基于工業(yè)機(jī)器人與微量給料稱重技術(shù)的煤質(zhì)分析系統(tǒng)

石建光，武 源，尤海港，王 飛，陳麗影

(1.國能包頭能源有限責(zé)任公司煤炭洗選分公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017000；2.中煤科工集團(tuán)北京華宇工程有限公司，北京 100120)

智能化正驅(qū)動傳統(tǒng)礦業(yè)向安全、高效、經(jīng)濟(jì)、綠色方向轉(zhuǎn)型升級，煤炭清潔加工利用的智能化是智慧礦山建設(shè)的重要組成部分，而煤質(zhì)指標(biāo)(水分、灰分、揮發(fā)分等)在線精準(zhǔn)檢測是煤炭清潔加工智能化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-6]。目前，常見的煤質(zhì)檢測工作主要在實(shí)驗(yàn)室條件下依靠人工化驗(yàn)進(jìn)行，存在勞動強(qiáng)度高、化驗(yàn)效率低以及可能存在人為因素影響化驗(yàn)結(jié)果而帶來經(jīng)濟(jì)損失等現(xiàn)象[7-10]。因此，迫切需要一種高效、精確的煤質(zhì)分析方法滿足選煤廠“減人增效、無人則安”的需求。

煤質(zhì)工業(yè)分析主要包括：檢測煤中水分、灰分、揮發(fā)分、固定碳的含量百分比和彈筒熱值、高位熱值以及低位熱值的測定。依據(jù)煤的工業(yè)分析結(jié)果，可初步判斷煤的性質(zhì)、種類及工業(yè)用途。國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 212—2008明確規(guī)定了煤的工業(yè)分析方法。但隨著煤科學(xué)的不斷進(jìn)步，更為先進(jìn)的工業(yè)分析技術(shù)層出不窮。陳文燕[11]闡述了熱重分析法在工業(yè)分析中應(yīng)用的原理，此方法的精密度和重復(fù)性能均能達(dá)到國標(biāo)要求，較國標(biāo)法相比，此法快速、準(zhǔn)確、節(jié)省測定時間，減少人為操作誤差。蘇桂秋[12]等人使用熱重分析儀對煤樣進(jìn)行工業(yè)分析，測定值與采用國標(biāo)法的測試值一致，其誤差小于1.0%，該誤差在實(shí)驗(yàn)規(guī)定的允許范圍內(nèi)，且重現(xiàn)性良好。隨著生產(chǎn)的實(shí)際需要，對工業(yè)分析自動化的程度要求越來越高。本文以國家標(biāo)準(zhǔn)《煤的工業(yè)分析方法》(GB/T 212—2008) 和《煤的工業(yè)分析法儀器法》(GB/T 30732—2014)為依據(jù)，基于工業(yè)機(jī)器人與微量給料稱重技術(shù)的煤質(zhì)分析系統(tǒng)，以工業(yè)機(jī)器人為執(zhí)行機(jī)構(gòu)，內(nèi)置水灰測試儀、揮發(fā)分測試儀等工業(yè)分析儀器，完成水分、灰分、揮發(fā)分等指標(biāo)測定；外接智能馬弗爐、坩堝緩存箱等工業(yè)分析過程必要設(shè)備。最終，將實(shí)驗(yàn)值與傳統(tǒng)國標(biāo)方法測定值進(jìn)行比對，結(jié)果表明該方法的測定結(jié)果與國標(biāo)法之間無顯著差異，結(jié)果穩(wěn)定可靠[13-20]。

1 整機(jī)方案

整體系統(tǒng)如圖1(a)所示，主要由以下幾部分組成：工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)、水灰測試儀、揮發(fā)分測試儀、微量給料稱重系統(tǒng)、樣瓶拆裝蓋模塊、智能馬弗爐、坩堝緩存箱、煤樣瓶緩存箱、坩堝自清洗模塊和電氣控制系統(tǒng)等。

分析原理如圖1(b)所示，當(dāng)電氣控制系統(tǒng)接收到工作指令后，由樣瓶拆裝蓋模塊控制實(shí)現(xiàn)電子標(biāo)簽掃碼及拆裝蓋操作，并由氣動傳輸接收帶有電子編碼的煤樣瓶到工業(yè)分析工作站的指定位置，由工業(yè)機(jī)器人抓取樣瓶到微量給料稱重系統(tǒng)稱取1g煤樣到坩堝中，再將坩堝(內(nèi)有稱量好的煤樣)送入揮發(fā)分測試儀或水灰測試儀高溫灼燒進(jìn)行揮發(fā)分、水分和灰分測定。并將數(shù)據(jù)傳輸至管理系統(tǒng)，系統(tǒng)根據(jù)測試的數(shù)據(jù)自動進(jìn)行結(jié)果計(jì)算。使用過的坩堝送到坩堝自清洗模塊進(jìn)行自清洗，并由工業(yè)吸塵器對殘余粉料進(jìn)行處理，完成清洗后備用，整個化驗(yàn)過程無人工參與。整體分析測試系統(tǒng)技術(shù)要求見表1。

圖1 基于工業(yè)機(jī)器人技術(shù)與微量給料稱重技術(shù)的煤質(zhì)分析系統(tǒng)及原理

表1 分析測試系統(tǒng)技術(shù)要求

2 系統(tǒng)組成

2.1 工業(yè)機(jī)器人

煤的智能工業(yè)分析以工業(yè)機(jī)器人為核心，在電氣控制系統(tǒng)的控制下，采用多關(guān)節(jié)機(jī)械手和多自由度的機(jī)械裝置替代人工在化驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行作業(yè)，并形成了一套獨(dú)立的、系統(tǒng)性的智能化產(chǎn)品。

工業(yè)機(jī)器人的負(fù)載能力按照煤樣瓶+煤樣的總質(zhì)量進(jìn)行選型。其中煤樣瓶的外形尺寸為?150mm×200mm，質(zhì)量為0.5kg，瓶內(nèi)煤樣質(zhì)量約為150g。根據(jù)煤樣瓶設(shè)計(jì)的專用仿形手爪質(zhì)量為3kg，總負(fù)載為3.65kg。工作站的長度為3.1m，根據(jù)總體布局情況，要求機(jī)器人的工作半徑為1.36m。綜合考慮機(jī)器人具體使用情況、負(fù)載及工作半徑，選擇了ABB公司生產(chǎn)的IRB1600型六軸機(jī)器人，其性能參數(shù)見表2。

表2 具體設(shè)備參數(shù)

2.2 水灰測試儀與揮發(fā)分測試儀

水灰測試儀，由溫控系統(tǒng)、稱量模塊與氣路模塊三部分組成，測試樣品放置在爐膛中，根據(jù)溫控系統(tǒng)和氣路模塊為樣品提供設(shè)定溫度和測試所需要的氣體，由稱量模塊實(shí)時稱量樣品的質(zhì)量變化，自動判斷恒重條件和計(jì)算結(jié)果。具體參數(shù)見表3。

表3 水灰測試儀參數(shù)

揮發(fā)分測試儀，采用環(huán)狀的鎳鉻合金加熱絲確保樣品得到均勻加熱，其特點(diǎn)是升溫和降溫快，溫度均勻。具體參數(shù)見表4。

表4 揮發(fā)分測試儀參數(shù)

2.3 微量給料稱重系統(tǒng)

國標(biāo)規(guī)定煤樣稱重精確度：水分和灰分(1±0.1g)，揮發(fā)分(1±0.01g)。本文在整體系統(tǒng)功能中引入了微量給料稱重系統(tǒng)。該子系統(tǒng)作為整體系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的先決條件，采用獨(dú)特的微量加樣頭設(shè)計(jì)思路，結(jié)合非標(biāo)自動化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)，完成高精度煤樣稱量工作。

微量給料稱重系統(tǒng)如圖2所示，主要包括兩軸機(jī)械手、煤樣瓶加持機(jī)構(gòu)、煤樣微量加載機(jī)構(gòu)、稱重機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)以及密閉的殼體等。其中，煤樣微量加載機(jī)構(gòu)作為微量稱重給料系統(tǒng)的核心部分，通過對加樣頭下端擋板開合度以及加樣速度的精準(zhǔn)調(diào)整，確保待添加煤樣水分、灰分和揮發(fā)分滿足實(shí)際需求，加樣精度滿足國際規(guī)定，并完成煤樣添加；兩軸機(jī)械手通過垂直運(yùn)動軸和水平運(yùn)動軸的聯(lián)動，實(shí)現(xiàn)煤樣夾取與加樣頭內(nèi)殘余煤樣清洗功能；煤樣瓶加持機(jī)構(gòu)對煤樣瓶進(jìn)行夾緊定位，確保加樣過程穩(wěn)定；分析天平作為煤樣的稱量機(jī)構(gòu)，精準(zhǔn)度可達(dá)0.0001g，具備實(shí)現(xiàn)高精度稱量功能；清洗機(jī)構(gòu)通過清掃、高壓吹風(fēng)等措施進(jìn)行加樣頭的自清潔，避免加持機(jī)構(gòu)中存在殘余煤樣對其他煤樣造成污染，影響后續(xù)實(shí)驗(yàn)工作；整個系統(tǒng)外部有一個密閉的外殼，外殼上開有自動門，使天平在稱量過程中有效隔絕風(fēng)流等外在因素的干擾，確保稱量結(jié)果精確。

圖2 微量給料稱重系統(tǒng)

整個稱量過程包括：當(dāng)電氣控制系統(tǒng)發(fā)出微量給料伺服控制指令，微量給料系統(tǒng)開始工作。首先，工業(yè)機(jī)器人將煤樣瓶放置于煤樣瓶加持機(jī)構(gòu)并夾緊，坩堝放置于稱重機(jī)構(gòu)，外殼的自動門處于關(guān)閉狀態(tài)；接著，兩軸機(jī)械手先左移確保加樣頭處于煤樣瓶正中心位置，再下移至煤樣瓶內(nèi)部確保能夠夾取分析樣；夾取成功后，兩軸機(jī)械手先上移在右移至稱重機(jī)構(gòu)上方，進(jìn)行微量加樣；最后，機(jī)械手右移至清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)行加樣頭的清洗，整個微量給料過程結(jié)束，兩軸機(jī)械手回歸原點(diǎn)位，并由工業(yè)機(jī)器人將煤樣瓶和坩堝取走。

2.4 樣瓶拆裝蓋模塊

樣瓶拆裝蓋模塊主要包括垂直運(yùn)動軸、樣瓶夾緊模塊、樣瓶拆蓋模塊和檢測模塊等。樣瓶夾緊模塊中定制的仿形夾爪將樣瓶瓶身夾緊，同時樣瓶拆蓋模塊夾緊瓶蓋，電機(jī)旋轉(zhuǎn)將瓶蓋旋開。檢測模塊確保樣瓶瓶蓋擰緊。

2.5 智能馬弗爐

根據(jù)工作站智能化的需要，同外協(xié)廠家合作開發(fā)的一款智能馬弗爐產(chǎn)品。在現(xiàn)有馬弗爐的基礎(chǔ)上進(jìn)行了自動化改造，增加了爐門自動啟閉、馬弗爐的自動讀溫、控溫、恒溫、控時等功能，便于爐門以任意速度、任意距離平行開啟和關(guān)閉；另外，結(jié)合自動控制系統(tǒng)，馬弗爐可以根據(jù)系統(tǒng)命令自動進(jìn)行溫度控制。

2.6 坩堝自清洗模塊

機(jī)器人將完成試驗(yàn)的坩堝送到坩堝自清洗模塊，旋轉(zhuǎn)夾爪將坩堝旋轉(zhuǎn)180°，將坩堝內(nèi)試驗(yàn)殘留物傾倒，并對坩堝內(nèi)部進(jìn)行清掃、高壓氣嘴清除殘留。清掃完成后自動將坩堝送出坩堝自清洗模塊，由工業(yè)吸塵器吸取清洗掉的殘留物并集中處理。

2.7 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要由樣瓶電子標(biāo)簽、掃碼及拆裝蓋伺服控制系統(tǒng)、微量給料稱重伺服控制系統(tǒng)、自動檢驗(yàn)伺服控制系統(tǒng)、自動器皿處理伺服控制系統(tǒng)、自動廢料處理伺服控制系統(tǒng)等電氣控制系統(tǒng)部件組成，各伺服控制系統(tǒng)部件間通過工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場總線等互連，在檢驗(yàn)信息管理系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度安排下，為各個環(huán)節(jié)的機(jī)器實(shí)現(xiàn)自動控制功能。整個系統(tǒng)使用新一代高性能工業(yè)計(jì)算機(jī)作為電控系統(tǒng)的統(tǒng)一調(diào)度管理服務(wù)中心(調(diào)度服務(wù)器)，通過高性能工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)與數(shù)據(jù)服務(wù)器、機(jī)器人、電子天平、化驗(yàn)儀器、微量給料稱重系統(tǒng)，組建高速、穩(wěn)定、可靠的工業(yè)以太網(wǎng)，通過工業(yè)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)化驗(yàn)任務(wù)的自動化通信。

3 檢測結(jié)果分析

選取3個不同量值范圍的國家有證標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，其中GBW11104n和GBW11103n表示不同灰分等級的無煙煤，GBW(E)110072為煙煤。每個樣品進(jìn)行10次重復(fù)測定，計(jì)算樣本標(biāo)準(zhǔn)差，按照《煤的焦炭試驗(yàn)可替代方法確認(rèn)準(zhǔn)則》(GB/T 18510—2001)進(jìn)行智能工業(yè)分析工作站的準(zhǔn)確度檢驗(yàn)，分別測得煤灰分及揮發(fā)分?jǐn)?shù)據(jù)，見表5、表6。標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)灰分揮發(fā)分標(biāo)準(zhǔn)值見表7。

通過對比1和2兩種不同灰分的無煙煤測定結(jié)果，發(fā)現(xiàn)揮發(fā)分測定的不確定度幾乎保持一致，而灰分的不確定度存在較大的波動；對比1和3不同煤種(煙煤和無煙煤)的測定結(jié)果，灰分的標(biāo)準(zhǔn)值與不確定度呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系，而揮發(fā)分的不確定度基本保持不變。表明多次稱量等可能導(dǎo)致煤灰分測量的不確定度發(fā)生變化，且煤灰分越高變化越明顯，而揮發(fā)分的不確定度不受影響。但三種標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的灰分和揮發(fā)分測量不確定度均較小，最高僅為0.32%。

表5 煤中灰分的重復(fù)測定數(shù)據(jù) %

表6 煤中揮發(fā)分的重復(fù)測定數(shù)據(jù) %

表7 標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)灰分揮發(fā)分標(biāo)準(zhǔn)值 %

根據(jù)以上測試結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行對比分析，可以確定系統(tǒng)的煤樣煤質(zhì)指標(biāo)檢測準(zhǔn)確度符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié) 語

基于工業(yè)機(jī)器人與微量給料稱重技術(shù)的煤質(zhì)分析系統(tǒng)通過研究分析和實(shí)際應(yīng)用部署檢測，取得了良好的效果。整體系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)后，基本實(shí)現(xiàn)無人值守、無人參與，既降低了企業(yè)人工成本，又確保了化驗(yàn)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。整體系統(tǒng)綜合運(yùn)用了工業(yè)機(jī)器人、互聯(lián)網(wǎng)通信以及集成控制等技術(shù)手段，在滿足煤質(zhì)檢驗(yàn)國家標(biāo)準(zhǔn)的前提條件下，實(shí)現(xiàn)檢驗(yàn)系統(tǒng)的智能化、自動化。項(xiàng)目的實(shí)施符合智能制造2025的國家戰(zhàn)略，大大提升煤炭化驗(yàn)系統(tǒng)的科技水平和綜合實(shí)力。