qū)重合的安全隱患，且各種化驗(yàn)設(shè)備混合在1個(gè)環(huán)境下，會(huì)影響設(shè)備的測(cè)試性能。如稱量單元所在的稱量區(qū)域需滿足以下條件:① 稱量區(qū)內(nèi)應(yīng)該溫度恒定，且波動(dòng)較??；如建議在15 ℃～30 ℃之間，溫度波動(dòng)不大于每小時(shí)0.5 ℃。② 稱量區(qū)內(nèi)環(huán)境需防塵，灰塵對(duì)稱量有影響，秤盤內(nèi)有灰塵或空氣中灰塵較大，會(huì)使稱量區(qū)中天平稱量不穩(wěn)定。③ 稱量系統(tǒng)的工作臺(tái)面應(yīng)該是清潔、干燥、無腐蝕的穩(wěn)固臺(tái)面。④ 稱量系統(tǒng)的天平應(yīng)避免陽光的直射。⑤ 稱量區(qū)內(nèi)的環(huán)境濕度應(yīng)該穩(wěn)定，而不能大幅度波動(dòng)，建議溫度在45%～75%之間。

針對(duì)測(cè)試區(qū)、稱量區(qū)所需要的環(huán)境要求，提出了1種分區(qū)合理、安全性高、工作流程規(guī)范穩(wěn)定、自動(dòng)化程度高的無人化驗(yàn)系統(tǒng)，布局如圖3所示。

圖3 無人化驗(yàn)系統(tǒng)的功能分區(qū)Fig.3 Functional partition of coal intelligent analysis system

該系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃榉Q量區(qū)和測(cè)試區(qū)(包括量熱區(qū)、高溫區(qū))，稱量模塊與測(cè)試模塊分別布置在稱量區(qū)和測(cè)試區(qū)，由于稱量區(qū)和測(cè)試區(qū)之間相互獨(dú)立布置，如采用玻璃隔板、隔熱板等進(jìn)行隔斷，達(dá)到功能分區(qū)和防止各區(qū)之間的熱量交換的效果，稱量區(qū)與測(cè)試區(qū)之間的環(huán)境不會(huì)相互影響，從而保證稱量模塊與測(cè)試模塊工作的獨(dú)立性；另外將各模塊采用分區(qū)進(jìn)行布置，將相同環(huán)境要求的模塊集中在一起，不僅節(jié)省空間，并且易于擴(kuò)展，如本系統(tǒng)中量熱儀可多配置1套來提高工作效率。

2.2 精準(zhǔn)自動(dòng)稱量技術(shù)

在煤質(zhì)分析檢測(cè)時(shí)，需要取一定量的粉末狀煤樣放于待測(cè)試坩堝上進(jìn)行測(cè)試，煤樣的精確加樣稱量必不可少，在此過程中涉及到樣瓶存放管理、樣瓶編碼識(shí)別、樣瓶攪拌搖勻、樣瓶開合蓋、取樣、稱量等問題[12]。

本項(xiàng)目采用了1種自動(dòng)稱量方法及系統(tǒng)技術(shù)，該自動(dòng)稱量方法步驟為:稱量時(shí)，將樣瓶存放區(qū)的樣瓶轉(zhuǎn)移至混合攪拌工位進(jìn)行自動(dòng)混合攪拌；將樣瓶轉(zhuǎn)移至自動(dòng)旋蓋工位進(jìn)行自動(dòng)開蓋；將樣瓶轉(zhuǎn)移至自動(dòng)稱量工位進(jìn)行自動(dòng)取樣并稱量；將樣瓶轉(zhuǎn)移至自動(dòng)旋蓋工位進(jìn)行自動(dòng)合蓋；將樣瓶轉(zhuǎn)移至樣瓶存放區(qū)。關(guān)于自動(dòng)稱量的詳細(xì)功能特點(diǎn)，可參閱文獻(xiàn)[13]。

2.3 可靠穩(wěn)定的自動(dòng)點(diǎn)火技術(shù)

量熱儀區(qū)的自動(dòng)化是無人化驗(yàn)系統(tǒng)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一，而氧彈自動(dòng)點(diǎn)火技術(shù)是量熱儀全自動(dòng)化的技術(shù)瓶頸。當(dāng)前，人工化驗(yàn)方式的量熱儀點(diǎn)火方式基本為國(guó)標(biāo)規(guī)定的接觸式熔斷點(diǎn)火方式。點(diǎn)火時(shí)，氧彈本體上的正負(fù)兩級(jí)連接部通電使得點(diǎn)火絲通電發(fā)熱熔斷實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。此種點(diǎn)火方式在每次試驗(yàn)后均需要人工細(xì)致地更換點(diǎn)火絲，該動(dòng)作人工實(shí)現(xiàn)容易，而機(jī)械人實(shí)現(xiàn)則比較困難，且每次點(diǎn)火絲并不能完全燃燒完而有部分殘余，導(dǎo)致每次試驗(yàn)的點(diǎn)火熱不一致，需要計(jì)算殘余點(diǎn)火絲熱量，操作麻煩；另外，殘余點(diǎn)火絲在試驗(yàn)完成后需要進(jìn)行清掃，增加工作量，要實(shí)現(xiàn)該點(diǎn)火方式的自動(dòng)化，幾乎不可能。近年來，行業(yè)內(nèi)也開始出現(xiàn)了國(guó)標(biāo)規(guī)定之外的非接觸式激光點(diǎn)火方式，但該方式對(duì)點(diǎn)火裝置玻璃外罩的潔凈度要求很高，由于玻璃臟污后很容易導(dǎo)致點(diǎn)火失敗，使得產(chǎn)品的穩(wěn)定性不好。

筆者項(xiàng)目采用的量熱儀應(yīng)用點(diǎn)火棒點(diǎn)火[14-15]，該技術(shù)在耐高溫氮化硅陶瓷棒內(nèi)設(shè)有上部與正負(fù)電極相連的導(dǎo)體柱，其底端通過加熱絲連接，點(diǎn)火棒通過連接部與氧彈芯為可拆卸連，拆裝方便，整體機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單，加熱棒底部呈圓弧狀，減少了其與坩堝的接觸面積，避免擠壓坩堝內(nèi)的樣品，使加熱棒底部的煤樣燃燒充分，且能減少熱量從加熱棒傳遞至坩堝上，影響測(cè)試結(jié)果。

2.4 高效坩堝清洗技術(shù)

在進(jìn)行煤樣分析時(shí)，樣品在做完實(shí)驗(yàn)后，樣盤及坩堝均需清洗去除殘留物來消除對(duì)下次實(shí)驗(yàn)的影響。此前該過程一般是采用手動(dòng)水洗完成，并未實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，此種方式存在以下缺點(diǎn):① 浪費(fèi)實(shí)驗(yàn)人員較多時(shí)間清洗設(shè)備，實(shí)驗(yàn)效率不高。② 水洗坩堝后還需對(duì)坩堝進(jìn)行干燥處理，耗時(shí)較長(zhǎng)。③ 由于自動(dòng)化程度低，無法實(shí)現(xiàn)整個(gè)化驗(yàn)系統(tǒng)的全自動(dòng)化。

針對(duì)現(xiàn)有坩堝清洗方式對(duì)實(shí)現(xiàn)煤質(zhì)化驗(yàn)自動(dòng)化的影響，筆者系統(tǒng)采用了1種全自動(dòng)化、流程簡(jiǎn)單的坩堝自動(dòng)清洗技術(shù)。該技術(shù)通過平移的托板鏟起樣盤傳送帶上的樣盤以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)取樣盤；夾緊組件、翻轉(zhuǎn)組件、抽氣排塵組件對(duì)樣盤進(jìn)行夾緊后進(jìn)行翻轉(zhuǎn)以清除掉樣盤內(nèi)的殘?jiān)鼘?shí)現(xiàn)初步清；然后利用清洗組件對(duì)樣盤進(jìn)行高壓氣體吹掃清洗。該技術(shù)通過自動(dòng)取樣盤、倒殘?jiān)M(jìn)行初步清洗、再進(jìn)行高壓氣體吹掃，實(shí)現(xiàn)了坩堝的全自動(dòng)清洗，簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)步驟；開創(chuàng)性地采用氣洗方式，省去了干燥步驟，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了實(shí)驗(yàn)流程，提高了坩堝清洗的效率和自動(dòng)化水平。

2.5 多任務(wù)協(xié)調(diào)控制

智能化無人檢驗(yàn)系統(tǒng)包含各種類型的機(jī)構(gòu)模塊和專業(yè)儀器設(shè)備，每種模塊和設(shè)備執(zhí)行任務(wù)的時(shí)間和周期不同，為達(dá)到效率最大化，通過效率換算得出每種模塊的數(shù)量，如何通過機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)操作實(shí)現(xiàn)各模塊在系統(tǒng)檢測(cè)、化驗(yàn)全周期的效率最大化是需要重點(diǎn)研究的內(nèi)容；本項(xiàng)目建立系統(tǒng)實(shí)時(shí)操作的多任務(wù)智慧調(diào)度機(jī)制，研究可搶占式多任務(wù)優(yōu)先級(jí)協(xié)同優(yōu)化控制算法。系統(tǒng)在檢測(cè)、化驗(yàn)全周期中不同模塊任務(wù)在不同階段的優(yōu)先級(jí)是變化的，可搶占式多任務(wù)可變優(yōu)先級(jí)協(xié)同控制算法能有效提升設(shè)備使用效率，實(shí)現(xiàn)最少硬件設(shè)備投入下的高效率目標(biāo)。

2.6 燃料指標(biāo)檢驗(yàn)的大數(shù)據(jù)采集與應(yīng)用

依據(jù)“燃料指標(biāo)智能化無人檢驗(yàn)系統(tǒng)”的工況特征和燃料指標(biāo)參數(shù)特征，建立大數(shù)據(jù)挖掘新方法，得到系統(tǒng)在線數(shù)量分布、工作情況和煤質(zhì)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)，此系統(tǒng)由幾大大功能模塊組成(如圖4所示):① 化驗(yàn)室數(shù)據(jù)診斷系統(tǒng):此系統(tǒng)可根據(jù)采集的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，研究各指標(biāo)間的相互關(guān)系，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)結(jié)果判斷；通過所有指標(biāo)的歷史趨勢(shì)研究可進(jìn)行儀器穩(wěn)定性判斷，儀器維護(hù)預(yù)警及等功能。② 設(shè)備運(yùn)維保障:通過采集儀器的工況信息，進(jìn)行工況數(shù)據(jù)分析，分級(jí)進(jìn)行故障分析和設(shè)備預(yù)警，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程維護(hù)、易損易耗件更換預(yù)警，智能信息提醒(短信/微信/釘釘)和維護(hù)工單派發(fā)等功能，軟件主頁面如圖5所示，故障信息可在軟件主頁面上顯示。

圖4 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集與處理示意Fig.4 System data acquisition and processing

圖5 無人化驗(yàn)系統(tǒng)控制軟件主界面Fig.5 Main interface diagram of control software

3 系統(tǒng)性能試驗(yàn)

為驗(yàn)證本系統(tǒng)在煤的發(fā)熱量、自動(dòng)稱量系統(tǒng)的測(cè)量精密度和準(zhǔn)確度，是否符合GB/T 18150—2001《煤和焦炭可替代方法確認(rèn)準(zhǔn)則》及相關(guān)煤質(zhì)儀器檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)要求，整體系統(tǒng)偏倚是否符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法要求，省計(jì)量院對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了全面的檢測(cè)。其中全硫、工業(yè)分析、元素分析引用已有成熟技術(shù)，雖然在檢定范圍內(nèi)，且結(jié)論為合格，在此不做探討。

3.1 自動(dòng)稱量系統(tǒng)檢測(cè)

試驗(yàn)檢定依據(jù)為JJG 1036—2008《電子天平檢定規(guī)程》，對(duì)自動(dòng)稱量系統(tǒng)主要檢測(cè)的性能見表2。

表2 自動(dòng)稱量系統(tǒng)檢測(cè)Table 2 Verification results of automatic weighing system

3.2 量熱儀檢測(cè)

依據(jù)JJG 672—2018《氧彈熱量計(jì)檢定規(guī)程》進(jìn)行檢定，苯甲酸熱值認(rèn)定值為26 469 J/g，標(biāo)準(zhǔn)裝置為氧彈式熱量計(jì)檢定裝置，其測(cè)量范圍為(26 430-26 490)J/g,不確定度為0.1%，k=2， 量熱儀檢定結(jié)果見表3。

表3 量熱儀檢定結(jié)果Table 3 Verification results of calorimeter

從檢定結(jié)果可得出，系統(tǒng)采用的自動(dòng)稱量系統(tǒng)和自動(dòng)點(diǎn)火量熱技術(shù)，符合國(guó)標(biāo)要求。

4 結(jié) 語

以實(shí)現(xiàn)燃料管理化驗(yàn)數(shù)據(jù)智能化、無人化、信息化為目標(biāo)，提出了1種全自動(dòng)的無人化驗(yàn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)運(yùn)用工業(yè)機(jī)器人替代化驗(yàn)員完成各項(xiàng)操作，實(shí)現(xiàn)化驗(yàn)工作全過程的無人干預(yù)，避免人為因素干擾，保證測(cè)試結(jié)果的客觀準(zhǔn)確。同時(shí)，該系統(tǒng)還可與電廠的上層管理系統(tǒng)如ERP系統(tǒng)、燃料集控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)接，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和工作參數(shù)實(shí)時(shí)上傳，實(shí)現(xiàn)了化驗(yàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、匯總、分析，并自動(dòng)生成報(bào)表。該系統(tǒng)的推廣，完善了燃煤從采購(gòu)入廠到入爐全業(yè)務(wù)流程的智能化管控整體解決方案，將助力于智慧電廠、智慧礦山的建設(shè)。