機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

魏加棟，崔修強(qiáng)

(1.江蘇伊維達(dá)智能科技股份有限公司 技術(shù)研發(fā)中心，江蘇 徐州 221116； 2.華電國(guó)際電力股份有限公司 技術(shù)服務(wù)中心， 濟(jì)南 250014)

圖1 智能燃料采制化流程

0 引言

工業(yè)機(jī)器人是近40年發(fā)展起來(lái)的一種高科技自動(dòng)化機(jī)械設(shè)備的典型代表，由于工業(yè)機(jī)器人具有極強(qiáng)的功能和很高的通用性，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)在諸多行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。其中，機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)冶金、港口、電力等行業(yè)有諸多應(yīng)用案例，機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)具有水分樣制備、水分含量檢測(cè)、分析樣制備、樣品稱重、樣品包裝等功能，能夠適應(yīng)火力發(fā)電行業(yè)燃料智能化趨勢(shì)。

1 系統(tǒng)概述

煤炭是火力發(fā)電廠的主要生產(chǎn)原料,如何準(zhǔn)確檢測(cè)入廠煤炭質(zhì)量,對(duì)于火電企業(yè)貿(mào)易結(jié)算和摻燒摻配具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。商品煤樣的采制是煤炭質(zhì)量檢測(cè)的重要環(huán)節(jié),是檢測(cè)誤差的主要來(lái)源,不正確的采制樣方式必會(huì)導(dǎo)致檢測(cè)結(jié)果的代表性較差。

自動(dòng)化制樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，其制樣過程既要嚴(yán)格按照相關(guān)制樣工藝標(biāo)準(zhǔn)又要考慮系統(tǒng)的自動(dòng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，因此在自動(dòng)化制樣系統(tǒng)中應(yīng)用運(yùn)行精度高、通用性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、功能強(qiáng)大且具有較高科技含量的通用6軸工業(yè)機(jī)器人是自動(dòng)化制樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)重要選項(xiàng)?；痣姀S燃煤自動(dòng)化樣品處理流程如圖1所示。

目前入廠煤和入爐煤采樣已經(jīng)大部分實(shí)現(xiàn)了機(jī)械化采樣，采樣后，樣品經(jīng)過初級(jí)破碎縮分，即可通過自動(dòng)轉(zhuǎn)運(yùn)裝置進(jìn)入機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)。

機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)主要完成水分樣制備、水分含量測(cè)試、分析樣預(yù)干燥、破碎、定量縮分、留取3 mm存查樣700 g、研磨前干燥、研磨到0.2 mm、自動(dòng)寫碼包裝等功能。

機(jī)器人自動(dòng)分析系統(tǒng)主要完成煤樣的工業(yè)分析，測(cè)量發(fā)熱量、灰分、硫分、揮發(fā)分，計(jì)算全碳含量，結(jié)合前級(jí)機(jī)器人制樣部分已經(jīng)完成的水分含量測(cè)試，給出煤樣工業(yè)分析結(jié)果[1]。

樣品的自動(dòng)存查系統(tǒng)主要管理存查煤樣，對(duì)于部分有爭(zhēng)議的煤樣可以進(jìn)行人工化驗(yàn)分析，或者人工定期抽檢存查樣，然后跟機(jī)器人煤樣分析結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

這個(gè)系統(tǒng)中，機(jī)械化采樣系統(tǒng)單元、機(jī)器人制樣系統(tǒng)單元、機(jī)器人化驗(yàn)分析系統(tǒng)單元、樣品存查系統(tǒng)單元，均可以制作成標(biāo)準(zhǔn)功能單元，但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，所在地理位置略有不同，這些功能單元之間可以采用靈活樣品轉(zhuǎn)運(yùn)方式。

2 設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 機(jī)器人制樣系統(tǒng)功能要求

樣品制備與處理功能。機(jī)器人制樣系統(tǒng)主要完成水分樣制備、水分含量測(cè)定、分析樣自動(dòng)快速低溫干燥、破碎、縮分、留取存查樣、研磨、寫碼包裝等功能。

系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行清掃清理作業(yè)。制樣完成后，需要對(duì)相關(guān)容器、設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)清掃作業(yè)。

系統(tǒng)除塵功能?？紤]系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能產(chǎn)生粉塵，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)自動(dòng)除塵功能，滿足環(huán)保制樣要求，同時(shí)避免樣品污染。

系統(tǒng)安全性設(shè)計(jì)。機(jī)器人制樣系統(tǒng)需要滿足人機(jī)安全要求，符合相關(guān)安全標(biāo)準(zhǔn)，一般采取系統(tǒng)隔離、入侵報(bào)警停機(jī)等措施，以保證人員安全。

2.2 機(jī)器人制樣系統(tǒng)布局

機(jī)器人制樣系統(tǒng)設(shè)備包括：工業(yè)機(jī)器人、樣品稱重裝置、樣品破碎機(jī)、樣品定量縮分機(jī)、定比縮分機(jī)、煤樣干燥裝置、水分測(cè)定裝置、研磨機(jī)、樣品寫碼包裝裝置、系統(tǒng)清洗裝置、系統(tǒng)除塵裝置等，設(shè)備較多，可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，以工業(yè)機(jī)器人為核心，周邊設(shè)備可以圍繞工業(yè)機(jī)器人呈直線型、L型、U型、圓周型布局。目前圓周布置較為常見，如圖2、圖3所示。

圖2 機(jī)器人制樣系統(tǒng)模型

圖3 機(jī)器人制樣現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

2.3 工業(yè)機(jī)器人設(shè)備選型

工業(yè)機(jī)器人是該系統(tǒng)核心設(shè)備，選型主要考慮性能、品牌、價(jià)格等因素，國(guó)內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人本體產(chǎn)品廠商已經(jīng)很多，技術(shù)水平已經(jīng)比較接近[2]。性能指標(biāo)是首選因素，其中ABB IRB4600技術(shù)指標(biāo)及環(huán)境參數(shù)見表1、表2。

從ABB IRB4600工業(yè)機(jī)器人的技術(shù)參數(shù)表中可以看到，工業(yè)機(jī)器人防護(hù)等級(jí)IP67，運(yùn)行溫濕度等要求完全可以滿足火電企業(yè)燃煤制樣工業(yè)環(huán)境要求。工業(yè)機(jī)器人重復(fù)定位精度在0.06 mm左右，定位精度和路徑運(yùn)行精度都非常高，其性能完全可以滿足火電企業(yè)燃煤制樣動(dòng)作性能要求。

表1 工業(yè)機(jī)器人性能特點(diǎn)

表2 火電企業(yè)燃煤制樣工業(yè)環(huán)境參數(shù)

注：上述數(shù)據(jù)和技術(shù)參數(shù)參見參考文獻(xiàn)1以及ABB公司官網(wǎng)(www.abb.com.cn)

要重點(diǎn)考慮機(jī)器人臂長(zhǎng)和載重是否滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。本案例選用的ABB品牌工業(yè)機(jī)器人臂長(zhǎng)2.05 m，有效載荷60 kg，能夠滿足制樣系統(tǒng)使用要求[3]。

2.4 主要技術(shù)實(shí)現(xiàn)

2.4.1 樣品盤選擇計(jì)算

為滿足單次樣品制樣的需求，單次處理量最大20 kg，煤炭堆積密度通常為0.6～1.0 t/m3，20 kg所需容器體積大于35 L,考慮相應(yīng)余量最終確定樣品桶尺寸(長(zhǎng)×寬×高)為300×300×450 mm。

2.4.2 夾具選擇計(jì)算

工業(yè)機(jī)器人的夾具又稱為末端執(zhí)行器，它是機(jī)器人直接用于抓取和握緊(吸附)工件進(jìn)行操作的部件。它具有模仿人手動(dòng)作的功能，并安裝于機(jī)器人手臂的前端。由于被握工件的形狀、尺寸、重量、材質(zhì)及表面狀態(tài)等不同，因此工業(yè)機(jī)器人末端操作器是多種多樣的，大致可分為夾鉗式取料手、吸附式取料手、專用操作器及轉(zhuǎn)換器和仿生多指靈巧手等。

本文設(shè)計(jì)對(duì)象為搬運(yùn)機(jī)器人，用來(lái)搬運(yùn)樣品桶，并不需要復(fù)雜的多指人工指，只需要設(shè)計(jì)抓取樣品桶的鉗形指。

本次機(jī)器人手部最大搬運(yùn)重量為60 kg，采用氣動(dòng)方式提供動(dòng)力，壓力0.6 MPa，根據(jù)工作位置和工件尺寸的需要，最終采用結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 夾具結(jié)構(gòu)

夾具夾爪采用鑄鋼鑄造或者鋁型材加工制作，其摩擦系數(shù)μ=0.2，重力加速度取g=9.8 m/s2。夾緊力FN=mg/2μ=(25 kg×9.8 m/s2)/(2×0.2)=612.5 N。

若需要提供612.5 N的夾緊力，應(yīng)對(duì)氣缸的缸徑進(jìn)行計(jì)算選擇，根據(jù)公式

F=nPS；S=π(D/2)2，

式中：F為所需要的輸出力，N；P為系統(tǒng)壓力，0.6 MPa；S為活塞面積，m2；n為安全系數(shù)，水平使用取值0.7，垂直使用取值0.5；D為氣缸直徑，m。

計(jì)算得出D=0.051 m，即51 mm，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)對(duì)照選擇60 mm缸徑標(biāo)準(zhǔn)氣缸。

2.4.3 機(jī)器人部分程序

MODULE MainModule

PROC main() //主程序

initall; //初始化部分參數(shù)和動(dòng)作

While TRUE DO

IF DI6_Empty=1 THEN

……

Set DO12_reset_empty;

WaitTime 1;

Reset DO12_reset_empty;

ENDIF

IF DI16_full=1 THEN

……

Set DO13_Resetfull;

WaitTime 1;

Reset DO13_Resetfull;

ENDIF

IF DI26_Grind=1 THEN

grind;

ENDIF

WaitTime 0.3;

ENDWHILE

ENDPROC

PROC initall()

……

WaitTime 2;

Reset DO16_Toolopen2;

WaitTime 1;

Set DO17_Toolclose;

……

ENDPROC

PROC empty_s()

……

……

ENDPROC

PROC full_s()

……

……

ENDPROC

PROC poss_set()

……

WaitTime 2;

MoveL Offs(p11,0,0,50), v50, z10, mytool;

MoveL Offs(p11,-400,400,50), v200, z50, mytool;

MoveJ home, v500, z50, mytool;

ENDPROC

PROC empty_z1()

……

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC full_z1()

……

MoveJ phome_sfq1, v300, z20, mytool;

MoveJ home, v300, fine, mytool;

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC full_z2()

……

GripLoad load0;

MoveL Offs(psfq2,0,500,0), v100, fine, mytool;

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC empty_z2()

……

GripLoad load0;

MoveL Offs(pfpq2,0,550,0), v100, z15, mytool;

MoveJ hometp, v400, fine, mytool;

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC empty_z3()

……

Movel home, v300, fine, mytool;

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

Reset DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC empty_z4()

……

Reset DO7_Open_HX1;

Movel home, v500, fine, mytool;

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC full_z3()

……

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC full_z4()

……

Movel home, v300, fine, mytool;

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

PROC grind() //研磨控制

……

MoveJ pclear2_grind, v100, fine, mytool;

MoveJ Offs(pbowl,0,-600,15), v150, fine, mytool WObj:=wobj0;

Movel Offs(pbowl,0,-30,15), v50, fine, mytool WObj:=wobj0;

Movel Offs(pbowl,0,3,8), v20, fine, mytool WObj:=wobj0;

MoveL pbowl, v50, fine, mytool;

reSet DO17_Toolclose;

WaitTime 1;

Set DO16_Toolopen2;

WaitDI DI30_jjkx, 1;

Reset DO16_Toolopen2;

GripLoad load0;

Movel Offs(pbowl,0,0,50), v80, fine, mytool WObj:=wobj0;

Movel Offs(pbowl,0,-600,50), V200, fine, mytool WObj:=wobj0;

MoveJ pgrind_home, v300, z30, mytool;

MoveJ home, v500, fine, mytool;

Set DO14_Resetgrind;

WaitTime 1;

reSet DO14_Resetgrind;

Set DO17_Toolclose;

WaitDI DI29_jjgx, 1;

reSet DO17_Toolclose;

ENDPROC

ENDMODULE

2.4.4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)和通信

本系統(tǒng)的控制系統(tǒng)由工業(yè)計(jì)算機(jī)，可編程控制器(PLC)等組成，制樣中計(jì)算機(jī)需要與電子天平實(shí)時(shí)通信，以獲得準(zhǔn)確的樣品重量。本系統(tǒng)選用了METTLER TOLEDO電子天平，在分析電子天平RS-232通信接口的條件下，圖5給出了電子天平和計(jì)算機(jī)RS-232串行通信線纜連接方法，利用可視化編程語(yǔ)言VB6.0或者Visual Studio設(shè)計(jì)了電子天平和計(jì)算機(jī)通信接口程序，實(shí)現(xiàn)了電子天平與計(jì)算機(jī)之間的雙向數(shù)據(jù)傳輸，把稱量信息輸入計(jì)算機(jī)、進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和遠(yuǎn)程顯示。

在編寫基于串口的計(jì)算機(jī)通信軟件時(shí),通常需要由計(jì)算機(jī)向電子天平(下位機(jī))發(fā)送命令和有關(guān)數(shù)據(jù),以控制電子天平的操作,具體的操作指令應(yīng)根據(jù)不同型號(hào)電子天平的相關(guān)指令。本例通過利用VB6.0里面的MSComm串口控件向電子天平發(fā)送數(shù)據(jù)131B500D0A11,電子天平執(zhí)行去皮命令，輸出電子天平的測(cè)量結(jié)果。機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)已經(jīng)反復(fù)實(shí)際運(yùn)行測(cè)試，完全達(dá)到了預(yù)期效果。

圖5 電子天平和計(jì)算機(jī)串口的數(shù)據(jù)連線

3 結(jié)束語(yǔ)

由于傳統(tǒng)自動(dòng)制樣系統(tǒng)的工藝存在著自身無(wú)法解決的一些缺陷，以及機(jī)器人性能不斷提高、功能不斷擴(kuò)展、單機(jī)價(jià)格不斷下降，人工成本的不斷上漲，使得越來(lái)越多的用戶在選擇煤炭制樣系統(tǒng)時(shí)，越來(lái)越傾向于機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)這種技術(shù)先進(jìn)的制樣方式。機(jī)器人燃煤制樣系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考了慮實(shí)用性、先進(jìn)性、安全性、符合標(biāo)準(zhǔn)工藝要求、快速高效等各個(gè)方面，已經(jīng)可以廣泛應(yīng)用于火力發(fā)電企業(yè)智能燃料系統(tǒng)中。