機器人制樣系統關鍵技術研究及性能試驗

楊 勇，任 率

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

2021年我國經濟工作會議中提出1項重點工作目標即“碳達峰、碳中和”，而火力發電是二氧化碳排放的重要主體之一。近年來，最大限度降低化石燃料的碳排放已成為智慧電廠建設的重點研究方向，而研究火力發電碳減排的前提是基于對電廠的燃料來料過程進行自動化、精細化、智能化管理，并重點管理和防控采、制、化3個重要環節。

在燃料的制樣環節，需將采樣環節采集的數十、數百、甚至數千公斤的樣品嚴格按照國標規定的操作流程進行破碎、縮分、干燥、制粉，最終制備而得各級粒度不同、質量不同的化驗樣品。可想而知，將大量的煤樣制備成少量的試樣，其理化性質不能發生改變，且化驗結果需要準確反映所采購煤樣的品質，因而該制備過程的要求非常高[1]。

制樣方法大致可分為四代。第一代為純人力時代，通過人工使用鋼輾、二分器等簡單的制樣工具對煤樣進行碾碎、敲碎、縮分，因人工勞動量過大而逐步出現了機械化的產品，如錘式破碎機、制樣粉碎機、電動縮分器等，再進入到第二代半自動化階段。該2個階段均需經驗豐富的操作人員嚴格按照國標的要求進行規范性操作，人力資源投入較大，人工干預較多，對操作人員的工作熟練程度、職業操守依賴性很大，且在人工制樣室粉塵環境下易引發職業病，而制樣過程的監管主要通過安裝攝像頭、制定規章考核制度進行監督[2]。從2012年～2014年起開始國內出現流水線式自動制樣系統[3]，其主要原理是按照GB/T 19494.2、GB 474等要求，將破碎單元、縮分單元、干燥單元、制粉單元通過自動轉運膠帶、斗式提升機等連接為1個整體以代替以往的人工制樣方式，在避免人為干預的同時提高了制樣的規范性。近年來，第三代流水線式自動制樣技術的基礎技術(破碎、干燥、制粉)逐步趨向于成熟可靠，但對于煤種的適應性要求、制樣過程的精細化管理要求越來越高，現有的技術對于煤質情況復雜的情況難以適應[4-6]，因而煤炭的制樣應運進入第四代—機器人制樣時代[7-8]。機器人制樣主要將工業機器人引入流水線自動制樣系統之中，替代原有的膠帶搬運、斗式提升等方式從而在煤炭、焦炭領域獲得應用[9-10]，進一步推動了整個行業的發展。

結合煤炭智能制樣系統的驗收試驗以及燃料智能化管控系統在火電廠中的應用研究[11-12]，以下將以1種機器人制樣系統為例，從系統組成、工作流程、關鍵技術、與傳統自動制樣的對比、性能試驗等方面進行闡述，對機器人制樣系統的優勢進行探討，以期為電廠、礦山、鋼鐵等企業的煤炭智能化管理建設提供參考，提升管理效益和經濟效益。

1 系統組成與工作流程

機器人制樣系統是在傳統流水線式自動制樣系統基礎上的升級迭代，由初級入料口、一級破碎單元、一級定質量縮分單元、備份樣緩存單元、二級破碎縮分單元、低溫快速干燥單元、制樣粉碎單元、機器人單元、容器自動清掃模塊、樣瓶封裝單元、除塵單元、控制軟件單元等組成，工業機器人本身并不具備破碎、縮分等核心功能，僅替代了人工制樣、傳統自動制樣系統中的搬運、倒料等功能，因此從功能的角度分析，機器人屬于整體系統的輔助部件而非核心部件。但由于引入了機器人靈活性的特點，并結合其他關鍵技術，從而衍生了更多的功能。機器人制樣系統示意如圖1所示。

圖1 機器人制樣系統示意

系統選擇的機器人為ABB IRB6700 6軸系統產品，其工作范圍達2.6 m，端部負載為200 kg，重復定位精度0.05 mm，重復循環精度0.06 mm，同時搭載了防碰撞檢測系統，在自動制樣系統中具備了很好的精度和安全性。

機器人制樣系統的標準流程如圖2所示，該自動制樣系統的輸入為15 kg～120 kg樣品，輸出為粒度6 mm全水分樣1～2份，每份1.25 kg；3 mm存查樣1～2份，每份700 g；0.2 mm分析樣1～2份，每份60 g。若需要更多的份數，該系統也可實現個性化定制。由于機器人的引入，使得整套系統可以是非流水線式的作業，流程的多樣性成為可能。例如，來樣粒度為3 mm、質量≥3.75 kg，則機械手可以直接將樣品從次級入料口倒入，而跳過前端的一級破碎、一級定質量縮分等環節。又如，來料質量為300 kg，超過了標準入料量120 kg，則機器人可先將樣品在一級定質量縮分膠帶上進行前級縮分，將樣品質量縮分至小于120 kg后再進入一級破碎單元。引入機器人后其功能可增強整套系統的適應性。

圖2 機器人制樣系統標準流程

機器人制樣系統不是1套單機版的系統，其可有機融入整套燃料智能化管控系統，與采樣系統、氣動傳輸系統、自動存查柜系統、燃料管控系統甚至電廠已有的其他管理系統對接，并可選配前級干燥單元、在線全水測試單元等，從而將其更廣泛地應用于電廠的燃料智能化管控。

配置前級干燥系統、取13 mm全水樣的定制化系統流程如圖3所示。

圖3 機器人制樣定制化系統流程

2 關鍵技術及功能特點

帶“傘旋”機構的錘式破碎技術、低溫風透快速干燥技術、自沉集”制樣粉碎技術等在系統中已成熟應用十多年[3,13]。以下對引入機器人單元后的關鍵技術、功能特點以及該系統的運維保障系統進行探討，并對比機器人制樣系統與傳統流水線式制樣系統，從而歸納前者所具有的差異化優勢。

2.1 稱重管理技術

傳統的流水線式自動制樣系統，由于主要采用膠帶作為樣品輸送的機構，樣品在膠帶上鋪成長條狀薄層，難以實現稱量，而機器人搬運則使得各環節的樣品稱重管理變得非常簡單[14-15]。各環節樣品稱重是1項非常重要的功能，引入機器人單元后的關鍵技術可實現整套自動制樣系統進入樣品的質量、收集樣品的質量，準確獲得收集率和樣品損失率。在傳統的自動制樣系統中，只能事后發現收集的樣品質量有誤，但并不知道系統的殘留、黏堵在哪個環節，而當發現稱量有誤后，殘留的樣品已與后續其他樣品混合污染，將導致一系列樣品結果失真。而采用各環節稱重管理技術以后，樣品收集質量不足時則可及時主動報警，發現并可追溯環節問題，進而迅速地處理異常狀況。機器人制樣系統的各環節稱重管理數據見表1，系統可自動在軟件界面生成質量管理表格，自動分析制粉損失率或系統總損失率。

從表1可發現，該機器人制樣系統大量采用透明覆蓋件，使得設備結構內部可見，從而避免整套設備成為黑匣子。結構上的透視化和數據上的透明化，構成了該系統可信度高的特點。

表1 機器人制樣系統的各環節稱重管理數據

2.2 防黏、堵、交叉污染技術

傳統的流水線式制樣系統能適應煤質較好的樣品，但對于水分較高、黏度較大或含有一定煤泥的樣品則可能會黏、堵，從而造成交叉污染。機器人制樣系統在沿用傳統技術(如振動、噴吹、刮掃、清洗樣)的基礎上，提出2項機器人制樣特有的技術。 (1)機械手對于一級破碎倒料用的大圓桶與方桶、存樣用的全水樣分析樣樣瓶等各環節容器，在倒料、接料的前后進行自動清掃，為避免濕黏的樣品頑固地黏附在容器底部、壁部，同時采用通熱風與清掃的方式，已取得較好的效果，如圖4所示。

圖4 機器人制樣自動清掃效果

(2)機器人制樣系統可以選配前級干燥系統，為避免前級干燥去除的水分對樣品全水數據產生影響，若粒度合適則可先采取全水樣再預干燥，或由前級干燥系統對樣品的水分進行自動補償計算。

2.3 運維保障系統

傳統的運維服務為純人工服務，是指設備發生故障后通知廠家派技術人員到現場排查原因、廠內準備備件并現場更換調試。此為被動式服務，耗時長且影響生產。而運維保障系統是1種主動式預服務，將問題暴露在正式發生之前，避免停機影響生產。例如系統可自動生成煤樣制備檔案，每天制樣數量、稱樣量均有記錄，如通過大數據分析得知0.2 mm篩板的使用壽命約為300個樣，則系統可在篩板使用壽命即將達到之前，通過上位機軟件、手機APP端向運維管理人員發送指令，檢查篩板的磨損情況，必要時予以更換。因此，系統中的機器人替代了人的體力勞動，但尚未替代人的腦力勞動，還需配置運維保障系統對整套自動制樣系統的故障、運維進行預判和報警。進而，機器人制樣系統在實現無人值守、無人干預的同時，故障處理、運維保養通過運維保障系統實現了人機共生。

3 系統性能試驗

為判斷智能制樣系統是否滿足國標的要求，項目委托具備國家認定資質的第三方鑒定機構對系統進行鑒定試驗。試驗的主要規范性引用文件包括GB/T 19491.1—2004《煤炭機械化采樣 第1部分：采樣方法》、GB/T 19491.2—2004 《煤炭機械化采樣 第2部分：煤樣的制備》、GB/T 19491.3—2004 《煤炭機械化采樣 第3部分：精密度測定和偏倚試驗》、GB/T 474—2008 《煤樣的制備方法》、GB/T 211—2017 《煤中全水分的測定方法》、DL/T 747—2010《發電用煤機械采制樣裝置性能驗收導則》、DL/T 1330—2014 《火電廠煤炭破碎縮分聯合制樣設備性能試驗規程》。試驗內容：制樣精密度、制樣偏倚、留樣質量及出料粒度、全水分損失率，樣品數目：全水分樣20個，分析煤樣100個。

3.1 留樣質量及出料粒度過篩率試驗

抽取偏倚試驗25個同種煤樣，試驗煤樣干基灰分(Ad)平均值為18.43%，分別通過制樣系統，收集縮分后的0.2 mm、3 mm、6 mm煤樣，稱量煤樣制樣；分別抽取上述煤樣中的5組，用標準試驗篩進行篩分試驗，試驗結果見表2～表3。

表2 留樣質量試驗數據

表3 粒度為6 mm、3 mm、0.2 mm的試樣篩分試驗

試驗結果表明：所有粒度為0.2 mm的分析樣與存查樣的質量均不小于60 g，滿足粒度小于0.2 mm分析煤樣質量要求；所有樣品3 mm存查樣質量均不小于700 g，滿足標稱最大粒度3 mm存查煤樣質量要求；所有樣品的6 mm全水樣質量均不低于1.25 kg，滿足粒度小于6 mm全水分樣質量要求，即均符合國標GB/T 474—2008的要求。

3.2 精密度試驗

制樣精密度測定的目的在于鑒定該智能制樣系統按照電廠的制樣方案所能達到的制樣精密度范圍，并確定該制樣精密度范圍能否達到期望的精密度要求。

3.3 偏倚試驗

偏倚性試驗的目的在于鑒定該制樣系統所制取的煤樣(3 mm存查樣、0.2 mm分析樣)灰分與參考值之間是否存在顯著性差異。

根據國標GB/T 19494.3—2004的要求，選取了試驗煤樣的干基灰分(Ad)平均值為18.48%，共進行20組試驗。試驗結果如下：

整體結論：該智能制樣系統不存在實質性偏倚。

3.4 全水分損失測算試驗

根據DL/T 1339—2014要求系統的全水分損失率不能大于5%。稱取約40 kg煤樣共10個，每個試樣摻和后按九點法或二分法取全水，作為進料煤樣的全水分煤樣，剩余樣品迅速倒入該制樣系統，進行破碎、縮分、收集后，作為留樣的全水分煤樣。按照GB/T 211規定的方法分別測定進料煤樣和留樣的全水分，全水分損失率的計算公式如下：

式中，LM為全水分損失率，%；Mt，l為進料煤樣的全水分，%；Mt，L為留樣的全水分，%。全水分損失測算試驗結果見表4。

表4 全水分損失測算試驗結果

試驗結果表明，此次試驗過程中全水損失率為2.8%，符合標準要求。

4 結 語

以“機器人替代人”的機器人制樣系統是煤炭制樣未來發展的趨勢，能夠克服人工制樣勞動強度大、人工監管不到位等問題。以上介紹的機器人制樣系統，通過工業機器人技術與傳統的自動制樣技術的強強聯合，擴增了自動制樣系統的煤種適應性；根據國標的嚴格要求對該項目進行了性能鑒定試驗，試驗結果表明該系統完全符合國標要求。該系統的推出，將提高高能耗企業的燃料智能化、自動化管理水平。