工業機器人智能化驗系統在選煤廠的應用

孫引忠， 韓泰然

(1. 中國平煤神馬集團 煉焦煤資源開發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的礦區型選煤廠，現有生產能力已達到年入洗原煤600萬t。在生產原煤入洗過程中，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次化驗結果，進行快速灰分檢測)，并根據化驗結果對選煤設備進行調控，從而實現煤炭洗選質量和產率的最佳組合，確保選煤廠經濟效益最大化[1-4]。原煤洗選后所產生的精煤產品，需經化驗后根據其煤質指標來確定其價格。據調研，當前國內絕大多數選煤廠指導生產采樣和煤質化驗仍主要采用人工方式進行。對于煤質化驗環節而言，人工化驗則難以排除人為因素對化驗結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品的質量分級和銷售價格，從而帶來巨大的經濟損失。比如，選煤廠精煤產品中的灰分是產品的重要定價標準，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，決定引進工業機器人智能化驗系統，并利用互聯網+大數據信息技術，實現遠程監控和智能化操作[1-4]，取得了良好的效果。

1 化驗系統研制設計方案

1.1 研制核心

智能化驗系統主要完成0.2 mm分析煤樣的硫分、熱值、內水、灰分、揮發分及6 mm全水樣的全水指標的自動化化驗。采用工業機器人技術、機器人應用技術、非標機械自動化技術配合煤炭行業標準化驗儀器，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，測量結果直接進入信息管理系統。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果的影響[8-11]。

1.2 總體結構設計

智能化驗系統總體結構如圖1所示，包括0.2 mm分析樣化驗系統、6 mm全水樣化驗系統和信息管理(MIS)系統。0.2 mm分析樣化驗系統的核心模塊包括微量稱重系統、機器人系統、行走機構、手爪系統、分析儀器、煤樣進出系統、輔助系統、RFID掃碼系統。6 mm全水樣化驗系統包括微量稱重系統、機器人系統、全水儀、拆擰蓋系統、煤樣進出系統、RFID掃碼系統。信息管理(MIS)系統核心模塊包括中央數據庫、調度監督系統、報告發布系統、報告審核系統、報告查詢系統、APP推送系統、視頻監控系統。

2 基本原理

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

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。工業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，打開煤樣，煤樣隨后進入微量給料稱重系統，稱取定量分析煤樣后，工業機器人將定量煤樣放入需要化驗所對應的分析儀器，分析儀器自動完成測量，完成測量后，數據自動傳輸給MIS系統，工業機器人將測試完后的坩堝、氧彈轉移至輔助系統(如坩堝處理系統、氧彈處理系統、棄料處理系統、煤樣盒回收系統等)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外部通過人機操作面板處理一些異常情況。

3 智能化系統組成及設計要求

3.1 微量稱重系統

包括煤樣瓶、樣品加載裝置、樣品盒、分析天平、電控系統等。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，直至到達設定質量，且質量要求符合國標。設計中應用微量加樣頭關鍵技術，為參照國外成熟方案進行改進設計，使之滿足煤樣微量稱重的要求[12]。現有方案中的加樣頭，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，防止粉料結塊停滯，采用徑向雙側激振落料的技術方案更為合理[13]。

圖2 0.2 mm分析樣智能化驗系統構成圖

3.2 工業機器人系統

采用典型的工業機器人系統，其包括六自由度工業機器人、機器人行走機構和機器人專用工具。六自由度工業機器人負責煤樣及其他物品的空間任意位置的取放；機器人行走機構的作用是將工業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行元件，根據化驗要求，它能抓取坩堝、灰皿、氧彈等器件及其他微細操作[14]。

3.3 工業分析儀測量系統

工業分析儀主要測量煤樣的灰分、揮發分、水分。該系統擬選用全自動工分儀，方便與機器人系統的集成。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，移至坩堝處理系統及廢料處理系統。

3.4 量熱儀測量系統

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，借助輔助設備，機器人給氧彈安裝點火絲，借助輔助設備將氧彈合蓋。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。化驗完畢后，機械臂將氧彈取出，運至氧彈處理系統和棄料處理系統，將氧彈與坩堝處理干凈以備下次使用。此系統中的點火絲安裝與氧彈合蓋是關鍵系統，需要設計專用的輔助設備配合機器人來完成動作，詳細設計方案需要根據儀器的測量方法及氧彈規格具體展開。

3.5 全水儀測量系統

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與棄料處理系統。

3.6 定硫儀測量系統

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與棄料處理系統。

3.7 電氣控制系統

該系統是控制系統的動力源，由樣品電子標簽、掃碼及加解鎖伺服控制系統、自動樣品輸送伺服控制系統、自動存查樣伺服控制系統、微量給料稱重伺服控制系統、自動檢驗伺服控制系統、自動器皿處理伺服控制系統、自動廢料處理伺服控制系統等電氣控制系統部件組成，各伺服控制系統部件間通過工業以太網、現場總線等互連，在檢驗信息管理系統的統一調度安排下，為各個環節的機器實現自動控制功能[15-16]。

1) 電子標簽、掃碼及加解鎖伺服控制系統。用于實施樣品的統一密鑰編碼，自動采樣伺服控制系統可根據實際業務的需要實現多種方式的采樣，樣品經過預處理后儲存于帶電子密碼鎖的容器內并自動推送至自動制樣系統。

2) 微量給料稱量伺服控制系統。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檢驗樣品的稱量及分裝，樣品分裝完成后控制給料系統進行自動清潔。

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

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

煤樣化驗自動化系統使用新一代高性能工業計算機作為電控系統的統一調度管理服務中心(調度服務器)，通過高性能工業以太網交換機與數據服務器、機器人、量熱儀、工業分析儀、定硫儀、全水儀、微量加料稱重系統、組建高速、穩定、可靠的工業以太網，通過工業以太網實現化驗任務的自動化通信。

3.8 掃碼系統

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，再由讀卡器按規定的通信協議實施訪問。具有32位的全球唯一ID號，128字節用戶加密鍵，通過加密鍵可能控制RFID不能由非授權用戶隨意改寫信息。RFID掃碼系統是網絡型的閱讀器，總共使用192位的共24個字節的編碼信息。當智能制樣系統與智能化驗系統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時，需用到掃碼解鎖系統。為掃碼解鎖系統基本流程，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，從而進行后續自動化驗操作。

4 應用效果

化驗系統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，為企業進入工業4.0時代，打造無人智慧化工廠，邁出堅實的步伐。現場智能化驗系統布置見圖3。

原有化驗員工近40多人，將一線工人從繁重、危險的生產環境中解脫出來，降低選煤廠用工成本。同時，提高了作業效率，提供了更快速精準的智能化生產能力，實現減員增效，提高了煤炭產品質量，為企業帶來間接的經濟效益。

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

圖3 現場智能化驗系統布置圖

5 結論

工業機器人智能化驗子系統通過研究分析和具體設計研制，既提升了系統的智能化水平，又提高了企業的效益，取得了良好的效果。在調度監管系統的統一安排下，完全實現無人值守無人參與，全自動從樣品庫中取出已經制成分析樣的各種樣品，由機器人實現樣品稱量，并自動分發到各種分析檢驗儀器進行檢驗，檢測完成后檢驗結果自動存入中央服務器數據庫系統，并由中央服務器系統對檢驗結果進行處理并生成最終的檢驗報告。智能化煤質檢驗信息管理系統，是綜合運用現代計算機信息技術、工業自動化、智能機器人、計算機網絡、成像與圖像處理、現代物聯網技術等現代新興技術手段，在完全滿足煤質檢驗國家標準的前提條件下，實現檢驗系統的智能化、自動化，實現檢驗過程的化驗無人化、無紙化，使檢驗結果能夠更客觀的反映實際物品的品質。系統在調度監管子系統的統一調度安排下，通過系統的服務器調度安排全自動智能化檢測過程，實現真正的無人值守檢測過程。