煤炭机器人制样技术的研究与实践应用

　　摘要:对煤炭自动制样技术的发展历程进行回顾和总结，并从系统布局、工艺流程及实际应用等方面对机器人智能制样系统进行全面介绍。典型智能机器系统在感知、思维、效应方面全面模拟人并具有自动识别、判断和规划功能，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/T19494.2中精密度和偏倚要求、降低人为误差的影响，其既可作为作业工具又能成为管理工具的智能化制样设备。

　　关键词:煤炭检测;采制样;智能机器人;自动制样系统;精密度;偏倚要求

　　煤炭论文投稿刊物：煤炭科技为国内外公开出版发行的科技期刊，季刊，国际标准刊号ISSN1008-3731，国内统一刊号CN32-1491/TD，邮发代号28-175，现由徐州矿务集团有限公司和江苏省煤炭学会、中国矿业大学共同主办。期刊内容以煤炭行业先进实用技术为主，包括理论探索和科学研究。

　　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(0mm~13mm)、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-SIASUNIPS3600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。

　　2机器人智能制样系统

　　2.1系统组成及关键技术

　　LEON-SIASUNIPS3600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50kg，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2150mm，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±0.25mm，实现较高的定位精度，满足制样所需精度要求。

　　2.2主要性能指标

　　煤炭机器人智能制样系统的各项指标、过程及结果均符合GB/T474、GB/T19494.2等国家标准、DL/T1339等电力行业标准和国际相关标准要求。该系统可实现≤13mm样品的入料，入料质量范围为20kg~120kg，单套机器人智能制样系统连续制样效率不低于36个/d，可按照自动设定的程序完成样品的输送、破碎、缩分、烘干和研磨等制样过程，可自动进行称重、装瓶、写码和封装。制样流程可实现2份6mm全水分煤样(≥1.25kg)、1份6mm存查煤样(≥3.75kg)、2份3mm存查煤样(≥850g)、2份0.2mm分析煤样(≥80g)的样品制备。整机性能试验结果表明:全水分偏差不超过0.4%;灰分偏倚不超过0.2%;干基高位发热量偏倚不超过50J/g，收到基低位发热量偏倚不超过120J/g;整机制样精密度核验方差满足V0PT=0.05PL2要求;6mm破碎机过筛率≥95%，3mm破碎机过筛粒度≥99%，0.2mm研磨机过筛粒度≥99%;系统的整体损失率不超过5%。

　　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/T19494.2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。