機(jī)器人制樣系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究及性能試驗(yàn)

楊 勇，任 率

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410205)

0 引 言

2021年我國(guó)經(jīng)濟(jì)工作會(huì)議中提出1項(xiàng)重點(diǎn)工作目標(biāo)即“碳達(dá)峰、碳中和”，而火力發(fā)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(shè)的重點(diǎn)研究方向，而研究火力發(fā)電碳減排的前提是基于對(duì)電廠的燃料來料過程進(jìn)行自動(dòng)化、精細(xì)化、智能化管理，并重點(diǎn)管理和防控采、制、化3個(gè)重要環(huán)節(jié)。

在燃料的制樣環(huán)節(jié)，需將采樣環(huán)節(jié)采集的數(shù)十、數(shù)百、甚至數(shù)千公斤的樣品嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)規(guī)定的操作流程進(jìn)行破碎、縮分、干燥、制粉，最終制備而得各級(jí)粒度不同、質(zhì)量不同的化驗(yàn)樣品?？上攵?，將大量的煤樣制備成少量的試樣，其理化性質(zhì)不能發(fā)生改變，且化驗(yàn)結(jié)果需要準(zhǔn)確反映所采購煤樣的品質(zhì)，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?nèi)肆r(shí)代，通過人工使用鋼輾、二分器等簡(jiǎn)單的制樣工具對(duì)煤樣進(jìn)行碾碎、敲碎、縮分，因人工勞動(dòng)量過大而逐步出現(xiàn)了機(jī)械化的產(chǎn)品，如錘式破碎機(jī)、制樣粉碎機(jī)、電動(dòng)縮分器等，再進(jìn)入到第二代半自動(dòng)化階段。該2個(gè)階段均需經(jīng)驗(yàn)豐富的操作人員嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)的要求進(jìn)行規(guī)范性操作，人力資源投入較大，人工干預(yù)較多，對(duì)操作人員的工作熟練程度、職業(yè)操守依賴性很大，且在人工制樣室粉塵環(huán)境下易引發(fā)職業(yè)病，而制樣過程的監(jiān)管主要通過安裝攝像頭、制定規(guī)章考核制度進(jìn)行監(jiān)督[2]。從2012年～2014年起開始國(guó)內(nèi)出現(xiàn)流水線式自動(dòng)制樣系統(tǒng)[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(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶、斗式提升機(jī)等連接為1個(gè)整體以代替以往的人工制樣方式，在避免人為干預(yù)的同時(shí)提高了制樣的規(guī)范性。近年來，第三代流水線式自動(dòng)制樣技術(shù)的基礎(chǔ)技術(shù)(破碎、干燥、制粉)逐步趨向于成熟可靠，但對(duì)于煤種的適應(yīng)性要求、制樣過程的精細(xì)化管理要求越來越高，現(xiàn)有的技術(shù)對(duì)于煤質(zhì)情況復(fù)雜的情況難以適應(yīng)[4-6]，因而煤炭的制樣應(yīng)運(yùn)進(jìn)入第四代—機(jī)器人制樣時(shí)代[7-8]。機(jī)器人制樣主要將工業(yè)機(jī)器人引入流水線自動(dòng)制樣系統(tǒng)之中，替代原有的膠帶搬運(yùn)、斗式提升等方式從而在煤炭、焦炭領(lǐng)域獲得應(yīng)用[9-10]，進(jìn)一步推動(dòng)了整個(gè)行業(yè)的發(fā)展。

結(jié)合煤炭智能制樣系統(tǒng)的驗(yàn)收試驗(yàn)以及燃料智能化管控系統(tǒng)在火電廠中的應(yīng)用研究[11-12]，以下將以1種機(jī)器人制樣系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)組成、工作流程、關(guān)鍵技術(shù)、與傳統(tǒng)自動(dòng)制樣的對(duì)比、性能試驗(yàn)等方面進(jìn)行闡述，對(duì)機(jī)器人制樣系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行探討，以期為電廠、礦山、鋼鐵等企業(yè)的煤炭智能化管理建設(shè)提供參考，提升管理效益和經(jīng)濟(jì)效益。

1 系統(tǒng)組成與工作流程

機(jī)器人制樣系統(tǒng)是在傳統(tǒng)流水線式自動(dòng)制樣系統(tǒng)基礎(chǔ)上的升級(jí)迭代，由初級(jí)入料口、一級(jí)破碎單元、一級(jí)定質(zhì)量縮分單元、備份樣緩存單元、二級(jí)破碎縮分單元、低溫快速干燥單元、制樣粉碎單元、機(jī)器人單元、容器自動(dòng)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(yè)機(jī)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(tǒng)自動(dòng)制樣系統(tǒng)中的搬運(yùn)、倒料等功能，因此從功能的角度分析，機(jī)器人屬于整體系統(tǒng)的輔助部件而非核心部件。但由于引入了機(jī)器人靈活性的特點(diǎn)，并結(jié)合其他關(guān)鍵技術(shù)，從而衍生了更多的功能。機(jī)器人制樣系統(tǒng)示意如圖1所示。

圖1 機(jī)器人制樣系統(tǒng)示意

系統(tǒng)選擇的機(jī)器人為ABB IRB6700 6軸系統(tǒng)產(chǎn)品，其工作范圍達(dá)2.6 m，端部負(fù)載為200 kg，重復(fù)定位精度0.05 mm，重復(fù)循環(huán)精度0.06 mm，同時(shí)搭載了防碰撞檢測(cè)系統(tǒng)，在自動(dòng)制樣系統(tǒng)中具備了很好的精度和安全性。

機(jī)器人制樣系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)流程如圖2所示，該自動(dòng)制樣系統(tǒng)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(shù)，該系統(tǒng)也可實(shí)現(xiàn)個(gè)性化定制。由于機(jī)器人的引入，使得整套系統(tǒng)可以是非流水線式的作業(yè)，流程的多樣性成為可能。例如，來樣粒度為3 mm、質(zhì)量≥3.75 kg，則機(jī)械手可以直接將樣品從次級(jí)入料口倒入，而跳過前端的一級(jí)破碎、一級(jí)定質(zhì)量縮分等環(huán)節(jié)。又如，來料質(zhì)量為300 kg，超過了標(biāo)準(zhǔn)入料量120 kg，則機(jī)器人可先將樣品在一級(jí)定質(zhì)量縮分膠帶上進(jìn)行前級(jí)縮分，將樣品質(zhì)量縮分至小于120 kg后再進(jìn)入一級(jí)破碎單元。引入機(jī)器人后其功能可增強(qiáng)整套系統(tǒng)的適應(yīng)性。

圖2 機(jī)器人制樣系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)流程

機(jī)器人制樣系統(tǒng)不是1套單機(jī)版的系統(tǒng)，其可有機(jī)融入整套燃料智能化管控系統(tǒng)，與采樣系統(tǒng)、氣動(dòng)傳輸系統(tǒng)、自動(dòng)存查柜系統(tǒng)、燃料管控系統(tǒng)甚至電廠已有的其他管理系統(tǒng)對(duì)接，并可選配前級(jí)干燥單元、在線全水測(cè)試單元等，從而將其更廣泛地應(yīng)用于電廠的燃料智能化管控。

配置前級(jí)干燥系統(tǒng)、取13 mm全水樣的定制化系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3 機(jī)器人制樣定制化系統(tǒng)流程

2 關(guān)鍵技術(shù)及功能特點(diǎn)

帶“傘旋”機(jī)構(gòu)的錘式破碎技術(shù)、低溫風(fēng)透快速干燥技術(shù)、自沉集”制樣粉碎技術(shù)等在系統(tǒng)中已成熟應(yīng)用十多年[3,13]。以下對(duì)引入機(jī)器人單元后的關(guān)鍵技術(shù)、功能特點(diǎn)以及該系統(tǒng)的運(yùn)維保障系統(tǒng)進(jìn)行探討，并對(duì)比機(jī)器人制樣系統(tǒng)與傳統(tǒng)流水線式制樣系統(tǒng)，從而歸納前者所具有的差異化優(yōu)勢(shì)。

2.1 稱重管理技術(shù)

傳統(tǒng)的流水線式自動(dòng)制樣系統(tǒng)，由于主要采用膠帶作為樣品輸送的機(jī)構(gòu)，樣品在膠帶上鋪成長(zhǎng)條狀薄層，難以實(shí)現(xiàn)稱量，而機(jī)器人搬運(yùn)則使得各環(huán)節(jié)的樣品稱重管理變得非常簡(jiǎn)單[14-15]。各環(huán)節(jié)樣品稱重是1項(xiàng)非常重要的功能，引入機(jī)器人單元后的關(guān)鍵技術(shù)可實(shí)現(xiàn)整套自動(dòng)制樣系統(tǒng)進(jìn)入樣品的質(zhì)量、收集樣品的質(zhì)量，準(zhǔn)確獲得收集率和樣品損失率。在傳統(tǒng)的自動(dòng)制樣系統(tǒng)中，只能事后發(fā)現(xiàn)收集的樣品質(zhì)量有誤，但并不知道系統(tǒng)的殘留、黏堵在哪個(gè)環(huán)節(jié)，而當(dāng)發(fā)現(xiàn)稱量有誤后，殘留的樣品已與后續(xù)其他樣品混合污染，將導(dǎo)致一系列樣品結(jié)果失真。而采用各環(huán)節(jié)稱重管理技術(shù)以后，樣品收集質(zhì)量不足時(shí)則可及時(shí)主動(dòng)報(bào)警，發(fā)現(xiàn)并可追溯環(huán)節(jié)問題，進(jìn)而迅速地處理異常狀況。機(jī)器人制樣系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)稱重管理數(shù)據(jù)見表1，系統(tǒng)可自動(dòng)在軟件界面生成質(zhì)量管理表格，自動(dòng)分析制粉損失率或系統(tǒng)總損失率。

從表1可發(fā)現(xiàn)，該機(jī)器人制樣系統(tǒng)大量采用透明覆蓋件，使得設(shè)備結(jié)構(gòu)內(nèi)部可見，從而避免整套設(shè)備成為黑匣子。結(jié)構(gòu)上的透視化和數(shù)據(jù)上的透明化，構(gòu)成了該系統(tǒng)可信度高的特點(diǎn)。

表1 機(jī)器人制樣系統(tǒng)的各環(huán)節(jié)稱重管理數(shù)據(jù)

2.2 防黏、堵、交叉污染技術(shù)

傳統(tǒng)的流水線式制樣系統(tǒng)能適應(yīng)煤質(zhì)較好的樣品，但對(duì)于水分較高、黏度較大或含有一定煤泥的樣品則可能會(huì)黏、堵，從而造成交叉污染。機(jī)器人制樣系統(tǒng)在沿用傳統(tǒng)技術(shù)(如振動(dòng)、噴吹、刮掃、清洗樣)的基礎(chǔ)上，提出2項(xiàng)機(jī)器人制樣特有的技術(shù)。 (1)機(jī)械手對(duì)于一級(jí)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(huán)節(jié)容器，在倒料、接料的前后進(jìn)行自動(dòng)清掃，為避免濕黏的樣品頑固地黏附在容器底部、壁部，同時(shí)采用通熱風(fēng)與清掃的方式，已取得較好的效果，如圖4所示。

圖4 機(jī)器人制樣自動(dòng)清掃效果

(2)機(jī)器人制樣系統(tǒng)可以選配前級(jí)干燥系統(tǒng)，為避免前級(jí)干燥去除的水分對(duì)樣品全水?dāng)?shù)據(jù)產(chǎn)生影響，若粒度合適則可先采取全水樣再預(yù)干燥，或由前級(jí)干燥系統(tǒng)對(duì)樣品的水分進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償計(jì)算。

2.3 運(yùn)維保障系統(tǒng)

傳統(tǒng)的運(yùn)維服務(wù)為純?nèi)斯し?wù)，是指設(shè)備發(fā)生故障后通知廠家派技術(shù)人員到現(xiàn)場(chǎng)排查原因、廠內(nèi)準(zhǔn)備備件并現(xiàn)場(chǎng)更換調(diào)試。此為被動(dòng)式服務(wù)，耗時(shí)長(zhǎng)且影響生產(chǎn)。而運(yùn)維保障系統(tǒng)是1種主動(dòng)式預(yù)服務(wù)，將問題暴露在正式發(fā)生之前，避免停機(jī)影響生產(chǎn)。例如系統(tǒng)可自動(dòng)生成煤樣制備檔案，每天制樣數(shù)量、稱樣量均有記錄，如通過大數(shù)據(jù)分析得知0.2 mm篩板的使用壽命約為300個(gè)樣，則系統(tǒng)可在篩板使用壽命即將達(dá)到之前，通過上位機(jī)軟件、手機(jī)APP端向運(yùn)維管理人員發(fā)送指令，檢查篩板的磨損情況，必要時(shí)予以更換。因此，系統(tǒng)中的機(jī)器人替代了人的體力勞動(dòng)，但尚未替代人的腦力勞動(dòng)，還需配置運(yùn)維保障系統(tǒng)對(duì)整套自動(dòng)制樣系統(tǒng)的故障、運(yùn)維進(jìn)行預(yù)判和報(bào)警。進(jìn)而，機(jī)器人制樣系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)無人值守、無人干預(yù)的同時(shí)，故障處理、運(yùn)維保養(yǎng)通過運(yùn)維保障系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了人機(jī)共生。

3 系統(tǒng)性能試驗(yàn)

為判斷智能制樣系統(tǒng)是否滿足國(guó)標(biāo)的要求，項(xiàng)目委托具備國(guó)家認(rèn)定資質(zhì)的第三方鑒定機(jī)構(gòu)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行鑒定試驗(yàn)。試驗(yàn)的主要規(guī)范性引用文件包括GB/T 19491.1—2004《煤炭機(jī)械化采樣 第1部分：采樣方法》、GB/T 19491.2—2004 《煤炭機(jī)械化采樣 第2部分：煤樣的制備》、GB/T 19491.3—2004 《煤炭機(jī)械化采樣 第3部分：精密度測(cè)定和偏倚試驗(yàn)》、GB/T 474—2008 《煤樣的制備方法》、GB/T 211—2017 《煤中全水分的測(cè)定方法》、DL/T 747—2010《發(fā)電用煤機(jī)械采制樣裝置性能驗(yàn)收導(dǎo)則》、DL/T 1330—2014 《火電廠煤炭破碎縮分聯(lián)合制樣設(shè)備性能試驗(yàn)規(guī)程》。試驗(yàn)內(nèi)容：制樣精密度、制樣偏倚、留樣質(zhì)量及出料粒度、全水分損失率，樣品數(shù)目：全水分樣20個(gè)，分析煤樣100個(gè)。

3.1 留樣質(zhì)量及出料粒度過篩率試驗(yàn)

抽取偏倚試驗(yàn)25個(gè)同種煤樣，試驗(yàn)煤樣干基灰分(Ad)平均值為18.43%，分別通過制樣系統(tǒng)，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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)篩進(jìn)行篩分試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表2～表3。

表2 留樣質(zhì)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 粒度為6 mm、3 mm、0.2 mm的試樣篩分試驗(yàn)

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

3.2 精密度試驗(yàn)

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

3.3 偏倚試驗(yàn)

偏倚性試驗(yàn)的目的在于鑒定該制樣系統(tǒng)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(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 19494.3—2004的要求，選取了試驗(yàn)煤樣的干基灰分(Ad)平均值為18.48%，共進(jìn)行20組試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下：

整體結(jié)論：該智能制樣系統(tǒng)不存在實(shí)質(zhì)性偏倚。

3.4 全水分損失測(cè)算試驗(yàn)

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

式中，LM為全水分損失率，%；Mt，l為進(jìn)料煤樣的全水分，%；Mt，L為留樣的全水分，%。全水分損失測(cè)算試驗(yàn)結(jié)果見表4。

表4 全水分損失測(cè)算試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)結(jié)果表明，此次試驗(yàn)過程中全水損失率為2.8%，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 語

以“機(jī)器人替代人”的機(jī)器人制樣系統(tǒng)是煤炭制樣未來發(fā)展的趨勢(shì)，能夠克服人工制樣勞動(dòng)強(qiáng)度大、人工監(jiān)管不到位等問題。以上介紹的機(jī)器人制樣系統(tǒng)，通過工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與傳統(tǒng)的自動(dòng)制樣技術(shù)的強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，擴(kuò)增了自動(dòng)制樣系統(tǒng)的煤種適應(yīng)性；根據(jù)國(guó)標(biāo)的嚴(yán)格要求對(duì)該項(xiàng)目進(jìn)行了性能鑒定試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)完全符合國(guó)標(biāo)要求。該系統(tǒng)的推出，將提高高能耗企業(yè)的燃料智能化、自動(dòng)化管理水平。