煤質無人化驗系統的關鍵技術及性能試驗

楊 勇，任 率

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

《國家電力發展十三五規劃》明確指出了“發展智能發電技術，開展發電過程智能化檢測”的要求。智慧電廠則是在廣泛采用信息化、網絡化技術的基礎上，集成智能傳感與執行、智能控制和管理決策等技術，形成“無人干預、少人值守”的新型電廠，最大限度地實現電廠全生命周期內的資產最優分配、生產質量最優控制，最優地實現經濟效益和設計效益[1]。在《關于加快煤礦智能化發展指導意見》(發改能源〔2020〕283號)中也明確提出了加快煤礦智能化發展的10項任務，其中推進科技創新、提高智能化技術與裝備水平成為改革重點，機械化換人、自動化減人專項行動勢在必行[2]。

目前，火力發電仍是我國電力生產的主要組成部分，發揮著不可替代的主體作用，而燃料管理是影響火電企業經營成效的首位因素。采樣、制樣、化驗作為燃料管理最基礎、最重要的3個環節，經過多年的快速發展，采樣和制樣環節的自動化、智能化比例逐步提升，市面上廣泛推出了全自動采樣、全自動制樣系統、樣品存查系統以及各系統間樣品轉運的樣品傳輸系統等，實現了采制環節的無人值守和全自動化[3]。而化驗環節的檢測分析，主要還是應用單臺的化驗儀器設備，通過人工操作得出各項指標[4]，該方式人力成本高、效率低，尤其是存在人為干擾的風險，容易滋生管理尋租現象，對樣品數據的準確性、客觀性、公正性有較大影響。

樣品化驗作為燃料管理的關鍵環節，其智能化的推進，對于突破燃料采、制、化“最后1 km”，打通燃料管控全環節智能化意義重大。近年來，行業內陸續開始研究智能無人化驗系統[5-7]，采用工業機器人代替人工，將各檢測設備集成在一起，工業機器人固定置于中間，或在導軌上進行流水線作業，替代人在處理各設備之間的坩堝流轉。但大多是將所有設備放置在統一環境區域內，由于各檢測設備對環境要求不一，容易導致化驗結果受環境的影響失真，如稱重天平在不同溫度下的數據漂移造成稱重不準，量熱儀需在恒溫狀態的環境下測試等。很多學者對無人化驗系統存在的問題進行了深入研究和探討[8-11]，無人化驗系統作為1個系統工程，需梳理清楚各指標之間的化驗業務流程，處理好各設備之間的工作優先級，才能協調整體系統的高速運轉，實現智能化、無人化。

筆者介紹了1種結合工業機器人的無人化驗系統，采用先進的信息化網絡技術、物聯網技術、控制技術和工業機器人技術，通過模塊化設計，全程模擬人工作業，按化驗程序自動完成各項指標的化驗和遠程管控，以實現煤炭、焦炭等樣品發熱量、工業分析、全硫、碳氫氮等指標的全自動無人化測試。對該系統中應用的關鍵技術進行了探討，如布局的合理分區、自動稱量技術、自動點火技術、自動清洗技術等。為驗證該系統的檢測數據精準有效，通過第3方性能試驗對系統的重復性誤差、偏載誤差、示值誤差等進行檢定。

1 系統組成及工作流程

無人化驗系統由樣品處理單元、稱量存儲模塊、量熱單元、高溫單元、控制系統、覆蓋件單元、工業機器人、以及量熱儀、工業分析儀、定硫儀、碳氫氮儀、上位機軟件系統等組成，且具備與氣動傳輸系統、存查柜系統、燃料智能管控系統的軟硬件對接接口，其結構如圖1所示.該系統中的工業機器人，在系統中間固定于地面上，替代化驗人員在各系統之間進行坩堝的流轉。系統內部的檢測儀器、樣瓶開蓋、氧彈充氧等關鍵環節均采用冗余設計，并行工作，單模塊故障不會影響整體系統的有效運行和數據結果的輸出。

圖1 煤質無人化驗系統結構Fig.1 Structure drawing of coal intelligent analysis system

系統中主體部分配置了ABB機械手，在該機械手覆蓋不到的區域，如量熱儀區、稱量區配置了機械手運轉模塊。系統工作流程圖如圖2所示，該流程嚴格按照國標規范，并充分參照人工化驗的操作習慣，以實現整體效率的最高，實現了從接樣、搖勻、開蓋、稱量、化驗、坩堝/氧彈清洗機循環使用、數據報表輸出及上傳的全過程無人化。該系統的主要技術參數見表1。

圖2 無人化驗系統工作流程Fig.2 Flow chart of coal intelligent analysis system

表1 無人化驗系統主要技術參數Table 1 Main technical parameters of coal intelligent analysis system

2 關鍵技術及功能特點

無人化驗系統不是簡單的將工業機器人與人工化驗設備集成為1個整體，還需眾多關鍵技術的支撐，如功能合理分區、精準自動稱量技術、可靠穩定的自動點火技術、坩堝自動清洗、多任務的協調、大數據采集及挖掘應用等。

2.1 科學分區與優化布局

機器人化驗系統如不進行功能的科學分區，會存在人工活動區和機器人活動區重合的安全隱患，且各種化驗設備混合在1個環境下，會影響設備的測試性能。如稱量單元所在的稱量區域需滿足以下條件:① 稱量區內應該溫度恒定，且波動較小；如建議在15 ℃～30 ℃之間，溫度波動不大于每小時0.5 ℃。② 稱量區內環境需防塵，灰塵對稱量有影響，秤盤內有灰塵或空氣中灰塵較大，會使稱量區中天平稱量不穩定。③ 稱量系統的工作臺面應該是清潔、干燥、無腐蝕的穩固臺面。④ 稱量系統的天平應避免陽光的直射。⑤ 稱量區內的環境濕度應該穩定，而不能大幅度波動，建議溫度在45%～75%之間。

針對測試區、稱量區所需要的環境要求，提出了1種分區合理、安全性高、工作流程規范穩定、自動化程度高的無人化驗系統，布局如圖3所示。

圖3 無人化驗系統的功能分區Fig.3 Functional partition of coal intelligent analysis system

該系統主要劃分為稱量區和測試區(包括量熱區、高溫區)，稱量模塊與測試模塊分別布置在稱量區和測試區，由于稱量區和測試區之間相互獨立布置，如采用玻璃隔板、隔熱板等進行隔斷，達到功能分區和防止各區之間的熱量交換的效果，稱量區與測試區之間的環境不會相互影響，從而保證稱量模塊與測試模塊工作的獨立性；另外將各模塊采用分區進行布置，將相同環境要求的模塊集中在一起，不僅節省空間，并且易于擴展，如本系統中量熱儀可多配置1套來提高工作效率。

2.2 精準自動稱量技術

在煤質分析檢測時，需要取一定量的粉末狀煤樣放于待測試坩堝上進行測試，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、樣瓶編碼識別、樣瓶攪拌搖勻、樣瓶開合蓋、取樣、稱量等問題[12]。

本項目采用了1種自動稱量方法及系統技術，該自動稱量方法步驟為:稱量時，將樣瓶存放區的樣瓶轉移至混合攪拌工位進行自動混合攪拌；將樣瓶轉移至自動旋蓋工位進行自動開蓋；將樣瓶轉移至自動稱量工位進行自動取樣并稱量；將樣瓶轉移至自動旋蓋工位進行自動合蓋；將樣瓶轉移至樣瓶存放區。關于自動稱量的詳細功能特點，可參閱文獻[13]。

2.3 可靠穩定的自動點火技術

量熱儀區的自動化是無人化驗系統的關鍵核心技術之一，而氧彈自動點火技術是量熱儀全自動化的技術瓶頸。當前，人工化驗方式的量熱儀點火方式基本為國標規定的接觸式熔斷點火方式。點火時，氧彈本體上的正負兩級連接部通電使得點火絲通電發熱熔斷實現點火。此種點火方式在每次試驗后均需要人工細致地更換點火絲，該動作人工實現容易，而機械人實現則比較困難，且每次點火絲并不能完全燃燒完而有部分殘余，導致每次試驗的點火熱不一致，需要計算殘余點火絲熱量，操作麻煩；另外，殘余點火絲在試驗完成后需要進行清掃，增加工作量，要實現該點火方式的自動化，幾乎不可能。近年來，行業內也開始出現了國標規定之外的非接觸式激光點火方式，但該方式對點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致點火失敗，使得產品的穩定性不好。

筆者項目采用的量熱儀應用點火棒點火[14-15]，該技術在耐高溫氮化硅陶瓷棒內設有上部與正負電極相連的導體柱，其底端通過加熱絲連接，點火棒通過連接部與氧彈芯為可拆卸連，拆裝方便，整體機構簡單，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，影響測試結果。

2.4 高效坩堝清洗技術

在進行煤樣分析時，樣品在做完實驗后，樣盤及坩堝均需清洗去除殘留物來消除對下次實驗的影響。此前該過程一般是采用手動水洗完成，并未實現自動化，此種方式存在以下缺點:① 浪費實驗人員較多時間清洗設備，實驗效率不高。② 水洗坩堝后還需對坩堝進行干燥處理，耗時較長。③ 由于自動化程度低，無法實現整個化驗系統的全自動化。

針對現有坩堝清洗方式對實現煤質化驗自動化的影響，筆者系統采用了1種全自動化、流程簡單的坩堝自動清洗技術。該技術通過平移的托板鏟起樣盤傳送帶上的樣盤以實現自動取樣盤；夾緊組件、翻轉組件、抽氣排塵組件對樣盤進行夾緊后進行翻轉以清除掉樣盤內的殘渣實現初步清；然后利用清洗組件對樣盤進行高壓氣體吹掃清洗。該技術通過自動取樣盤、倒殘渣進行初步清洗、再進行高壓氣體吹掃，實現了坩堝的全自動清洗，簡化了實驗步驟；開創性地采用氣洗方式，省去了干燥步驟，進一步簡化了實驗流程，提高了坩堝清洗的效率和自動化水平。

2.5 多任務協調控制

智能化無人檢驗系統包含各種類型的機構模塊和專業儀器設備，每種模塊和設備執行任務的時間和周期不同，為達到效率最大化，通過效率換算得出每種模塊的數量，如何通過機器人運轉操作實現各模塊在系統檢測、化驗全周期的效率最大化是需要重點研究的內容；本項目建立系統實時操作的多任務智慧調度機制，研究可搶占式多任務優先級協同優化控制算法。系統在檢測、化驗全周期中不同模塊任務在不同階段的優先級是變化的，可搶占式多任務可變優先級協同控制算法能有效提升設備使用效率，實現最少硬件設備投入下的高效率目標。

2.6 燃料指標檢驗的大數據采集與應用

依據“燃料指標智能化無人檢驗系統”的工況特征和燃料指標參數特征，建立大數據挖掘新方法，得到系統在線數量分布、工作情況和煤質檢驗數據，此系統由幾大大功能模塊組成(如圖4所示):① 化驗室數據診斷系統:此系統可根據采集的海量數據進行數據統計分析，研究各指標間的相互關系，實現實驗結果判斷；通過所有指標的歷史趨勢研究可進行儀器穩定性判斷，儀器維護預警及等功能。② 設備運維保障:通過采集儀器的工況信息，進行工況數據分析，分級進行故障分析和設備預警，實現遠程維護、易損易耗件更換預警，智能信息提醒(短信/微信/釘釘)和維護工單派發等功能，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 系統數據采集與處理示意Fig.4 System data acquisition and processing

圖5 無人化驗系統控制軟件主界面Fig.5 Main interface diagram of control software

3 系統性能試驗

為驗證本系統在煤的發熱量、自動稱量系統的測量精密度和準確度，是否符合GB/T 18150—2001《煤和焦炭可替代方法確認準則》及相關煤質儀器檢測標準要求，整體系統偏倚是否符合國家標準方法要求，省計量院對該系統進行了全面的檢測。其中全硫、工業分析、元素分析引用已有成熟技術，雖然在檢定范圍內，且結論為合格，在此不做探討。

3.1 自動稱量系統檢測

試驗檢定依據為JJG 1036—2008《電子天平檢定規程》，對自動稱量系統主要檢測的性能見表2。

表2 自動稱量系統檢測Table 2 Verification results of automatic weighing system

3.2 量熱儀檢測

依據JJG 672—2018《氧彈熱量計檢定規程》進行檢定，苯甲酸熱值認定值為26 469 J/g，標準裝置為氧彈式熱量計檢定裝置，其測量范圍為(26 430-26 490)J/g,不確定度為0.1%，k=2， 量熱儀檢定結果見表3。

表3 量熱儀檢定結果Table 3 Verification results of calorimeter

從檢定結果可得出，系統采用的自動稱量系統和自動點火量熱技術，符合國標要求。

4 結 語

以實現燃料管理化驗數據智能化、無人化、信息化為目標，提出了1種全自動的無人化驗系統。該系統運用工業機器人替代化驗員完成各項操作，實現化驗工作全過程的無人干預，避免人為因素干擾，保證測試結果的客觀準確。同時，該系統還可與電廠的上層管理系統如ERP系統、燃料集控中心進行數據對接，將設備運行狀態和工作參數實時上傳，實現了化驗數據的自動采集、匯總、分析，并自動生成報表。該系統的推廣，完善了燃煤從采購入廠到入爐全業務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。