煤炭制樣嵌入式洗瓶系統(tǒng)關鍵技術研究及應用

朱 青，何習達，李冬軍，楊 勇

(湖南三德科技股份有限公司，湖南 長沙 410205)

0 引 言

電廠降低發(fā)電成本的關鍵舉措之一在于控制燃料成本，因而開展燃料智能化建設可挖掘煤電企業(yè)用煤管理潛力及逐步實現(xiàn)廠內(nèi)燃料精益化管理[1]，進而控制電廠燃料成本。目前燃料智能化建設已在國內(nèi)火力發(fā)電企業(yè)實施[2-4]，其中煤炭的采樣、制樣、化驗以及各環(huán)節(jié)的對接均已實現(xiàn)自動化，從而為電力企業(yè)節(jié)約大量人力成本并有效改善工作環(huán)境及規(guī)避廉潔風險。

煤炭樣品在自動制樣[5-8]與自動存樣[9]、自動化驗[10-13]之間的傳輸一般需要借助煤樣瓶為載體，通過氣力輸送系統(tǒng)對瓶裝的煤樣進行輸送[14]。將煤樣瓶設計為可重復使用，但已使用的煤樣瓶在進行重復使用前需對其進行仔細清洗，以防止殘留煤樣污染下個批次的煤樣。

煤樣瓶的清洗方式主要先后經(jīng)歷人工洗瓶、半自動洗瓶機、嵌入式洗瓶系統(tǒng)3個階段,詳述如下:

(1)人工洗瓶階段。在燃料智能化建設早期，用于存樣的煤樣瓶通常采用人工清洗的方式。煤樣瓶清洗人員需每天到化驗室、存樣間收集已使用的煤樣瓶，送至清洗間后采用人工方式將煤樣瓶打開，先倒棄廢樣，再采用清水沖洗、毛刷刮掃瓶體，確認清洗干凈后再將其倒立并自然晾干，而瓶蓋則采用高壓氣體噴吹內(nèi)蓋的方式清理。自動制樣系統(tǒng)一般設置有補充瓶體的給瓶機和補充瓶蓋的給蓋機。由于給瓶機和給蓋機能夠存儲的數(shù)量有限，洗瓶人員需定期從洗瓶室將清洗完畢的瓶體、瓶蓋轉運至自動制樣室，并按要求在系統(tǒng)中放入一定數(shù)量的瓶體、瓶蓋用以補充。人工清洗煤樣瓶需要工作人員重復執(zhí)行接收煤樣瓶、開蓋、倒棄樣、瓶體清洗、瓶蓋清洗、晾干、轉運回自動制樣系統(tǒng)端、補充瓶體和瓶蓋等工作，工序復雜，各工序參與時間點不統(tǒng)一，耗時耗力。

(2)半自動洗瓶機階段。隨著燃料智能化建設的深入展開，人們逐漸發(fā)現(xiàn)人工洗瓶費時費力，于是后續(xù)成功開發(fā)半自動洗瓶機。在半自動洗瓶機替代原有人工洗瓶的清洗過程中，主要有效實現(xiàn)自動清洗瓶體以及將瓶體烘干，但煤樣瓶的收集、倒料、瓶蓋清洗、送瓶主要由人工完成。雖洗瓶工作已實現(xiàn)自動化，但自動制樣系統(tǒng)的瓶體、瓶蓋補充仍需人工定期操作，十分消耗人力。瓶蓋、瓶體分離并對其進行人工轉運，轉運過程不可控，存在一定的實操風險。

(3)嵌入式洗瓶系統(tǒng)階段。鑒于半自動洗瓶機存在的問題，因而提出實現(xiàn)煤樣瓶自動回收、清洗、再利用的洗瓶系統(tǒng)就很有必要，進入嵌入式洗瓶系統(tǒng)階段已成必然趨勢。雖半自動洗瓶機已實現(xiàn)洗瓶的自動化，但并未與存查、氣力輸送、自動制樣等自動連接。嵌入式洗瓶系統(tǒng)通過氣力輸送與自動化驗系統(tǒng)、自動存樣系統(tǒng)相連，從而實現(xiàn)煤樣瓶收集的自動化，并在洗瓶接收端實現(xiàn)對煤樣瓶的自動開蓋倒料。在清洗環(huán)節(jié)新增瓶蓋自動清洗功能，實現(xiàn)瓶體、瓶蓋全覆蓋自動清洗。煤樣瓶清洗烘干后，分離的瓶蓋與瓶體自動合蓋，并在氣力輸送發(fā)送端進行緩存。緩存的煤樣瓶可以根據(jù)氣力輸送的運力、自動制樣系統(tǒng)端瓶體瓶蓋空缺數(shù)量情況等，選擇合理的時間通過氣力輸送回傳至自動制樣系統(tǒng)的給瓶機、給蓋機。煤樣瓶到達后通過開蓋裝置將煤樣瓶蓋與瓶體分離，再通過機械手轉運瓶體、瓶蓋，完成自動補充瓶蓋和瓶體，實現(xiàn)煤樣瓶的自動循環(huán)使用。

以下將從嵌入式洗瓶系統(tǒng)的組成與工作流程、關鍵技術及功能特點等方面進行闡述，并從智能調(diào)度技術、煤樣瓶自動倒料沖洗技術、超聲波清洗技術等對嵌入式洗瓶系統(tǒng)優(yōu)勢功能進行探討，為探究煤樣瓶自動化清洗與回收提供新的思路，以期為自動采制化領域?qū)崿F(xiàn)煤樣瓶自動循環(huán)使用提供參考。

1 嵌入式洗瓶系統(tǒng)組成與工作流程

嵌入式洗瓶系統(tǒng)由氣力對接單元、清洗單元、烘干單元、棄料單元、樣瓶存儲單元、控制單元等部分組成，具備與氣力輸送系統(tǒng)、自動存樣系統(tǒng)、自動制樣系統(tǒng)、燃料智能管控系統(tǒng)對接功能。嵌入式洗瓶系統(tǒng)示意及系統(tǒng)工作流程如圖1、2所示。

圖1 嵌入式洗瓶系統(tǒng)示意

圖2 嵌入式洗瓶系統(tǒng)工作流程

嵌入式洗瓶系統(tǒng)以洗瓶單元為中心，通過氣力輸送管道將自動制樣、自動存查樣柜系統(tǒng)、自動化驗(或人工化驗)連通，實現(xiàn)自動存查樣柜系統(tǒng)到期煤樣瓶以及化驗完成后煤樣瓶自動傳輸至洗瓶單元內(nèi)。

洗瓶單元接收氣力傳輸?shù)拇逑疵簶悠?，對煤樣瓶進行緩存、開蓋、倒料后，將煤樣瓶轉移至清洗模塊內(nèi)，先后對瓶身進行高壓噴淋、超聲波清洗[15-16]、海綿擦洗、熱水沖淋、烘干等工序以實現(xiàn)瓶身的清洗。另外，清洗單元還對分離的瓶蓋進行高負壓吸附清理，清理后的瓶蓋與清洗干燥后的瓶體旋緊合并，最后送入洗瓶機氣動傳輸發(fā)送模塊內(nèi)緩存。

嵌入式洗瓶系統(tǒng)待氣力輸送系統(tǒng)空閑時，將緩存的煤樣瓶通過氣力輸送系統(tǒng)發(fā)送至自動制樣系統(tǒng)環(huán)節(jié)。煤樣瓶到達自動制樣系統(tǒng)端后，開蓋裝置會再次將瓶體和瓶蓋分離，并相應分別送入給瓶機、給蓋機，以供自動制樣系統(tǒng)裝樣使用。

嵌入式洗瓶系統(tǒng)有效實現(xiàn)煤樣瓶在各個環(huán)節(jié)的自動化處理以及各個環(huán)節(jié)之間的自動傳輸，達到煤樣瓶循環(huán)使用的效果，從而推動燃料智能化建設中的自動化進程。嵌入式洗瓶系統(tǒng)主要技術參數(shù)如下：洗瓶的外形尺寸為2 800 mm×1 340 mm×2 010 mm，洗瓶效率不小于每小時20瓶，給水流量要求為2 L/min，煤樣瓶緩存數(shù)量20個，電源要求380 V，地基負載要求200 kg/m2。

2 嵌入式洗瓶系統(tǒng)關鍵技術及功能特點

嵌入式洗瓶系統(tǒng)是在半自動洗瓶機的基礎上進行升級，并與氣力輸送系統(tǒng)、自動制樣系統(tǒng)、自動存樣系統(tǒng)、燃料智能管控系統(tǒng)等形成有機結合，實現(xiàn)煤樣瓶在收集、清洗、回收利用多階段的自動化，從而完成煤樣瓶的循環(huán)使用。在此功能要求下，嵌入式洗瓶系統(tǒng)的關鍵技術主要包括在復雜環(huán)境下的智能調(diào)度技術、煤樣瓶自動倒料沖洗技術、超聲波清洗技術、制樣端煤樣瓶回收技術，從而保證煤樣瓶的清洗效果以及在制樣端有序接收煤樣瓶。以下重點介紹嵌入式洗瓶系統(tǒng)的關鍵技術及功能特點。

2.1 智能調(diào)度技術

現(xiàn)有自動制樣系統(tǒng)、氣力輸送系統(tǒng)、自動存查樣柜系統(tǒng)、自動化驗系統(tǒng)均有自己的獨立控制系統(tǒng)。在自動采制化過程中，上述系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn)各系統(tǒng)配合，能夠順利完成煤樣制備、傳輸、存儲和化驗?，F(xiàn)將嵌入式洗瓶系統(tǒng)插入原自動采制化過程，各系統(tǒng)間的協(xié)同配合是實現(xiàn)煤樣瓶從收集到清洗再到回收的循環(huán)使用的關鍵。

嵌入式洗瓶系統(tǒng)具有與其他系統(tǒng)對接、收集各系統(tǒng)的運行狀態(tài)信息的功能，可協(xié)調(diào)各系統(tǒng)的棄瓶、傳輸、洗瓶以及接收煤樣瓶等操作，使得各系統(tǒng)間進行有效的配合，從而實現(xiàn)煤樣瓶的循環(huán)使用。

自動存查樣柜系統(tǒng)根據(jù)設定的存樣時間到期后進行棄瓶，結合氣力輸送是否空閑、洗瓶單元是否有空余的煤樣瓶接收工位，建立三者之間的關聯(lián)，保證煤樣瓶能棄就能傳、能傳就能收。煤樣瓶清洗完成后同樣需要通過氣力輸送與自動制樣系統(tǒng)進行對接。此時調(diào)度系統(tǒng)需收集自動制樣系統(tǒng)給瓶機、給蓋機空余空位的相關信息，以便能夠有充足空間接收空瓶。

除上述信息之外，調(diào)度系統(tǒng)還需收集氣力輸送的工作狀態(tài)以及洗瓶機緩存煤樣瓶的準備狀態(tài)，協(xié)調(diào)上述多處信息從而順利將煤樣瓶傳輸至自動制樣系統(tǒng)，有效實現(xiàn)煤樣瓶的循環(huán)使用。

2.2 煤樣瓶自動倒料沖洗技術

煤樣瓶自動清洗前需對煤樣瓶內(nèi)的棄料進行清理。目前市場上有1種簡單的倒料裝置，可以接收人工開瓶后的瓶體倒樣，從一定程度上避免粉塵對人的健康影響，但其還不時需要人工接收煤樣瓶及對煤樣瓶進行開蓋處理，倒料后還需對瓶體內(nèi)部進行簡單清理。該種方式還有很多過程需要人工操作，無法實現(xiàn)接收、倒料清理的自動化，不符合燃煤行業(yè)智能化發(fā)展的要求。

嵌入式洗瓶系統(tǒng)采用1種煤樣瓶自動倒料沖洗技術，其主要由煤樣瓶接收裝置、倒料清洗裝置2個部分組成。煤樣瓶接收裝置與氣力輸送系統(tǒng)自動對接，可對傳輸而至的煤樣瓶進行自動接收和緩存，在緩存期間還可以對煤樣瓶進行自動開蓋，為后續(xù)自動倒料做準備。倒料清洗裝置通過煤樣瓶夾緊翻轉機構對開蓋后的煤樣瓶進行倒料，并對倒立狀態(tài)的煤樣瓶內(nèi)部進行水沖洗，防止倒不干凈的煤樣對后級精洗階段的影響。

嵌入式洗瓶系統(tǒng)倒料清洗裝置的具體結構示意如圖3所示。

圖3 倒料清洗裝置示意

煤樣瓶自動倒料沖洗技術可實現(xiàn)自動接收煤樣瓶、自動開蓋、自動倒料、自動沖洗等系列操作，從而完成對煤樣瓶的清洗預處理。整個預處理過程無需人工干預，大幅降低工人的勞動強度，同時也滿足自動化清洗設備對煤樣瓶進行自動預清理的需求。

2.3 超聲波清洗技術

目前煤樣瓶的清洗還處在半自動狀態(tài)，需人工操作將煤樣瓶裝進清洗框子或直接放入超聲波池進行超聲清洗，洗完后人工放置至清水工位進行二次沖洗。該種方式自動化程度低，需要人員一直在旁守候，且清洗效果有限，不能滿足自動化清洗要求。

嵌入式洗瓶系統(tǒng)采用1種煤樣瓶超聲波清洗技術，該技術有針對性地設計進水機構和排水機構，能實現(xiàn)自動進水與排水，還設有煤樣瓶旋轉架機構和煤樣瓶進出機構，從而能實現(xiàn)煤樣瓶自動進出超聲波清潔水池、自動完成煤樣瓶清洗，整個過程無需人工干預，大幅降低勞動強度，且該設備能與煤樣瓶全自動清洗系統(tǒng)相匹配，滿足自動化清洗設備的需求。

除此之外，系統(tǒng)還設有清潔刷機構，超聲波清洗完成后即在旋轉驅(qū)動件作用下帶動內(nèi)桶旋轉，將煤樣瓶旋轉至清潔刷機構內(nèi)，煤樣瓶壓緊組件即緊壓煤樣瓶，然后旋轉升降組件帶動清掃刷進出煤樣瓶內(nèi)部。第一旋轉驅(qū)動組件驅(qū)動清掃刷在煤樣瓶內(nèi)部旋轉以清潔煤樣瓶，煤樣瓶內(nèi)部清潔完成后則在旋轉驅(qū)動件作用下將煤樣瓶旋轉至煤樣瓶進出機構的工位，然后再通過煤樣瓶提升組件將煤樣瓶從超聲波清潔水池中提取。超聲波清洗結構示意如圖4所示。

圖4 超聲波清洗結構示意

采用超聲波清洗技術該種方式不僅有效實現(xiàn)煤樣瓶的超聲波水洗，同時對于殘留在煤樣瓶壁上的樣品進一步通過清潔刷進行自動清洗，大幅提升煤樣瓶的清洗效果。

2.4 制樣端煤樣瓶回收技術

自動制樣系統(tǒng)是清洗后煤樣瓶最終的使用終端。目前由于自動制樣系統(tǒng)的給瓶機和給蓋機容量有限，在實際自動制樣過程中需要定期人工增加洗凈后的瓶體和瓶蓋，無法真正地做到無人值守，同時該工作執(zhí)行頻率低，嚴重浪費勞動力。

嵌入式洗瓶系統(tǒng)采用了1種制樣端煤樣瓶回收技術，其主要由氣動接收裝置、開蓋裝置和瓶蓋轉移裝置組成。煤樣瓶經(jīng)過清洗烘干后會在洗瓶端進行緩存，收到智能調(diào)度系統(tǒng)指令后，緩存煤樣瓶會通過氣力輸送傳輸至自動制樣系統(tǒng)空瓶接收端。在接收端，開蓋裝置會對煤樣瓶進行開蓋處理，將瓶體與瓶蓋分離。瓶體自由落入給瓶機，而瓶蓋則由轉運裝置轉運至給蓋機。通過上述各裝置協(xié)調(diào)處理，實現(xiàn)了空瓶的自動回收處理。

制樣端煤樣瓶回收技術是實現(xiàn)嵌入式洗瓶系統(tǒng)的終端自動化環(huán)節(jié)，使得煤樣瓶得到自動循環(huán)使用，從而使無人值守及減低工作人員的勞動強度并規(guī)避相應的廉潔風險得以落實。

4 結 論

(1)嵌入式洗瓶系統(tǒng)采用自動清洗以及自動傳輸技術，可實現(xiàn)煤樣瓶在自動采制化領域的自動化循環(huán)使用。

(2)煤樣瓶自動化清洗可避免因清洗人員清洗不凈導致的煤樣瓶使用交叉混樣，從樣品容器源頭上解決污染的可能，進一步保證自動制樣的精密度。煤樣瓶自動化傳輸可有效規(guī)避煤樣瓶清洗后、二次使用前的人為因素干擾。

(3)嵌入式洗瓶系統(tǒng)中自動清洗、自動傳輸?shù)汝P鍵技術的應用為煤樣瓶自動回收、自動清洗、機器人制樣系統(tǒng)自動補瓶成為可能，從而提高自動采制化的工作效率與自動化程度。