煤炭碼頭采制化原煤樣轉運系統研究與應用

劉文詮

（國能珠海港務有限公司，廣東珠海 519050）

關鍵字：煤炭碼頭；智能；采制化；轉運

引言

煤炭作為重要的能源，深深影響著我國國民經濟的發展和生產建設，而煤炭碼頭是煤炭資源的集散中轉地，在煤炭交易流轉中起著舉足輕重的作用。煤炭交易中需根據煤質特性進行計價，因此對煤質，如煤的水分、灰分、揮發分、發熱量、硫分等指標進行檢測、化驗、分析是必不可少的。為了符合檢測分析的要求，煤炭碼頭還需要對煤炭原料進行采樣制樣工作。因此，煤炭碼頭通常配置相應的采制樣系統，以滿足市場對煤炭不同的檢驗要求。

煤炭采制化作業主要包括采樣、制樣、運輸、儲存、化驗等環節[1]。在目前的技術中，煤炭原料的采取環節基本實現了自動化，但其中采取煤樣的封裝、標識依然需要人工參與；同樣，在各個環節流轉過程中，煤樣也大多通過人工搬運、汽車或助力車運輸；收到煤樣后，也還需要手工收集、分揀、合并。可以看到，以往的采制化系統由于智能化程度低、人工干預較多，因此不僅工人勞動強度大、速度慢、有一定的危險性，且采制樣精確度受人為因素影響較大，穩定性較差，不利于及時指導生產[2]。隨著全球信息技術革命的持續迅猛發展，新技術在港口領域的應用推動著港口機械自動化、生產過程智能化的發展。自然而然，煤炭碼頭對于采制化系統也提出了更智能化的要求。我國的煤炭采制化系統設備發展已經具備一定規模，正在逐步向著全程自動化、智能化邁進。

煤炭碼頭智能采制化系統將煤炭采制化作業中各環節打通，實現煤炭采樣、制樣、運輸、儲存、化驗作業在全部進出港作業模式下的智能化及一體化運行，并通過數據自動收集和上傳，實現采制化作業全過程智能化運營與管理，提升煤炭碼頭對煤炭質數量的管理水平[3]。通過技術手段實現人與煤樣隔離、人與數據隔離“雙隔離”，降低采制化過程中人為干擾的因素，提供高安全、高效率、高可靠性和高品質服務，提升煤炭碼頭的市場公信力和客戶滿意度，最終提高港口的經濟效益、管理效益、安全效益、環保效益及社會效益。

1 原煤樣桶轉運系統組成

煤炭采制化作業過程中，主要在原煤樣收集、轉運、接收過程中存在大量人工參與程度較高的工作，如封裝、標識、運輸、收集、分揀、存儲等活動。本文的主要研究目標，就是通過采用自動化、信息化的手段減少這些活動中的人工干預，探索作業過程中對煤樣的保護措施，避免造成煤樣損失和二次污染，盡量降低對化驗結果的影響。

由于港口采樣作業種類較多，原煤樣轉運設備需與多采樣點對接，如皮采采樣機、汽車采樣機、還有采制一體化對接轉運（裝船采樣轉運），最后均需進行歸批，轉運到全自動制樣系統。按照采制樣作業中原煤樣的流動順序，中間環節涉及原煤樣收集系統、原煤樣轉運系統、原煤樣接收系統等部分。

智能收集封裝系統可對所采集的煤炭樣品進行自動封裝、編碼信息讀寫、加密，同時具有自動進出桶功能。經過采集后，原煤樣被裝入樣品桶中進行收集和傳送，并寫入煤炭樣品的編碼信息。該編碼信息將隨著樣品桶的流動，在整個工藝流程每一作業階段都可進行讀寫和管理，實現了樣品的信息化監控與管理。智能收集封裝系統的封裝自動化作業，可實現全過程有效避免人為因素干擾，以保證作業過程中各個環節無堵煤、無交叉污染，樣品代表性好，流程簡單等功能需求。

原煤樣轉運系統主要實現樣品桶在各采樣點和制樣點之間的轉運輸送。在實際的作業中，煤炭碼頭有著豐富多樣的采樣需求，例如船運進港采樣、裝船出港采樣、火車出港采樣、篩選煤采樣、汽運采樣等，這些采樣點通常布置較為分散。這就導致了采樣點與制樣點的距離不同，路線多變，而且各個采樣點需要處理的煤樣量也不統一，煤樣轉運方式也變得更多樣化，例如電動輸送輥線傳輸、煤樣轉運車、懸掛式軌道傳輸、氣動管道傳輸等，需要統籌考慮，根據具體的轉運需求進行設計選擇。原煤樣轉運系統作為中間環節，需要做好煤樣批次信息處理，以及和各設備的對接工作。

原煤樣接收系統能滿足樣品桶的自動接收、分揀、轉運、開蓋、倒樣及回收等功能需求，并且與全自動制樣設備進行對接。通過讀取樣品桶信息編碼，原煤樣自動分選系統將按照歸集要求，自動抓取、分類樣品桶送入相對應的制樣設備，同時也可以將送出的樣品空桶自動送回原煤樣轉運系統內。

2 轉運方式比較

原煤樣轉運系統根據轉運需求，可采用不同的轉運方式，本研究集中討論了電動輸送輥線傳輸、煤樣轉運車運輸、懸掛式軌道傳輸、氣動管道傳輸四種轉運方式。

2.1 電動輸送輥線傳輸

電動輸送輥線是應用非常廣泛的輸送設備，主要是利用圓筒式輥子的轉動來輸送物件。電動輸送輥線主要由多個金屬輥子、框架、鏈條、電機、擋板等組成。金屬輥子安裝于型材框架上，構成一個輸送平面可將物品從一個地方輸送到另一個地方。

托輥兩側采用鏈輪加鏈條驅動形式，電機啟動后，通過鏈條帶動輥子滾動。改變電機轉速可以改變輥子的滾動速度，以達到適應不同輸送要求的目的。在電動輸送輥線的兩側設置可調節高度的尼龍擋板，以保證智能品桶在既定軌道內進行轉運，同時也保證了樣品桶的穩定性，避免其在轉運過程中發生傾斜或者側翻。

2.2 煤樣轉運車運輸

采用煤樣轉運車的轉運方式可以靈活適應分布位置較分散、行程距離較遠、封裝樣品桶量多的轉運情況。原煤樣轉運小車需要配套開發滿足路線規劃以及自動裝卸原煤樣桶工作的功能。

圖1 原煤樣轉運小車車廂示意圖

當原煤樣轉運小車行駛至原煤樣收集系統指定位置處，打開自動車門，并通過伸縮輸送機與其對接。控制系統發出指令，原煤樣收集系統的轉盤切換相應樣品重桶至出樣桶位，樣品桶取送裝置取出相應的樣品桶至樣品存儲輸送機。樣品存儲輸送機與料桶提升裝置共同作用，將樣品桶輸送至伸縮輸送機，最后由重桶與空桶切換機構將樣品重桶導向至樣品重桶暫存器存儲。重復以上輸送過程，直至完成全部樣品重桶的下車和存儲。

樣品空桶暫存器的樣品桶通過重桶與空桶切換機構導向傳送至伸縮輸送機，而后送至樣品存儲輸送機，由樣品桶取送裝置將其送入相應樣品桶收集器內。待原煤樣轉運小車內的樣品重桶與空桶全部裝卸完畢，關閉自動門，小車即可按控制中心要求的行使路線完成轉運動作。

2.3 懸掛式軌道傳輸

懸掛式軌道傳輸系統能夠將智能收集系統的樣品桶自動導出和導入，并通過水平傳輸和垂直傳輸將轉運路徑轉移至高空軌道，最終通過遠距離軌道傳輸至目的地。

該傳輸系統能與原煤樣收集系統、原煤樣接收系統進行作業對接。由原煤樣收集系統封裝完畢的智能樣品桶將存放于緩存區域，同時向控制系統發出作業就緒信號。懸掛式軌道傳輸裝置接到就緒信號后將樣品桶推送入水平輥筒線，并統一傳送至樣品桶垂直提升機，由提升機提升至高空軌道，再切換至懸掛小車接力運輸。小車在懸掛式軌道上依次運行至制樣點后，通過垂直和水平轉運設備降低高度，與原煤樣接收系統對接作業，將樣品桶自動送至煤制樣間指定位置。懸掛式軌道傳輸系統的線路具備可逆功能，可實現自動將原煤樣接收系統送出的空桶分別有序地從卸料點按原路線返回相應的采樣點，并導入對應的原煤樣收集系統。

懸掛式軌道傳輸系統地高空軌道需設置于離地面5 m 以上的高度，以保障軌道傳輸過程中不影響地面車輛通行。長距運輸軌道通常依靠現有建、構筑物裝軌道支吊架，盡量不多占用路面，當無建、構筑物可以附著時，就需要單獨設置立柱和支吊架。為方便運輸軌道穿越建、構筑物墻壁，部分墻體需開設相應尺寸的孔洞，因此建設過程中需要考慮碼頭作業區域其它設備及建筑物、構筑物的使用和安全。

2.4 氣動管道傳輸

氣動管道傳輸是通過氣力輸送的形式將封裝后的煤樣輸送到指定的地方，整個過程自動完成，避免了煤樣輸送環節的人為干預，防止煤樣在調取的過程中人為換樣，同時節省人力。傳輸目的地間的管道可設考慮為雙管路設計，以提高煤樣傳輸可靠性。

氣動管道傳輸系統包括中央控制單元、風機動力單元、管道換向器、發送工作站、接收工作站、緩沖組件、傳輸管道、傳輸瓶及附屬支撐件等組成等[4]。通過中央控制系統的控制選擇不同路徑，風機動力單位實現管道內吸氣、吹氣的切換，使管道內形成正負空氣壓力差，從而形成氣動力，推動煤樣瓶傳輸。風機的調速控制可自動調節風速風量，控制煤樣瓶的移動速度[5]。由管道換向器實現傳輸管道切換功能，以此將各傳輸工作站連接起來，共同構成完整系統[6]。在整個傳輸過程中，緩沖組件有效地降低了樣瓶的沖擊。水平管道應確保平直安裝，彎管安裝需要有足夠轉彎半徑，以免發生卡瓶現象。

氣動管道傳輸系統設置有監測裝置，能實時監控整套系統運行狀態及煤樣在管道中的輸送過程，實時記錄樣品的狀態和位置。當發生故障和堵塞時，可根據系統的運行狀態和跟蹤記錄，判斷設備故障及故障位置，并自動報警。

2.5 轉運方式比較與選擇

上述四種轉運方式各有優劣勢：

1）電動輸送輥線方式可同時輸送大批量的智能樣品桶，并且具備一定的緩沖功能，當出現擁堵的可能時，可通過調整速度來緩解擁堵情況，當發生故障停機時，停止運作的輥道可以作為樣品桶的臨時存放點，等待故障排除后重新投入轉運。相比懸掛式軌道傳輸和氣動管道傳輸，該方式建設安裝簡單，日常檢修維護難度低，同時其建設成本也相對較低。但是，電動輸送輥線的轉運路徑固定，不夠靈活，而且不可避免的是其占地面積較大，需考慮碼頭作業區用地規劃。

2）采用煤樣轉運車運輸的運轉方式，可以批量運送大量樣品桶，并且不受場地和路徑限制，可以快速、靈活地完成轉運工作，長距離轉運時，優勢明顯。并且該方式對建設場地的要求較低，幾乎不占用作業區域，建設成本也相對較低。但是，目前煤樣轉運車采用人工駕駛的方式，使得該環節無法避免人為因素導致的交通故障、延遲等情況，未來可考慮采用自動駕駛車輛，進一步減少人工干預。

3）懸掛式軌道傳輸方式與電動輸送輥線一樣，可以實現大批量樣品桶的轉運，且具備擁堵緩沖功能，對作業區占地的影響也小于電動輸送輥線方式。但是，由于該方式的傳輸軌道架設在5 m 以上的高度，該系統的建設和檢修維護難度也相對變高，同時需要防范高空作業帶來的風險。

4）氣動管道傳輸可以實現高效的樣品桶轉運作業，具備傳輸速度快，噪音低，占地影響較小等優點。但是，氣動管道傳輸作業時，需要保障當前路徑唯一，且不可進行批量傳送，一旦發生管道堵塞，影響較大，而且其建設成本、安裝和維護的難度都高于其他方式。

表1 轉運方式比較

綜上，原煤樣轉運系統在選擇轉運方式時，需要考慮煤炭碼頭的具體情況，包括采樣點分布、采樣點與制樣點間距離、轉運路線、需處理煤樣量、建設成本、檢修難度等因素。本研究過程中，充分考慮了研究項目所在碼頭的實際情況，鑒于裝船采樣點距離制樣點距離較近，該段原煤樣樣品桶轉運采用了電動輸送輥線直接傳輸裝置進行轉運，同時也保留轉運小車接口及功能作為輔助轉運方式。其他采制樣作業點設置分散，綜合考慮效率、靈活性等需求，采用了煤樣轉運車傳輸方式。

3 方案設計與實施

3.1 原煤樣收集系統

智能收集封裝系統由智能樣品桶、樣品桶管理機、輔助裝置組成。

普通的簡易樣品桶不僅在密封性上有所欠缺，并且在人工標識和分揀過程中也容易出現錯誤和混淆。此外，樣品信息需要跟隨樣品轉移，目前樣品的識別采用人工編號的方式居多，樣品信息基本都是手工填寫或電腦手動輸入，容易發生筆誤的現象，給采制化工作帶來不必要的麻煩[7]。因此，在實現煤樣自動化收集作業之前，需先解決樣品桶的這些問題。本研究中，特意使用了具備讀寫信息及加密功能的智能閉鎖樣品桶。該樣品桶采用了厚度不低于2 mm 的316 不銹鋼材質，以提升樣品桶本身的耐磨程度，并通過加蓋閉鎖確保其密封性能，以防煤粉泄露。樣品桶身與桶蓋采用分體型式，桶體及桶蓋分別內置智能芯片、RFID 識別碼片、自備電源。智能樣品桶的電子信息存儲，是具備智能識別、自動開啟、自動關閉、自動封裝、狀態檢測、自動稱重、報警等功能的基礎。

此外，智能收集封裝系統的輔助設備還由樣品桶收集轉臺、稱重裝置（稱重精度0.1 kg）、自動封裝機、樣品信息讀寫器等部分組成。采集煤樣時，可根據控制系統指令，實現一個完整的自動封裝動作循環，包括給桶、識別、下料、稱重、輸送、加蓋等。系統在稱重位安裝有桶光電檢測裝置及桶號識別裝置，確保桶位旋轉正確，不發生混樣，并且與采樣系統、縮分器聯鎖。轉盤機構轉動角位移的終點由接近開關控制，能自動進行封裝。使樣品桶收集器的旋轉轉盤機構根據指令，切換到相應的樣品桶轉至進樣桶位，原煤樣采樣樣品存儲于指定的智能樣品桶內并寫入相應的煤樣種類、采樣時間、樣品重量等相關信息。系統可以隨時監控刮掃次數和稱重數據的變化，記錄單次縮分量、樣品重量變化等數據，判斷空桶、滿桶或重量數據異常。

智能收集封裝系統采用可編程控制器（PLC）為控制核心，實現封裝系統的自動控制和就地控制。封裝機的運行狀態信息、傳感器診斷信息、執行器件的診斷信息等，均可在控制顯示屏上顯示。設備設有必要的堵轉、過載、短路、斷相、接地等保護，系統具備故障報警功能，出現報警信號時，發出報警聲，同時在PLC 控制系統設置一個通訊接口，用于向管控中心系統提供信息，可將采樣裝置主設備的運行狀態信號和重要的報警信息接入管控中心系統，同時實現計量數據自動上傳。

圖2 智能收集封裝系統（側視圖）

為了應對緊急突發情況，智能收集封裝系統也設有人工應急取樣功能。樣品收集器配備應急取樣接口，用于應急開蓋取樣。

3.2 原煤樣轉運系統

本研究采用了電動輸送輥線傳輸和煤樣轉運車傳輸兩種轉運方式。

電動輸送輥線傳輸系統中，輥線框架采用了型材制作，驅動電機要求驅動速度穩定，以保障樣品桶的平穩前行。本研究中，電動輸送輥線不僅應用在了裝船采制樣作業流程中，還被應用在了各采樣點和制樣點建筑內的樣品桶運送。例如電動輸送輥線與自動推送裝置相互配合實現樣品桶的自動導入和導出功能。自動推送裝置設置在稱重式樣品桶樣品收集器的進出桶位、提升機進出桶位等位置。該裝置配備有直線式氣動推桿，通過集樣器的桶座旋轉機構和樣品桶輸送系統接近開關傳感器給出的信號，機械推桿進行取桶、推送樣品桶操作。

圖3 電動輸送輥線與導入導出裝置對接示意圖

本研究研發了2 臺原煤樣轉運小車，用于將各采樣間采集的煤樣封裝桶運送至制樣間。

原煤樣轉運小車采用為純電動四輪結構，具備獨立的全封閉駕駛室、全密封結構的載貨車廂和電動卷簾門，能夠與原煤樣封裝裝置、原煤樣接收裝置的樣桶轉運平臺無縫對接，實現采樣點煤樣桶自動送進或送出車廂，并且電動卷簾門與制樣間自動門對接，樣品桶通過導入導出裝置和原煤樣接收裝置，實現制樣點樣品桶自動上車和下車各級動作。自動裝卸車功能完全取代了人工搬運。

在原煤樣轉運小車的駕駛室設有1 個監控攝像頭，在載貨車廂設有2 個監控攝像頭，車輛啟動監控同時開始錄制，將錄像同步上傳至視頻監控系統的服務器內，同時與視頻監控系統對接，滿足轉運工作全過程的視頻監控需求和安防監控需求。

圖4 原煤樣轉運小車（側視圖）

3.3 原煤樣接收系統

制樣間配套設置原煤樣接收系統，主要裝置包括：樣品桶自動接收系統、分選系統、輸送系統、自動開蓋裝置、自動抓桶裝置、上料緩存裝置、空桶平臺、桶蓋回收裝置、電氣控制系統等。原煤樣接收裝置平臺具備與原煤樣轉運系統對接的功能，可將煤樣桶自動轉送至篩選轉運平臺上，通過讀碼識別裝置，依靠批次編碼信息自動篩選出需制備的煤樣，同時將讀碼信息實時上傳煤質智慧管控系統。樣品桶通過抓桶、開蓋、倒樣等流程后，由控制系統下發指令，開始進行制樣流程[8]。

原煤樣自動分選系統是以分揀機器人為中心，四周配有樣品桶輸送機、空桶存儲臺及多個不同分類的重桶存儲臺。分揀機器人手臂前端裝有專用手爪，樣品桶輸送機上部配有電子信息讀卡器。通過分揀機器人、樣品桶輸送機、重桶存儲臺及控制系統實現樣品的信息識別并分類存儲在不同的樣品存儲臺與分類合并送樣于制樣設備。根據控制系統下發的指令，原煤樣自動分揀系統的分揀機器人辨別輸送機上樣品桶的原煤樣信息，把不同煤種、批次、礦點等煤樣信息的智能樣品桶分別抓取送入相應分類的重桶存儲臺存儲。當原煤樣需要進一步制樣時，分揀機器人根據控制系統發出動作指令抓取相對應某一樣品存儲臺上存儲的樣品重桶送入指定的全自動制樣系統的送桶進樣模塊。全自動制樣系統制樣完畢，送桶進樣模塊送出的樣品空桶，再次由分揀機器人抓取送入空桶樣品存儲臺存儲。當空桶存儲臺存儲的樣品空桶需要進行轉運時，分揀機器人將抓取樣品空桶送入樣品桶輸送機，然后送入原煤樣轉運系統內。

圖5 原煤樣自動分選系統示意圖

此外，原煤樣接收裝置考慮了應急時人工接卸樣品桶的可能，并在人工制樣間、全自動制樣間各配置了一套人工掃碼開蓋裝置，以預防緊急情況。

4 結語

本研究成果目前已投入使用，有針對性地解決了研究項目所在煤炭碼頭現有采樣系統智能化程度低、人為因素影響大、以及運輸、存儲系統環節缺失的現狀。

本研究通過建設具備自動化作業功能的原煤樣收集系統、轉運系統和接收系統，減少作業過程中人工參與程度，避免煤樣損失和二次污染，同時采用信息化手段，使得煤樣信息、設備狀態等信息實時上傳、存儲，實現收集、轉運、接收作業全過程的監控、追溯和管理。以本研究為基礎，可以助力實現采、制、運、儲、化智能化管理，數據實時傳輸、分析與建模，進行統籌管理與輔助決策。最終建設成為融合控制自動化、運行數字化、管理智能化的新一代智能采制樣系統，有效提升煤炭質數量管控能力，提高客戶滿意度。