智能氣動存取樣系統在火電企業燃料智能化建設的應用

□ 劉永忠

(廈門積碩科技有限公司，福建 廈門 361000)

1 引言

煤炭占火電企業經營成本70%以上，煤炭驗收是火電企業燃料管理的重要環節，而采制化技術是燃料質量驗收的核心。火電企業各管理及業務部門投入很大的精力進行采制化過程控制，如企業成立以分管廠長為組長的燃料領導小組、成立各種形式的監督小組、關鍵場所安裝監控設施、采制化人員定期輪換等，采取管理和技術手段以加強煤炭驗收工作，但仍存在較多問題。控制煤炭驗收的廉政風險需企業領導時刻關注，同時采制化技術落后和相關從業人員素質低也嚴重制約了專業進步和發展。

為了實現燃料管理的智能化，就需要借助物聯網技術，通過各種自動化設備和信息傳感技術，對燃煤的自動采樣、原煤樣轉運、自動制樣、樣品傳輸和樣品存查等工序進行實時采集任何需要監控、連接、互動的煤樣或過程等各種需要的信息，實現燃煤樣品的自動識別、管理和控制，達到燃煤智能化管理的需求。

2 燃煤智能化管理中的應用

隨著物聯網自身的發展，物聯網在燃煤智能化管理中應用的方面也在不斷擴展，主要應用如下。

2.1 燃煤自動計量方面

火電企業入廠入爐燃料的計量方式有汽車衡、軌道衡、膠帶秤、水尺。衡器與識別系統建立通信連接，通過無線RFID物聯網技術自動識別車輛、礦點信息，將礦點信息與稱量數據自動匹配，實施自動計量。

2.2 燃煤自動采樣方面

通過物聯網技術，實現自動識別燃煤信息、自動采樣、隨機布點、自動確定采樣方案和分配存樣罐、實現樣品封裝等功能，確保采樣的代表性。

2.3 燃煤化驗樣品自動制樣方面

制樣過程是煤樣物理特性和樣品水分發生改變的過程，因此,主要包括混合、破碎、縮分和干燥四個過程。采用物聯網技術，通過采用制樣機器人實現自動稱重、自動除鐵、輸送、破碎、縮分、自動清洗、烘干、制粉、研磨、清掃、樣品自動封裝、棄樣暫存及回收處理功能，整個制樣過程由上位機和可編程控制器(PLC)統一控制，系統最終可實現全自動無人值守，全封閉，無人干預。

2.4 燃煤智能氣動存取樣系統

智能氣動存取樣系統分為智能存樣柜子系統和氣動傳輸子系統兩大部分，統一在煤樣存儲系統管理軟件(中央管理機)調度下協調工作，實現用戶自動存樣、自動取樣、自動棄樣等多種功能需求，并統一由燃料智能化管控系統聯網管理。

2.5 燃煤樣品化驗智能管理

通過物聯網技術實現化驗儀器的化驗數據自動采集、自動傳輸。通過信息化實現化驗數據的記錄、審批和數據分析。

3 智能氣動存取樣系統在燃煤智能化管理中的實際應用

在燃煤智能化管理中，通過智能氣動存取樣系統實現樣品智能連接和樣品的閉環管理。積碩智能氣動存取樣系統分為智能存樣柜子系統和氣動傳輸子系統兩大部分，統一在煤樣存儲系統管理軟件(中央管理機)調度下協調工作，實現用戶自動存樣、自動取樣、自動棄樣等多種功能需求，并統一由燃料智能化管控系統聯網管理。氣動傳輸系統由中央管理機、全自動工作站、風機動力單元、轉換器、旁通管及傳輸管道組成，智能存樣柜系統由可靈活擴展的智能存樣柜組成。整個系統通過傳輸管道將相距數百米的存樣間、自動制樣間、人工制樣間、棄樣間和化驗室各設備聯接在一起，通過風機動力的吸氣和吹氣，使管道內形成正負空氣壓力差，在中央管理系統的控制下，實現煤樣瓶在各點的往返運動，從而實現煤樣在多點的全自動存樣、取樣和棄樣。

智能化存取樣系統與傳統煤樣存取模式的對比如圖1所示，由此圖可以明顯的看出智能化煤樣存儲及傳輸模式比傳統煤樣存取模式大大減輕了人員的勞動強度，降低了人為因素的干擾，保證了煤樣的安全性和代表性。

圖1 智能化存取樣模式與傳統煤樣存取模式的對比

圖2 系統工作流程圖

3.1 氣動傳輸子系統

本系統主要是滿足電廠煤樣傳輸的自動化、信息化、智能化需求，可實現煤樣的多點互傳功能，自帶RFID芯片的專用煤樣瓶，滿足客戶6mm全水分樣、3mm存查樣、0.2mm化驗樣的氣動傳輸需求(見圖2)。

氣動傳輸子系統主要由風機動力單元、中央控制機、旁通管、管道換向器、收發工作站、泄氣閥、路徑探測器、傳輸管道等部分組成。如圖3為氣動傳輸子系統方案圖。

圖3 氣動傳輸管道方案圖

①風機動力單元。氣動傳輸系統的動力來源。通過系統主控柜控制渦輪風機的啟動和停止，內置風向換向器，實現傳輸管道內風向的切換(吸氣和吹氣)使管道內形成正負空氣壓力差，實現傳輸瓶的氣動傳輸(見圖4)。

圖4 風機動力單元

②中央控制機。本子系統的核心設備，是系統管理軟件安裝載體，內置工業級計算機，控制整個裝置業務功能運行。向下與各單元模塊相連，實現傳輸功能，向上與燃料智能化管控系統進行網絡連接，實現與服務器數據同步(見圖5)。

③管道換向器。換向器像鐵路道岔一樣，受中央控制系統控制，自動為傳輸選擇正確的路徑。轉換器有著很好的穩定性和密封性，避免管道系統的氣壓泄漏(見圖6)。

圖6 管道換向器

④全自動單向發送工作站。用于與全自動制樣機傳送帶對接，自動接收全自動制樣機密封標識好的煤樣瓶，經氣動傳輸管道傳送到存查樣柜內存儲，或直接傳送到指定自動接收站(見圖7)。

圖7 全自動單向發送工作站

⑤人工收發工作站。放在人工制樣室，可以與存查樣柜實現煤樣瓶互傳。人工制完樣后可自動傳瓶至存查樣柜，存查樣柜也可傳瓶至人工收發工作站。

⑥化驗室取樣工作站。布置在化驗室處，專門用于批量接收待化驗的煤樣瓶裝置。自動接收來自發送工作站發來的煤樣瓶，工作人員需通過刷卡或密碼開啟柜門后，方可取出煤樣瓶(見圖8)。

圖8 化驗室取樣工作站

⑦全自動棄樣工作站。用于接收存查樣柜到期煤樣的裝置。

⑧傳輸管道。傳輸管徑與煤樣瓶直徑、驅動動力與煤樣瓶重量(含最大煤樣量)相匹配，傳輸管道的材質一般室內采用PVC管，室外采用不銹鋼管。嚴寒地區應增加保溫措施。

3.2 工作原理

氣動傳輸系統的工作原理是結合吹氣和吸氣的形式來對樣瓶進行輸送，通過風向切換器改變使輸送系統在吹送和吸送這兩個模式下進行切換，同時利用管道換向器實時更換輸送線路，將樣瓶沿著指定的傳輸管道傳輸到指定的收發站中。如圖9所示。

圖9 氣動管道傳輸工作原理

以工作站A發送到工作站B為例說明：

①將風機中的風向切換器置換成吸氣口，將換向器1中的S管與1#管線連通，采用吸送模式，煤樣瓶在吸力作用下由工作站A一直吸送到旁通管處直至停止。

②再將風向切換置換成吹氣口，并將換向器1中的S管與2#管線連通，此時為吹送模式，煤樣瓶在吹力作用下由旁通管處傳輸至工作站B，當煤樣瓶傳輸至工作站B時，泄氣閥自動開啟將氣流泄出，此時輸送樣瓶開始減速并緩慢停下來。

此即完成了一個傳輸任務，此時將吹吸切換器的置換成到空檔位置，用于停止或等待執行下一個傳輸任務。當需要停止所有的傳輸任務時，關閉風機電源即可。

3.3 智能存樣柜子系統

智能存樣柜子系統通過機械手對樣瓶的夾持，經過水平移動、垂直升降、旋轉、伸縮等一系列組合動作，來實現樣瓶在存查樣柜中行、列任意位置點的存放與棄除，配置有位置、距離、智能讀碼等感應信號與掃描設備，能實現煤樣編碼信息化、自動化管理、取樣人員權限管理、實時記錄煤樣存取過程、自動提醒清理到期煤樣等功能，從而實現無人值守自動存取存查樣及全過程的管控。積碩科技獲得《一種樣品存儲查取方法及裝置》國家發明專利。

智能存取樣系統，包括存取樣柜，其連接氣動通道端口，該端口伸入到該存取樣柜內；在存取樣柜內至少一側設有若干層樣品架，樣品架上設有若干個豎向放置樣品瓶并成矩陣排列的樣品倉位，每一樣品倉位開有缺口；存取樣柜內設有機械手，該機械手前端設有可以托動樣品瓶并與上述缺口相配合的托盤，該機械手能沿柜體縱向X軸、橫向Y軸和豎向Z軸分別進行前后、左右和上下運動以存取樣品架上的樣品瓶，機械手還可以將樣品瓶放置于V軸托盤上，V軸托盤沿V軸運動以對接氣動通道端口，使樣品瓶在氣動通道和V軸托盤之間轉移配合。機械手需具有讀取煤樣瓶信息的功能。設備外觀(如圖10)。

圖10 智能存樣柜子系統外觀圖

智能化存查樣柜子系統由組合柜、機械手部件等部件組成。系統的組合柜分成幾個不同的模塊分柜，可根據客戶的實際需求存放數量，可進行自由的組合。用戶可根據自身的存查樣間及所需數量進行組合配置。

存取樣柜機械手前端設有可以托動樣品瓶，該機械手能沿柜體縱向X軸、橫向Y軸和豎向Z軸進行分別前后、左右和上下運動以存取樣品架上的樣品瓶，機械手還可以將樣品瓶放置于V軸托盤上，V軸托盤沿V軸運動以對接氣動通道端口，使樣品瓶在氣動通道和V軸托盤之間轉移配合。存取樣柜內的兩側都設有樣品架，機械手設置于該樣品架之間，該機械手可以沿W軸旋轉以使機械手上的托盤能存取兩側樣品架上的樣品瓶，W軸為旋轉座上的中心軸，該機械手可以沿旋轉座上的中心軸W軸進行旋轉。機械手通過旋轉可以存取兩側樣品架上的樣品瓶，這樣存取樣柜可以存取更多的樣品瓶，充分利用存取樣柜的空間。

4 智能氣動存取樣系統在燃煤智能化管理中的未來展望

智能氣動存取樣系統在燃料智能化管理系統中進行充分利用，積碩科技研發的智能存取樣機系統已經在市場上經過多家公司使用運行，智能化管理系統未來的發展前景是非常樂觀的。燃料智能化管理系統是當今燃料管理領域的一場重大變革，這是一場從傳統手工變為全程自動化的大轉變。隨著物聯網技術和更多新技術的不斷進步和研發，未來還需要進一步優化當前的管理系統，讓系統的整體結構和布局不斷完善。如燃煤存取樣氣動傳輸系統技術的研究與應用，怎樣實現煤樣瓶的密集存儲和原煤樣氣動轉運系統的技術突破，提高設備運行的可靠性。另外，仍需加快相關標準的研制，推進燃料智能化管理系統的應用。

積碩智能化煤樣存儲及氣動傳輸系統具有人樣分離，盲存盲取；多點遠距存取，化驗樣直傳；存查樣柜容積率高、配置靈活、擴展度高；室外管線全程不銹管，使用壽命長；設備間對接柔性靈活，占用地面面積小；支持人工存取樣、離線存儲數據自動同步更新；支持化驗直傳、化驗回存特色功能；系統維護方便、節能環保；支持脫網獨立運行、聯網信息化管理；高度安全、性能可靠、運行噪聲低；技術優勢高、可實現超遠距離傳輸等特點，解決燃煤智能化管理中的困擾，讓火力發電廠提升燃料管理、監督信息化水平、降低電廠發電成本。