智慧质控机器人化验系统设计及在煤质检测中的应用_刘晓川.pdf

第 38 卷第 1 期煤质技术Vol.38No.12023 年 1 月COAL QUALITY TECHNOLOGYJan 2023移动阅读刘晓川，陈梦星 智慧质控机器人化验系统设计及在煤质检测中的应用 J 煤质技术，2023，38(1):6571LIU Xiaochuan，CHEN Mengxing Design of intelligent quality control robot laboratory system and application in coalquality test J Coal Quality Technology，2023，38(1):6571智慧质控机器人化验系统设计及在煤质检测中的应用刘晓川1，陈梦星2(1.长沙开元仪器有限公司，湖南 长沙410123;2.华电莱州发电有限公司，山东 莱州261400)摘要:机器人化验系统可减轻化验员的劳动强度并削弱煤质检测过程中人为因素的影响，但在机器人化验的系统标定、系统日常质控环节仍未彻底无人化，从而导致不可控的人为干预风险，因而需充分运用质控的手段以确保煤质检测结果准确无误。结合机器人化验系统工作流程分析其当前化验的局限性，提出机器人化验完全无人化、智慧质控的设计理念，详细介绍无人值守机器人化验系统的苯甲酸自动添加、锡纸自动添加包裹、质控样暂存、远程报警、远程样品规划等模块，并从质控规划、超差重做功能等方面探究机器人化验系统的智慧质控。结果表明:可通过配置自动添加苯甲酸装置、自动锡纸添加包裹装置并结合远程样品规划和远程报警的手段，使得机器人化验系统脱离化验员而独立运行，能真正意义上实现机器人化验系统的无人值守;在机器人化验完全无人化的基础上融入智慧质控的设计理念，确保机器人化验系统的测试结果真实可信。关键词:机器人化验系统;智慧质控;煤质检测;远程样品规划;超差重做;自动标定;自动漂移中图分类号:TQ531文献标志码:A文章编号:10077677(2023)0106507收稿日期:20221008责任编辑:何毅聪DOI:10.3969/j.issn.10077677.2023.01.009基金项目:国家重点研发计划专项资助项目(2018YFF01014000)作者简介:刘晓川(1983)，男，湖南邵东人，硕士研究生，主要研究方向为仪器仪表。Email:24107981 Design of intelligent quality control robot laboratory system andapplication in coal quality testLIU Xiaochuan1，CHEN Mengxing2(1 Changsha Kaiyuan Instruments Corporation Ltd，Changsha410123，China;2 Huadian Laizhou Power Generation Corporation Ltd，Laizhou261400，China)Abstract:The coal quality robot testing system can reduce the labor intensity of the testers and weaken the impact ofhuman factors in the testing process However，the system calibration and daily quality control of the system in therobot testing are still not completely unmanned，resulting in uncontrollable human intervention risks Therefore，it isnecessary to fully use the quality control means to ensure the accuracy of the coal quality testing results Combinedwith the workflow of the robot testing system，the limitations of its current testing were analyzed，and the design con-cept of unattended and intelligent quality control for robot testing was proposed The automatic addition of benzoicacid，automatic addition of tin foil，temporary storage of quality control samples，remote alarm，remote sampleplanning and other modules of the unattended robot testing system were introduced in detail，and the intelligent quali-ty control of the coal robot was explored from the aspects such as quality control planning，out of tolerance reworkfunction，etc The results show that the robot test system can be operated independently from the tester by configuringan automatic benzoic acid adding device，an automatic tin foil adding and wrapping device，and combining themeans of remote sample planning and remote alarm Therefore，it makes the robot test system run independently from煤质技术2023 年第 38 卷the tester，the unattended operation of the robot test system can be truly realized The design concept of intelligentquality control is integrated on the basis of completely unmanned robot testing，which can ensure that the test resultsof robot testing are authenticKey words:coal quality robot test system;intelligent quality control;coal quality test;remote sample planning;rework out of tolerance;automatic calibration;automatic drift0引言在燃料智能化建设的背景下，燃煤电厂对燃料管控的要求越来越高。燃料管控包括燃料入厂、库存管理、采样、制样、化验、配煤掺烧、在线检测等环节。目前大部分部署了燃料管控系统法的燃煤电厂，已实现燃料入厂、采样、制样、样品传输、样品存储的有效管控。化验管控是燃料管控的最后一公里，能否实现对化验的有效管控，决定着燃料管控系统的前途。传统化验室的仪器设备种类繁多，维持化验室的正常运转需要投入大量的人力、财力。随着国家电力改革步伐的加快及“去产能”战略的推出，燃煤电厂对成本的考核越来越严苛，如何降低燃料管控的成本也是各火电企业的关切点。为减少乃至杜绝化验环节的人为干预及降低化验的人力成本，在现有燃料采制化技术的基础上，通过集成工业机器人、改造升级的燃料化验设备及配套的自动化装置，实现从样瓶到数据的无人干预。无论从燃料有效管控还是从降低人力成本的角度来衡量，通过引入机器人化验等手段对燃料管控系统进行升级，实现燃料全流程管控，均具有重要的意义。皮中原1 通过分析我国煤炭检测标准与技术现状，提出煤炭检测技术的未来发展方向为研究和建立准确快速自动化高的试验方法。史波2 提出通过建立煤炭采制化的三级编码机制，可尽可能减少人员对采制化工作的干扰。刘振中3 介绍了1 种基于工业机器人应用、自动化技术及电子称重技术的自动化煤质分析系统，提出了机器人化验系统的基本组成元素。罗建明4 探讨了机器人化验系统的研究现状、设计思路、分析流程、各模块技术要求及可行性，提出需加快相关标准、规程规范或检测方法的制定以便对机器人化验系统进行量值传递与溯源。罗建明5 还对煤样自动称量装置进行了研究，提出了 1 种可通过电磁振动给料实现煤样自动称量的装置。杨勇6 对机器人化验系统布局的合理分区、自动称量技术、自动点火技术、自动清洗技术进行了重点剖析，认为机器人化验系统的推出有助于实现煤质化验设备的集成化、信息化、无人化。李冬军7 通过对熔断式点火方式和激光点火方式进行对比分析，指出熔断式点火方式和激光点火方式的发热量检测结果无显著性差异，可以相互替代使用。朱琦妮8 将激光点火技术应用于氧弹热量计的深化研究，认为氧弹外置激光源的激光点火方法是燃料发热量测定中金属丝熔断法点火或非熔断法点火的可替代方法。刘博9 通过对既有机器人化验系统的使用，着重阐明了样品传递、信息数据分析、自行计重等多个模块的技术水平，对无人智能化系统的推广性进行深入了解，并对相关准则、章程规范及检验办法的拟定提出相关建议。王和平10 提出通过运用统计分析方法，直观的、科学的进行分析和判定，可以发现测试结果的异常、发现检测中存在的问题，及时分析原因，制定整改措施，改进检测工作中存在的潜在风险，对实验室内部质量控制工作的有效开展起到非常重要的作用。张景香11 提出需要定期使用标准物质对设备进行监控或质量控制，并及时对设备进行标定、校准，必要时还需使用绘制质控图的方式来监控设备的状态。马辉平12 提出碳氢氮元素分析仪在测定样品前首先要采用标煤或标准性物质进行标定，并进行标定曲线校正和漂移校正要求，并指出碳氢氮元素分析仪每 4 h 或在用标样检查仪器发现准确度不合格时执行 1 次漂移校正。王艳丽13 提出碳氢氮元素分析仪的标定是确定仪器或测量系统的输入输出关系的过程，并指出漂移校正效果不理想时应对仪器进行重新标定。徐巧婉14 提出如遇到测定发热量与标定热容量的终点温度相差 5 K 以上应重新标定热容量，且重新标定的热容量值与前 1 次的热容量值相差不应大于 0.25%，否则应检查仪器设备后再重新进行标定。李宝辉15 提出为使化验室设备满足 CNAS 认可，应定期用标准物质对化验室各种测定仪器进行校正或检验，进行精密度和准确度控制。戴体伟16、吴铭17 提出对于有标准物质的测定法，需要使用有效的检测法来进行验证。康红霄18、王和平19 提出煤炭试验可以对一段时间内积累的数据统计分析，可通过质控图的方法来掌握检测结果的精密度和准确度，分析和判断某项检测活动是否处于受控状态。对于仪器设备，66第 1 期刘晓川等:智慧质控机器人化验系统设计及在煤质检测中的应用实验室应制定 1 套完善的仪器设备检定规划、规范标准，并严格遵守落实2023。实验室应定期或者不定期对仪器设备开展核查，确保仪器设备始终处于受控状态。目前学者们提出的一系列关于化验自动化设计理念已陆续得到了工程实现，各设备供应商相继研发出了机器人化验系统。随着各设备供应商的机器人化验系统在各大电力集团的部署，作为燃料管控最后 1 km 的化验环节也基本实现了样瓶收发、样品称量、样品输送、样品化验、坩埚清理、数据汇总及上传等化验环节的自动化操作。机器人化验系统减轻了化验员的劳动强度，削弱了化验过程中人为因素的影响，降低了燃料管控环节的廉政风险，基本做到了化验过程的无人化操作，但还需要化验员称取标定样品(如苯甲酸样品)、准备样品容器(如锡箔容器)，化验员还需要一定程度地参与机器人化验系统的标定操作，故在机器人化验的系统标定、系统校正、系统日常质控环节未做到彻底无人化，从而导致不可控的人为干预风险。针对上述问题，笔者提出机器人化验完全无人化、智慧质控的设计理念，以消除人为因素对化验的影响，同时确保煤质化验结果准确可信。1当前机器人化验的局限性机器人化验系统一般由自动化煤质分析仪器(包括量热仪、工业分析设备、测硫仪、碳氢氮元素分析仪)、样瓶收发机构、样瓶开合机构、自动称量机构、氧弹装配清洗机构、坩埚清洗机构及人工放样单元组成。机器人化验系统接收气送系统自动来样或人工来样，将样品摇匀后，自动取样、称量，称好样品送到自动化煤质分析仪器，完成发热量、水分、灰分、挥发分、全硫、碳、氢、氮指标分析，并实现坩埚清洗、样瓶回传及测试数据汇总。机器人化验系统详细工作流程如图 1 所示，机器人化验系统已经实现了从样瓶到化验数据的化验过程无人干预。多数设备供应商提供的机器人化验系统需要人工添加苯甲酸、人工放置锡纸、人工称取标样和质控样，一般都没有超差重做功能，在系统自动标定、系统自动校正、系统日常质控方面未做到无人化，图 1机器人化验系统工作流程Fig.1Workflow of robot test system76煤质技术2023 年第 38 卷系统准备工作和标定工作均需化验员参与方可完成，易导致人为干预风险。2机器人化验的完全无人化为消除人为因素对机器人化验系统的干预，机器人化验系统须实现完全无人化，而实现机器人化验完全无人化需具备如图 2 所示的软、硬件条件。(1)苯甲酸自动添加模块。为消除人为干预对量热仪热容量标定的影响，系统应自动供应苯甲酸样品。当上次标定热容量的时间超过了 3 个月或测定发热量时的内筒温度和上次热容量标定的内筒温度相差超过 5 K，系统自动触发热容量标定，自动添加苯甲酸至自动称量系统称量，进而自动完成量热仪热容量的标定。图 2完全无人化的机器人化验系统示意Fig.2Schematic block diagram of completely unmanned robot laboratory system(2)锡纸自动添加包裹模块。为消除人为干预对碳氢氮元素标定和测试的影响，一次性装载足量锡纸供系统取用。在碳氢氮样品称量前，自动供应锡纸容器于自动称量模块，碳氢氮样品完成称量后，自动完成样品包裹并暂存供碳氢氮元素分析仪取用。(3)质控样暂存模块。为消除人为干预对系统标定、漂移校正、日常质控的影响，一次性装载足量的标准物质(标煤、苯甲酸、EDTA 纯物质等)供系统取用。系统根据每日的远程质控规划，调取暂存的标准物质进行质控样称量，并按计划供给相应的自动化设备。(4)远程报警模块。要实现机器人化验的完全无人化，需要确保设备连续运行，为确保系统能连续正常运行，需要具有如下自诊断功能:系统自检功能，即在系统正式开始试验前，系统自动进行一些必要的检查，包括传感器状态、整机气密性、氧弹气密性、水电气供应、温湿度情况、炉膛加热情况、运动机构状况、耗材使用情况、零配件剩余预期剩余寿命等，以提升设备运行的可靠性。化验过程中，子设备出现的异常应能及时上报到机器人化验系统总控软件，并及时远程告知化验员。化验过程中，通过比如像量热仪内外桶温度、峰形、出峰时间等来判断测试结果是否可能存在异常，并能检测物料状态的异常情况。机器人化验系统报警信息通过远程传输到管控室，化验员可根据报警信息远程处理大部分报警，如果远程处理不了，才需要设备管理员到机器人化验系统进行人为干预。(5)远程样品规划模块。为消除人为干预对样品测试的干预，化验员远程批量选取样瓶及相应的分析指标，经确认后即可触发机器人化验自动化验。3机器人化验的智慧质控在机器人化验系统完全无人化的基础上，要使机器人化验系统能够准确地给出化验结果，需要引入智慧质控的设计理念，即机器人化验系统能反馈系统自身情况并能采取一些自动化措施，比如自动标定、自动漂移校正、插标验证、超差重做等，具体需要采取如下措施:(1)质控规划。为确保测试结果的精密度和正确度，机器人化验系统可根据当日的样品测试计划进行质控样品规划，并将质控样品规划远程传输到机器人化验系统。一般情况，质控样需考虑以下 5 种情况:系统自动标定，包括测硫仪曲线、碳氢氮曲线、量热仪热容量的标定。使用低、中、高含量标准物质对灰分和挥发分设备进行验证。库仑硫前 2 个样品为废样，第 3 个86第 1 期刘晓川等:智慧质控机器人化验系统设计及在煤质检测中的应用样品加入标样，且每间隔一定数量的单次检测后，需加入标样，标样范围需涵盖所有样品检测结果的范围。碳氢氮开机试验后需依次添加数个空白样品、数个废样、标准物质样品、漂移校正样品，且每间隔一定数量的单次检测后，需加入标样，标样范围需涵盖所有样品检测结果的范围。量热仪前 2 个样品为废样，第 3 个样品加入标样，且每间隔一定数量的单次检测后，需加入标样。(2)超差重做功能。国家标准 GB/T 4832007 煤炭分析试验方法一般规定中对样品测定次数做了如下规定:除特别要求者外，每项分析试验对同一煤样进行 2 次测定(一般为重复测定)。2次测定的差值如果不超过重复性限 T，则取其算术平均值作为最后结果;否则，需进行第 3 次测定。如 3 次测定值的极差小于或等于 1.2T，则取 3 次测定值的算术平均值作为测定结果;否则，需要进行第 4 次测定。如 4 次测定的极差小于或等于1.3T，则取 4 次测定值的算术平均值作为测定结果;如极差大于 1.3T，而其中 3 个测定值的极差小于或等于 1.2T，则可取此 3 个测定值的算术平均值作为测定结果。如上述条件均未达到，则应舍弃全部测定结果，并检查仪器和操作，然后重新进行测定。为实现超差重做功能，机器人化验系统应能按照 GB/T 4832007 的方式进行超差判定并进行结果取舍，样品超差后要能自动实现样瓶重新调取，并根据超差情况重新称量并测试对应的超差指标。具备超差重做功能的 5EILS1810 型机器人智能化验系统如图 3 所示。图 3具备超差重做功能的 5EILS1810 型机器人智能化验系统Fig.35EILS1810 robot intelligent test system with out oftolerance redo function4智慧质控机器人化验系统流程及应用为实现机器人化验的完全无人化及智慧质控，需设计如图 4 所示的工作流程，达到化验员远程即可操控机器人化验系统的目的。图 4具备完全无人化及智慧质控功能的机器人化验系统工作流程Fig.4Workflow of robot test system with completely unmanned and intelligent quality control function机器人化验系统上电后，进行系统自检，若自检没有问题，通过远程获取样品分析计划，再根据煤样分析计划自动规划质控样品队列，质控样品包括空白样、废样、标定样、漂移样、验证样。在首96煤质技术2023 年第 38 卷轮曲线标定、漂移校正、验证样测试完成后，方可触发生产样品分析。在生产样品分析过程中如有指标超差，则重新对超差样品的相应指标进行重新称量、重新测定，测试结果依据 GB/T 4832007 进行处理，从而保证了机器人化验系统在煤质检测中的测试精密度。另外在整个测试过程中，通过定间隔样品数量的方式插入验证样，确保机器人化验系统测试正确度。通过综上智慧质控的手段，保证了机器人化验系统测试煤质时的准确度。改进后的智慧质控机器人化验系统，增加了苯甲酸添加模块、锡纸自动包裹添加模块，只需批量准备锡纸和苯甲酸，即可实现苯甲酸的自动添加称量及碳氢氮称量锡箔杯的自动供给、样品包裹;通过对软件的优化、重构设计，实现了远程质控规划、远程样品规划、报警信息远程推送等功能，采用自动标定、自动漂移校正、插标验证、超差重做的等质控手段，实现了智慧质控机器人化验系统在煤质检测中的有效应用。在所有耗材齐备的前提下，化验员日常在燃料管控室进行远程质控及远程样品规划，不需要前往机器人化验设备处即可完成所有的化验操作。机器人化验系统出现故障时，化验员或设备维护人员可远程实时获取报警信息，及时对设备进行维护。具有智慧质控手段的机器人化验系统极大程度地消除人为因素对煤质化验结果的影响，目前改进后的设备已在国家能源集团永州电厂进行部署。5结语通过研究各设备供应商机器人化验系统的实现方式及技术特点，为提升目前市场上当前机器人化验系统的完全无人化和有效质控水准以有效消除煤质化验的人为干预，故提出机器人化验完全无人化和智慧质控的设计理念。结合实现机器人化验系统完全无人化的软硬件条件和工作流程，提出可通过配置自动添加苯甲酸装置、自动锡纸添加包裹装置，并使用远程样品规划和远程报警的手段，使得机器人化验系统可脱离化验员而独立运行，能真正意义上实现机器人化验系统的无人值守。同时在机器人化验完全无人化的基础上，融入智慧质控的设计理念，确保机器人化验的煤质测试结果真实可信。参考文献(eferences):1皮中原 煤炭检测技术现状和思考 J 煤质技术，2016，31(S1):4347PI Zhongyuan Present status and evaluation of coal in-spection technology J Coal Quality Technology，2016(S1):4347 2史波 燃料入厂智能化系统的建设与应用 J 中国新技术新产品，2020(10):136137SHI Bo Construction and application of intelligent sys-tem 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