智能氣動存取樣系統(tǒng)在火電企業(yè)燃料智能化建設的應用

□ 劉永忠

(廈門積碩科技有限公司，福建 廈門 361000)

1 引言

煤炭占火電企業(yè)經營成本70%以上，煤炭驗收是火電企業(yè)燃料管理的重要環(huán)節(jié)，而采制化技術是燃料質量驗收的核心?；痣娖髽I(yè)各管理及業(yè)務部門投入很大的精力進行采制化過程控制，如企業(yè)成立以分管廠長為組長的燃料領導小組、成立各種形式的監(jiān)督小組、關鍵場所安裝監(jiān)控設施、采制化人員定期輪換等，采取管理和技術手段以加強煤炭驗收工作，但仍存在較多問題。控制煤炭驗收的廉政風險需企業(yè)領導時刻關注，同時采制化技術落后和相關從業(yè)人員素質低也嚴重制約了專業(yè)進步和發(fā)展。

為了實現燃料管理的智能化，就需要借助物聯網技術，通過各種自動化設備和信息傳感技術，對燃煤的自動采樣、原煤樣轉運、自動制樣、樣品傳輸和樣品存查等工序進行實時采集任何需要監(jiān)控、連接、互動的煤樣或過程等各種需要的信息，實現燃煤樣品的自動識別、管理和控制，達到燃煤智能化管理的需求。

2 燃煤智能化管理中的應用

隨著物聯網自身的發(fā)展，物聯網在燃煤智能化管理中應用的方面也在不斷擴展，主要應用如下。

2.1 燃煤自動計量方面

火電企業(yè)入廠入爐燃料的計量方式有汽車衡、軌道衡、膠帶秤、水尺。衡器與識別系統(tǒng)建立通信連接，通過無線RFID物聯網技術自動識別車輛、礦點信息，將礦點信息與稱量數據自動匹配，實施自動計量。

2.2 燃煤自動采樣方面

通過物聯網技術，實現自動識別燃煤信息、自動采樣、隨機布點、自動確定采樣方案和分配存樣罐、實現樣品封裝等功能，確保采樣的代表性。

2.3 燃煤化驗樣品自動制樣方面

制樣過程是煤樣物理特性和樣品水分發(fā)生改變的過程，因此,主要包括混合、破碎、縮分和干燥四個過程。采用物聯網技術，通過采用制樣機器人實現自動稱重、自動除鐵、輸送、破碎、縮分、自動清洗、烘干、制粉、研磨、清掃、樣品自動封裝、棄樣暫存及回收處理功能，整個制樣過程由上位機和可編程控制器(PLC)統(tǒng)一控制，系統(tǒng)最終可實現全自動無人值守，全封閉，無人干預。

2.4 燃煤智能氣動存取樣系統(tǒng)

智能氣動存取樣系統(tǒng)分為智能存樣柜子系統(tǒng)和氣動傳輸子系統(tǒng)兩大部分，統(tǒng)一在煤樣存儲系統(tǒng)管理軟件(中央管理機)調度下協(xié)調工作，實現用戶自動存樣、自動取樣、自動棄樣等多種功能需求，并統(tǒng)一由燃料智能化管控系統(tǒng)聯網管理。

2.5 燃煤樣品化驗智能管理

通過物聯網技術實現化驗儀器的化驗數據自動采集、自動傳輸。通過信息化實現化驗數據的記錄、審批和數據分析。

3 智能氣動存取樣系統(tǒng)在燃煤智能化管理中的實際應用

在燃煤智能化管理中，通過智能氣動存取樣系統(tǒng)實現樣品智能連接和樣品的閉環(huán)管理。積碩智能氣動存取樣系統(tǒng)分為智能存樣柜子系統(tǒng)和氣動傳輸子系統(tǒng)兩大部分，統(tǒng)一在煤樣存儲系統(tǒng)管理軟件(中央管理機)調度下協(xié)調工作，實現用戶自動存樣、自動取樣、自動棄樣等多種功能需求，并統(tǒng)一由燃料智能化管控系統(tǒng)聯網管理。氣動傳輸系統(tǒng)由中央管理機、全自動工作站、風機動力單元、轉換器、旁通管及傳輸管道組成，智能存樣柜系統(tǒng)由可靈活擴展的智能存樣柜組成。整個系統(tǒng)通過傳輸管道將相距數百米的存樣間、自動制樣間、人工制樣間、棄樣間和化驗室各設備聯接在一起，通過風機動力的吸氣和吹氣，使管道內形成正負空氣壓力差，在中央管理系統(tǒng)的控制下，實現煤樣瓶在各點的往返運動，從而實現煤樣在多點的全自動存樣、取樣和棄樣。

智能化存取樣系統(tǒng)與傳統(tǒng)煤樣存取模式的對比如圖1所示，由此圖可以明顯的看出智能化煤樣存儲及傳輸模式比傳統(tǒng)煤樣存取模式大大減輕了人員的勞動強度，降低了人為因素的干擾，保證了煤樣的安全性和代表性。

圖1 智能化存取樣模式與傳統(tǒng)煤樣存取模式的對比

圖2 系統(tǒng)工作流程圖

3.1 氣動傳輸子系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要是滿足電廠煤樣傳輸的自動化、信息化、智能化需求，可實現煤樣的多點互傳功能，自帶RFID芯片的專用煤樣瓶，滿足客戶6mm全水分樣、3mm存查樣、0.2mm化驗樣的氣動傳輸需求(見圖2)。

氣動傳輸子系統(tǒng)主要由風機動力單元、中央控制機、旁通管、管道換向器、收發(fā)工作站、泄氣閥、路徑探測器、傳輸管道等部分組成。如圖3為氣動傳輸子系統(tǒng)方案圖。

圖3 氣動傳輸管道方案圖

①風機動力單元。氣動傳輸系統(tǒng)的動力來源。通過系統(tǒng)主控柜控制渦輪風機的啟動和停止，內置風向換向器，實現傳輸管道內風向的切換(吸氣和吹氣)使管道內形成正負空氣壓力差，實現傳輸瓶的氣動傳輸(見圖4)。

圖4 風機動力單元

②中央控制機。本子系統(tǒng)的核心設備，是系統(tǒng)管理軟件安裝載體，內置工業(yè)級計算機，控制整個裝置業(yè)務功能運行。向下與各單元模塊相連，實現傳輸功能，向上與燃料智能化管控系統(tǒng)進行網絡連接，實現與服務器數據同步(見圖5)。

③管道換向器。換向器像鐵路道岔一樣，受中央控制系統(tǒng)控制，自動為傳輸選擇正確的路徑。轉換器有著很好的穩(wěn)定性和密封性，避免管道系統(tǒng)的氣壓泄漏(見圖6)。

圖6 管道換向器

④全自動單向發(fā)送工作站。用于與全自動制樣機傳送帶對接，自動接收全自動制樣機密封標識好的煤樣瓶，經氣動傳輸管道傳送到存查樣柜內存儲，或直接傳送到指定自動接收站(見圖7)。

圖7 全自動單向發(fā)送工作站

⑤人工收發(fā)工作站。放在人工制樣室，可以與存查樣柜實現煤樣瓶互傳。人工制完樣后可自動傳瓶至存查樣柜，存查樣柜也可傳瓶至人工收發(fā)工作站。

⑥化驗室取樣工作站。布置在化驗室處，專門用于批量接收待化驗的煤樣瓶裝置。自動接收來自發(fā)送工作站發(fā)來的煤樣瓶，工作人員需通過刷卡或密碼開啟柜門后，方可取出煤樣瓶(見圖8)。

圖8 化驗室取樣工作站

⑦全自動棄樣工作站。用于接收存查樣柜到期煤樣的裝置。

⑧傳輸管道。傳輸管徑與煤樣瓶直徑、驅動動力與煤樣瓶重量(含最大煤樣量)相匹配，傳輸管道的材質一般室內采用PVC管，室外采用不銹鋼管。嚴寒地區(qū)應增加保溫措施。

3.2 工作原理

氣動傳輸系統(tǒng)的工作原理是結合吹氣和吸氣的形式來對樣瓶進行輸送，通過風向切換器改變使輸送系統(tǒng)在吹送和吸送這兩個模式下進行切換，同時利用管道換向器實時更換輸送線路，將樣瓶沿著指定的傳輸管道傳輸到指定的收發(fā)站中。如圖9所示。

圖9 氣動管道傳輸工作原理

以工作站A發(fā)送到工作站B為例說明：

①將風機中的風向切換器置換成吸氣口，將換向器1中的S管與1#管線連通，采用吸送模式，煤樣瓶在吸力作用下由工作站A一直吸送到旁通管處直至停止。

②再將風向切換置換成吹氣口，并將換向器1中的S管與2#管線連通，此時為吹送模式，煤樣瓶在吹力作用下由旁通管處傳輸至工作站B，當煤樣瓶傳輸至工作站B時，泄氣閥自動開啟將氣流泄出，此時輸送樣瓶開始減速并緩慢停下來。

此即完成了一個傳輸任務，此時將吹吸切換器的置換成到空檔位置，用于停止或等待執(zhí)行下一個傳輸任務。當需要停止所有的傳輸任務時，關閉風機電源即可。

3.3 智能存樣柜子系統(tǒng)

智能存樣柜子系統(tǒng)通過機械手對樣瓶的夾持，經過水平移動、垂直升降、旋轉、伸縮等一系列組合動作，來實現樣瓶在存查樣柜中行、列任意位置點的存放與棄除，配置有位置、距離、智能讀碼等感應信號與掃描設備，能實現煤樣編碼信息化、自動化管理、取樣人員權限管理、實時記錄煤樣存取過程、自動提醒清理到期煤樣等功能，從而實現無人值守自動存取存查樣及全過程的管控。積碩科技獲得《一種樣品存儲查取方法及裝置》國家發(fā)明專利。

智能存取樣系統(tǒng)，包括存取樣柜，其連接氣動通道端口，該端口伸入到該存取樣柜內；在存取樣柜內至少一側設有若干層樣品架，樣品架上設有若干個豎向放置樣品瓶并成矩陣排列的樣品倉位，每一樣品倉位開有缺口；存取樣柜內設有機械手，該機械手前端設有可以托動樣品瓶并與上述缺口相配合的托盤，該機械手能沿柜體縱向X軸、橫向Y軸和豎向Z軸分別進行前后、左右和上下運動以存取樣品架上的樣品瓶，機械手還可以將樣品瓶放置于V軸托盤上，V軸托盤沿V軸運動以對接氣動通道端口，使樣品瓶在氣動通道和V軸托盤之間轉移配合。機械手需具有讀取煤樣瓶信息的功能。設備外觀(如圖10)。

圖10 智能存樣柜子系統(tǒng)外觀圖

智能化存查樣柜子系統(tǒng)由組合柜、機械手部件等部件組成。系統(tǒng)的組合柜分成幾個不同的模塊分柜，可根據客戶的實際需求存放數量，可進行自由的組合。用戶可根據自身的存查樣間及所需數量進行組合配置。

存取樣柜機械手前端設有可以托動樣品瓶，該機械手能沿柜體縱向X軸、橫向Y軸和豎向Z軸進行分別前后、左右和上下運動以存取樣品架上的樣品瓶，機械手還可以將樣品瓶放置于V軸托盤上，V軸托盤沿V軸運動以對接氣動通道端口，使樣品瓶在氣動通道和V軸托盤之間轉移配合。存取樣柜內的兩側都設有樣品架，機械手設置于該樣品架之間，該機械手可以沿W軸旋轉以使機械手上的托盤能存取兩側樣品架上的樣品瓶，W軸為旋轉座上的中心軸，該機械手可以沿旋轉座上的中心軸W軸進行旋轉。機械手通過旋轉可以存取兩側樣品架上的樣品瓶，這樣存取樣柜可以存取更多的樣品瓶，充分利用存取樣柜的空間。

4 智能氣動存取樣系統(tǒng)在燃煤智能化管理中的未來展望

智能氣動存取樣系統(tǒng)在燃料智能化管理系統(tǒng)中進行充分利用，積碩科技研發(fā)的智能存取樣機系統(tǒng)已經在市場上經過多家公司使用運行，智能化管理系統(tǒng)未來的發(fā)展前景是非常樂觀的。燃料智能化管理系統(tǒng)是當今燃料管理領域的一場重大變革，這是一場從傳統(tǒng)手工變?yōu)槿套詣踊拇筠D變。隨著物聯網技術和更多新技術的不斷進步和研發(fā)，未來還需要進一步優(yōu)化當前的管理系統(tǒng)，讓系統(tǒng)的整體結構和布局不斷完善。如燃煤存取樣氣動傳輸系統(tǒng)技術的研究與應用，怎樣實現煤樣瓶的密集存儲和原煤樣氣動轉運系統(tǒng)的技術突破，提高設備運行的可靠性。另外，仍需加快相關標準的研制，推進燃料智能化管理系統(tǒng)的應用。

積碩智能化煤樣存儲及氣動傳輸系統(tǒng)具有人樣分離，盲存盲??；多點遠距存取，化驗樣直傳；存查樣柜容積率高、配置靈活、擴展度高；室外管線全程不銹管，使用壽命長；設備間對接柔性靈活，占用地面面積小；支持人工存取樣、離線存儲數據自動同步更新；支持化驗直傳、化驗回存特色功能；系統(tǒng)維護方便、節(jié)能環(huán)保；支持脫網獨立運行、聯網信息化管理；高度安全、性能可靠、運行噪聲低；技術優(yōu)勢高、可實現超遠距離傳輸等特點，解決燃煤智能化管理中的困擾，讓火力發(fā)電廠提升燃料管理、監(jiān)督信息化水平、降低電廠發(fā)電成本。