煤炭机器人制样技术的研究与实践应用

罗陨飞，周 媛，姜 英

(1.力鸿智信(北京)科技有限公司，北京 100102;2.中国质量检验协会煤炭专业委员会，北京 100125)

0 前 言

煤炭为我国的主要能源，对其提出合理、精细化的使用要求可有效控制劣质煤的使用、减少煤炭排放带来的大气污染、维护空气的纯净和人类的健康。煤炭的质量检验结果可帮助筛选出不同煤种的特征，使得煤炭的利用更为高效。煤炭的质量检验过程包括采样、制样和检测3个环节[1]，每个环节的准确率均直接影响到整体煤炭质量结果，其中采样和制样环节的误差分布占整体煤质检验误差分布的96%[2-7]，所以有效管理采制样环节为控制煤炭质量的关键所在。近十年来，煤炭采样环节逐渐已由原来的人工采样转变为机械化自动采样，且已被行业内广泛认可，并在煤炭行业内快速普及，而制样环节也经历了自动化的变革。全自动制样技术已开始逐渐替代人工操作与各制样环节工艺衔接的制样方式，更由于电力行业自2012年起推行的燃料管理智能化、采制过程全自动作业，促使着全自动煤炭制样系统高效、迅速发展。

1 煤炭自动制样技术的发展历程

1.1 煤炭联合自动制样设备

自1999年始，煤炭联合自动制样机相继被推出，该类型设备采用简单的自动控制模式，可将破碎、筛分和缩分组合成为整体，但也存在着设备体型庞大、出料粒度大(0 mm～13 mm)、缩分比例固定、不可调节、无防尘设施且在煤样水分较大时经常不能正常开机工作等问题。

1.2 多功能联合制样机

2002年后，具有自动截取全水分样功能的多功能联合制样机组被陆续研制发明。该种联合制样机组结构紧凑，占地面积较小，可实现对煤样破碎、缩分后制取化验所需的煤样样品，还能够自动截取全水分煤样样品，工作效率更高，人员工作强度降低。此类制样机组还试图解决含水较高的煤样物料发生的黏连、堵塞等现象。

2004年到2008年期间，一系列多功能联合制样机组被陆续推向市场，其各项制样功能更加完善，制样效率、制样品质逐步提高，所研制产品逐步向环保型升级。此段时间推出的制样机组，基本均包含简单的自动清洗排弃装置，全部密闭于密闭机体内。该种制样系统大幅降低了制样过程空气中的粉尘密度。

1.3 电脑控制联动制样系统

2009年前后，煤检行业内陆续研发推出适用于各种矿石、煤炭制样的电脑控制联动制样系统，基本实现了电脑控制实现作业制样，对制样机堵煤、零部件损害等简单功能实现监督报警，较好地解决了因原煤样水分大而产生的制样堵料问题，从而提高制样机实时制样的效率。

1.4 煤炭全自动制样系统

煤检、煤炭业界于2012年首次提出通过联动制样系统实现煤炭检测样品制备工作“无人值守”的理念。2013年前后，各研发单位开始研发无人值守煤样自动制样系统，此段时间研发的自动制样系统基本包括控制单元、上料单元、破碎缩分单元、干燥单元、粉碎单元等。全自动煤炭制样系统建立在传统人工检验检测模式基础上，为了解决人工制样条件恶劣、劳动强度大、自动化程度低等问题进而发展。其将传统的、独立的各个环节运用自动化的方式集成，实现成为1个可独立、自动完成全部制样工作的系统，可实现全水分煤样制备、存查煤样、一般分析煤样制备及喷码封装一体化等过程和结果。自动制样系统对于保障煤炭样品制备的规范性和样品的代表性、安全性的功能逐步提高，可杜绝人为干扰、降低劳动强度及改善工作环境[1,2]。对于全自动煤炭制样系统的实际应用来说，除了关注其实际制备的效率外，煤炭的水分适应性、系统防止煤样的交叉污染能力以及在设备在制样过程中无明显生热等均为关注的重点。

目前已有的煤炭全自动制样系统均可实现样品的自动输送、称重、破碎、缩分和干燥等功能，但由于在空气干燥、往复式切割缩分、样品破碎、研磨等方面技术的局限性，无法兼顾在高制样效率下达到国标对于制样方法流程和制样结果的要求[8-18]。

为从根本上消除人为因素所导致的煤炭质量纠纷，提升整体制样精度和制样效率，满足用户个性化的需求，自2017年前后国内开始自主研发、设计、生产机器人煤炭制样系统。以LEON-SIASUN IPS 3600机器人智能制样系统为例，其可将先进的机器人技术、信息化技术和智能控制技术应用于煤炭制样领域，弥补了目前普遍使用的人工制样法的诸多不足，提升了传统煤炭制样工作的技术水平，实现正常连续制样过程中无人操作、自动化程度高等要求，过程和结果完全符合国家标准要求。该系统布局紧凑，可根据用户场地需求对各模块设备进行相应调整，各模块并联设计，可同时多步骤同步进行，有效提升煤炭质量检验业务的效率和准确性，有助于煤炭贸易及使用中的质量管理控制。目前，该系统已经在河北沧州黄骅港煤炭第三方实验室进行应用示范。其示意图如图1所示。

图1 正在应用中的LEON-SIASUN IPS 3600机器人智能制样系统

2 机器人智能制样系统

2.1 系统组成及关键技术

LEON-SIASUN IPS 3600煤炭机器人智能制样系统主要由制样前置处理单元、大样处理单元自动对接系统、人工加料系统、入料系统、出料系统、机器人制样单元和控制系统等系统单元组成，其中机器人制样单元还包括破碎单元、研磨单元、缩分单元、烘干单元、恒温恒湿单元以及智能灌装单元。制样单元的整体布局为圆形，实现了各功能模块并联运行、互不干扰，可实现多批次样品同时制样，极大提高了系统制样效率，但相对独立的各单元模块可根据实际需要实现布局的多样化，且各单元模块检修过程更方便，对客户的个性化需求方面适应性更强。

2.1.1机器人系统

机器人智能制样与线性生产线全自动制样系统相比，由于采用机器人实现上下料、搬运，能够有效防止煤样交叉污染，实现多批次连续制样，提高生产效率。同时机器人定位精度高，能够适应恶劣的工作环境，稳定可靠，系统开放，适用多种应用开发。系统中选用六轴垂直多关节机器人，机器人最大负载50 kg，满足制样最大负载使用要求及后续机器人智能制样系统升级的要求，机器人最大工作半径2 150 mm，各单体设备环形分布，满足各单体设备入料、出料要求。重复定位精度±0.25 mm，实现较高的定位精度，满足制样所需精度要求。

2.1.2定质量缩分技术

该系统所使用的定质量缩分器由伺服驱动装置、缩分器本体、控制传感器等组成。缩分器供料由皮带机均匀给料。下料过程中缩分器在来料方向上做往复切割运动，流经接料口的煤样为所需煤样，其他煤通过弃料溜道进入弃料系统。通过控制接料口在煤流下方的停留时间与弃料口在煤流下方的停留时间比来控制缩分比。该缩分器区别于以往的传统缩分器，解决了现有市场上切割槽定质量缩分器驱动机构复杂，体积庞大，上游供料均匀性控制不好，缩分比不精确等难题，缩分次数满足GB/T 19494.2—2004要求。整体结构紧凑、缩分精度准确、装置稳定可靠，根据称重系统重量信息自动实现煤流断面全部切割，得到系统工艺设定的定质量煤样，可在机器人智能制样系统中广泛应用。

2.1.3无筛板立式锤式破碎技术

该系统所使用的立式破碎机是由进料口、破碎腔、出料口，同时具有清扫装置和喷吹装置，防止煤样在破碎过程中出现的煤样残留，有效地解决了煤炭混样的问题;破碎腔内锤片布置的巧妙性，完善了煤炭一次性破碎粒度达到过筛率99%的要求;同时，无筛板设计解决了不同水分的煤样在破碎机内的堵塞问题，真正达到粒度达标、不堵塞、不离析。该立式无筛板破碎机真正意义上解决了样品的堵塞问题，满足日常制样的需要，使制备的6 mm煤样过筛率可达95%以上，3 mm煤样过筛率可达99%以上，且煤样的粒度组成合理。

2.1.4动态控制振动研磨技术

系统采用的研磨机利用了动态控制振动研磨技术，该0.2 mm研磨机结构紧凑、体积小、重量轻、能耗低、粉磨粒度集中、流程简化、操作简单、维修方便，煤样收集率达到99%以上，制备的0.2 mm一般分析试样过筛率可达99.65%，且研磨过程中煤样不会由于过热而变质。

2.1.5空气干燥平衡技术

通过远程信息传递技术将恒温恒湿箱和化验室的温湿度计进行信息互联，使系统根据化验室的温湿度情况自动调整恒温恒湿箱的设置参数，箱内的分析试样始终处于空气平衡状态。

2.1.6智能烘干技术

该系统采用了智能烘干技术，根据不同煤样和水分的特征，优化调整烘干箱参数，使样品的烘干温度和时间满足国标要求，样品不会由于温度过高而变质，同时由于机器人并联运行技术，烘干的时间长短并不会对制样效果造成不良影响。

2.1.7信息化传递技术

系统通过其先进的信息化传递技术，与实验室各系统完美对接，实现了样品信息的全流程监控记录，同时采用自主研发的电子扫码喷码技术，实现了煤样自动封装和信息传输，解决了样品封闭及标识的唯一性、可追溯性和安全性的关键技术。

2.2 工艺流程

煤炭机器人智能制样系统工作流程如图2所示。

2.3 制样方案及运行模式

在传统的制样模式中，制样工人会根据经验判断煤样的水分，然后确定一次性进入破碎机的样品量，防止煤样在破碎过程中发生堵塞的情况，从而保证煤样破碎粒度达标、缩分出具有代表性的样品。

图2 机器人智能制样系统工作流程图

机器人智能制样系统通过大量不同煤种的实验确定了不同煤种的破碎时间、烘干时间以及恒温恒湿时间，形成了多种有效的煤样制样方案，保证不同煤种在整个制样过程中不发生煤样的变质情况，也达到煤样水分损失最小化，真正实现煤样制备的智能化。

该系统可根据实际需要进行运行模式的选择:自动、手动及实验模式。若设备在正常制样条件下可选择自动模式，实现样品制备全过程自动，不需要手动干预，人工可定期对制样系统进行巡视或在中控室对制样情况进行了解，仅在制样系统发生故障报警的情况下才需人工进行处理。手动模式常使用在设备发生故障、对设备进行检修时，该模式下设备不会按照原始设定的程序进行工作，需人为的操作电控触屏进行相应的操作，人工处理完检修、消除报警后，可重新进行自动操作，完成接下来的程序或可根据需求重新开始新一轮的制样工作。实验模式是在设备自动运行一年或根据公司需求进行设备的定期维护时使用，该程序可实现制样各环节单独启动，实现对每个环节的单独调试。

2.4 技术优势

2.4.1自学习及自优化

机器人智能制样系统采用了智能控制技术，使得系统可根据不同煤种/水分的特性，执行最佳的制样流程方案。通过对常用煤种进行长期制样后，大量数据的积累分析将使系统的制样流程方案更为完善，对于技术细节的处理更加全面，对于性质较为特殊的不常见煤种，随着制样次数增多，系统也将总结编制出一套使用的流程方案，并不断优化。随制样次数的积累，系统的运行就会越来越智能、准确、高效、稳定。该智能制样系统各项指标、过程及结果均符合GB/T 474、GB/T 19494.2等国家标准、DL/T 1339等电力行业标准和国际相关标准要求。

2.4.2独立并联及扫码溯源

系统将原有的制样各环节分成独立的各个模块，连续制样时可实现各模块并联运行，互不干扰。独立模块的设计可根据实际场地需求，实现设备摆放的灵活性、占地面积最小化。相对独立的各单元模块检修过程更方便，对客户的个性化需求方面适应性更强。系统以机器人作为作业载体，可对各环节的运行顺序及主次进行程序设定，实现机器人进行不同模块的作业;精准而快速的机器人作业可实现多批次样品同时制备，提高制样效率与可靠性。

样品打包环节采用了自主研发的电子扫码喷码技术，实现了煤样自动封装和信息传输，解决了样品封闭及标识的唯一性、可追溯性和安全性的关键技术。先进化的信息化传递技术，可实现机器人制样系统与实验室各系统和存查样立库的完美对接，实现了样品信息的全流程监控记录。进入煤炭化验系统可扫码进行盲样检测，存查样可直接扫码进入立库。该二维码均随机生成，可保证在制样系统中不存在有相同编号的样品存在。

2.4.3节约成本及环境友好

通过机器人制样替代传统的人工制样和自动制样系统，以其先进的机器人技术、信息化技术和智能控制技术，使员工由从事劳动强度大、劳动环境恶劣的重复性制样工作转变为对系统运行状态监控、系统定期维护升级等技术性工作，可有效地避免人为因素在制样工作中造成的干预影响，确保结果的真实准确性，也有效地节约了人力成本。同时，该系统提出并采用了全面的自动清扫系统。对于样品运输过程中接触到的皮带、料筒，均采用毛刷、喷吹、振动等清扫技术，避免了样品的交叉污染。整体除尘系统和降噪系统可使粉尘和噪声均满足国标要求，制样室的粉尘浓度(PM10)<10 mg/m3、系统噪音符合GB12348的要求≤80 dB(A)。

2.4.4煤样代表性及安全性

制样过程中所有的样品称重信息以及每个环节的应用状况均通过控制器控制，以达到煤炭样品在制备过程中水分损失最小，真正保障了煤样制备的代表性。

机器人智能制样系统的操作人员需经过专门的培训，对所有流程及设备具有一定的了解才能独立进行操作，操作设备的触摸屏及设备参数修改界面具有相应的密码设置，具有操作资格的人方可修改设备既定的参数以防止设备参数被随意修改，并避免导致破坏制样流程或损坏设备。

2.5 主要性能指标

3 结 语

机器人智能制样系统将目前先进的机器人和智能控制技术应用于煤炭检验检测领域，可极大提高制样工作效率、维护工人作业健康、满足国标GB/T474和GB/T 19494.2中精密度和偏倚要求、降低人为误差的影响，是1种既可作为作业工具又能成为管理工具的智能化制样设备，同时也是1项具有创造力和市场竞争力的产品和系统工程。该系统的应用实践推动了煤炭及煤检行业的自动化和智能化进程，将传统的煤炭检验与工业化和智能信息化深度融合发展，由劳动密集型向技术密集型产业转型升级，通过智能机器人替代人工操作，提高了煤炭检验的准确率和效率以及煤炭检测机构的运营效率，提升了我国煤炭相关领域的科技实力。在煤炭检测，特别是商品煤质量检测的采样、制样、化验系统建设和整个过程管控工作中，智能化及标准化的机器人系统将成为未来大势所趋的发展方向，具有广阔的发展空间。