机器人燃煤制样系统的设计与应用
2018-09-17魏加栋崔修强
魏加栋，崔修强
(1.江苏伊维达智能科技股份有限公司 技术研发中心，江苏 徐州 221116； 2.华电国际电力股份有限公司 技术服务中心， 济南 250014)
图1 智能燃料采制化流程
0 引言
工业机器人是近40年发展起来的一种高科技自动化机械设备的典型代表，由于工业机器人具有极强的功能和很高的通用性，工业机器人已经在诸多行业得到广泛应用。其中，机器人燃煤制样系统已经在我国冶金、港口、电力等行业有诸多应用案例，机器人燃煤制样系统具有水分样制备、水分含量检测、分析样制备、样品称重、样品包装等功能，能够适应火力发电行业燃料智能化趋势。
1 系统概述
煤炭是火力发电厂的主要生产原料,如何准确检测入厂煤炭质量,对于火电企业贸易结算和掺烧掺配具有重要的现实意义。商品煤样的采制是煤炭质量检测的重要环节,是检测误差的主要来源,不正确的采制样方式必会导致检测结果的代表性较差。
自动化制样系统设计时，其制样过程既要严格按照相关制样工艺标准又要考虑系统的自动长期稳定运行，因此在自动化制样系统中应用运行精度高、通用性强、性能稳定、功能强大且具有较高科技含量的通用6轴工业机器人是自动化制样系统设计重要选项。火电厂燃煤自动化样品处理流程如图1所示。
目前入厂煤和入炉煤采样已经大部分实现了机械化采样，采样后，样品经过初级破碎缩分，即可通过自动转运装置进入机器人燃煤制样系统。
机器人燃煤制样系统主要完成水分样制备、水分含量测试、分析样预干燥、破碎、定量缩分、留取3 mm存查样700 g、研磨前干燥、研磨到0.2 mm、自动写码包装等功能。
机器人自动分析系统主要完成煤样的工业分析，测量发热量、灰分、硫分、挥发分，计算全碳含量，结合前级机器人制样部分已经完成的水分含量测试，给出煤样工业分析结果[1]。
样品的自动存查系统主要管理存查煤样，对于部分有争议的煤样可以进行人工化验分析，或者人工定期抽检存查样，然后跟机器人煤样分析结果进行比对。
这个系统中，机械化采样系统单元、机器人制样系统单元、机器人化验分析系统单元、样品存查系统单元，均可以制作成标准功能单元，但根据现场情况，所在地理位置略有不同，这些功能单元之间可以采用灵活样品转运方式。
2 设计与实现
2.1 机器人制样系统功能要求
样品制备与处理功能。机器人制样系统主要完成水分样制备、水分含量测定、分析样自动快速低温干燥、破碎、缩分、留取存查样、研磨、写码包装等功能。
系统自动进行清扫清理作业。制样完成后，需要对相关容器、设备进行自动清扫作业。
系统除尘功能。考虑系统运行过程中可能产生粉尘，系统需要设计自动除尘功能，满足环保制样要求，同时避免样品污染。
系统安全性设计。机器人制样系统需要满足人机安全要求，符合相关安全标准，一般采取系统隔离、入侵报警停机等措施，以保证人员安全。
2.2 机器人制样系统布局
机器人制样系统设备包括：工业机器人、样品称重装置、样品破碎机、样品定量缩分机、定比缩分机、煤样干燥装置、水分测定装置、研磨机、样品写码包装装置、系统清洗装置、系统除尘装置等，设备较多，可以根据现场具体情况，以工业机器人为核心，周边设备可以围绕工业机器人呈直线型、L型、U型、圆周型布局。目前圆周布置较为常见，如图2、图3所示。
图2 机器人制样系统模型
图3 机器人制样现场应用
2.3 工业机器人设备选型
工业机器人是该系统核心设备，选型主要考虑性能、品牌、价格等因素，国内外工业机器人本体产品厂商已经很多，技术水平已经比较接近[2]。性能指标是首选因素，其中ABB IRB4600技术指标及环境参数见表1、表2。
从ABB IRB4600工业机器人的技术参数表中可以看到，工业机器人防护等级IP67，运行温湿度等要求完全可以满足火电企业燃煤制样工业环境要求。工业机器人重复定位精度在0.06 mm左右，定位精度和路径运行精度都非常高，其性能完全可以满足火电企业燃煤制样动作性能要求。
表1 工业机器人性能特点
表2 火电企业燃煤制样工业环境参数
注：上述数据和技术参数参见参考文献1以及ABB公司官网(www.abb.com.cn)
要重点考虑机器人臂长和载重是否满足系统设计要求。本案例选用的ABB品牌工业机器人臂长2.05 m，有效载荷60 kg，能够满足制样系统使用要求[3]。
2.4 主要技术实现
2.4.1 样品盘选择计算
为满足单次样品制样的需求，单次处理量最大20 kg，煤炭堆积密度通常为0.6～1.0 t/m3，20 kg所需容器体积大于35 L,考虑相应余量最终确定样品桶尺寸(长×宽×高)为300×300×450 mm。
2.4.2 夹具选择计算
工业机器人的夹具又称为末端执行器，它是机器人直接用于抓取和握紧(吸附)工件进行操作的部件。它具有模仿人手动作的功能，并安装于机器人手臂的前端。由于被握工件的形状、尺寸、重量、材质及表面状态等不同，因此工业机器人末端操作器是多种多样的，大致可分为夹钳式取料手、吸附式取料手、专用操作器及转换器和仿生多指灵巧手等。
本文设计对象为搬运机器人，用来搬运样品桶，并不需要复杂的多指人工指，只需要设计抓取样品桶的钳形指。
本次机器人手部最大搬运重量为60 kg，采用气动方式提供动力，压力0.6 MPa，根据工作位置和工件尺寸的需要，最终采用结构如图4所示。
图4 夹具结构
夹具夹爪采用铸钢铸造或者铝型材加工制作，其摩擦系数μ=0.2，重力加速度取g=9.8 m/s2。夹紧力FN=mg/2μ=(25 kg×9.8 m/s2)/(2×0.2)=612.5 N。
若需要提供612.5 N的夹紧力，应对气缸的缸径进行计算选择，根据公式
F=nPS；S=π(D/2)2，
式中：F为所需要的输出力，N；P为系统压力，0.6 MPa；S为活塞面积，m2；n为安全系数，水平使用取值0.7，垂直使用取值0.5；D为气缸直径，m。
计算得出D=0.051 m，即51 mm，根据标准型号对照选择60 mm缸径标准气缸。
2.4.3 机器人部分程序
MODULE MainModule
PROC main() //主程序
initall; //初始化部分参数和动作
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 控制系统设计和通信
本系统的控制系统由工业计算机，可编程控制器(PLC)等组成，制样中计算机需要与电子天平实时通信，以获得准确的样品重量。本系统选用了METTLER TOLEDO电子天平，在分析电子天平RS-232通信接口的条件下，图5给出了电子天平和计算机RS-232串行通信线缆连接方法，利用可视化编程语言VB6.0或者Visual Studio设计了电子天平和计算机通信接口程序，实现了电子天平与计算机之间的双向数据传输，把称量信息输入计算机、进行数据处理和远程显示。
在编写基于串口的计算机通信软件时,通常需要由计算机向电子天平(下位机)发送命令和有关数据,以控制电子天平的操作,具体的操作指令应根据不同型号电子天平的相关指令。本例通过利用VB6.0里面的MSComm串口控件向电子天平发送数据131B500D0A11,电子天平执行去皮命令，输出电子天平的测量结果。机器人燃煤制样系统已经反复实际运行测试，完全达到了预期效果。
图5 电子天平和计算机串口的数据连线
3 结束语
由于传统自动制样系统的工艺存在着自身无法解决的一些缺陷，以及机器人性能不断提高、功能不断扩展、单机价格不断下降，人工成本的不断上涨，使得越来越多的用户在选择煤炭制样系统时，越来越倾向于机器人燃煤制样系统这种技术先进的制样方式。机器人燃煤制样系统设计综合考了虑实用性、先进性、安全性、符合标准工艺要求、快速高效等各个方面，已经可以广泛应用于火力发电企业智能燃料系统中。
