工業(yè)機(jī)器人在鋼水成分快速分析系統(tǒng)當(dāng)中的應(yīng)用

李 巖

（本鋼集團(tuán)有限公司，遼寧 本溪 117000）

本溪鋼鐵有限責(zé)任公司始建于1905年是國內(nèi)大型鋼鐵聯(lián)合企業(yè)之一。企業(yè)總體技術(shù)裝備歷史跨度大，其中鋼鐵生產(chǎn)過程中鋼材化學(xué)成分控制分析，無論是設(shè)備的配置還是分析手段，均處于上個(gè)世紀(jì)90年代末人工操作的水平。煉鋼生產(chǎn)過程隨著生產(chǎn)工藝的提升，對產(chǎn)品質(zhì)量的檢測要求也越來越高?，F(xiàn)在現(xiàn)場檢測已經(jīng)發(fā)展為32個(gè)取樣點(diǎn)25臺風(fēng)動(dòng)送樣機(jī)，人工的手工測量根本無法滿足快速檢測的需求。原系統(tǒng)因?yàn)閮x器的本身自動(dòng)化分析程度有限，鋼材樣品的分析效率特別低。樣品的加工、數(shù)據(jù)的分析大量依賴人工。造成工作效率低分析成本高，獲得分析數(shù)據(jù)不夠快捷無法滿足鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量過程控制要求。這種狀態(tài)已經(jīng)難以適應(yīng)當(dāng)今鋼鐵工業(yè)飛速發(fā)展的需求。設(shè)計(jì)一套基于工業(yè)機(jī)器人的全自動(dòng)化鋼材樣品快速分析系統(tǒng)，用機(jī)器人代替人工送樣取樣的操作過程能夠解決生產(chǎn)過程的快速分析的需求。借助現(xiàn)代化高速網(wǎng)絡(luò)將試樣分析結(jié)果準(zhǔn)確、高效、快速、穩(wěn)定地上傳到煉鋼過程控制計(jì)算機(jī)為生產(chǎn)工藝提供數(shù)據(jù)支持[1]。

1 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

①通過工業(yè)機(jī)器人與樣品加工設(shè)備和快速分析儀器的無縫連接，在PLC的程序控制下，實(shí)現(xiàn)無人化或少人化操作，取得了比以往的手工分析系統(tǒng)更快的檢驗(yàn)速度。②全自動(dòng)程序控制的分析儀器操作，不會(huì)有人為因素對測量結(jié)果的影響，能夠得到更加客觀準(zhǔn)確的鋼鐵成分分析數(shù)據(jù)。③測量系統(tǒng)形成一個(gè)自主的局域網(wǎng)，與廠級工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)相連接，實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)指令和檢測信息的準(zhǔn)確快速下達(dá)和測量分析數(shù)據(jù)的共享[2]。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

快速分析系統(tǒng)由8部分組成：①風(fēng)動(dòng)送樣系統(tǒng)；②工業(yè)機(jī)器人樣品輸送裝置；③樣品加工設(shè)備；④視覺識別設(shè)備；⑤樣品分析設(shè)備；⑥激光樣品標(biāo)簽打印式系統(tǒng)；⑦數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)；⑧PLC可編程控制系統(tǒng)

3 工作流程

現(xiàn)場取樣以后要對樣品進(jìn)行簡單的處理，將球拍型的鋼樣尾部剪斷。然后將樣品裝入風(fēng)動(dòng)送樣機(jī)送到檢測中心。樣品接收后，根據(jù)不同的樣品選擇不同的加工方法，將樣品打磨加工出一個(gè)光滑的平面。然后用AI視覺識別系統(tǒng)檢查樣品是否合格，如果不合格馬上發(fā)出指令讓現(xiàn)場人員重新采樣。如果樣品合格輸入快速分析儀器當(dāng)中進(jìn)行檢測[3]。檢測完畢以后用激光打標(biāo)機(jī)在樣品上打出編號，然后歸檔處理。同時(shí)將檢測數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。流程圖如圖1所示。

圖1 工作流程圖

系統(tǒng)采用科學(xué)化的布局管理方式，根據(jù)分析檢測設(shè)備的特點(diǎn)在作業(yè)平面內(nèi)統(tǒng)一合理布局。充分發(fā)揮工業(yè)機(jī)器人設(shè)備的協(xié)調(diào)分配能力，保證發(fā)揮每一臺分析設(shè)備的運(yùn)行效率。使其能夠在多個(gè)樣品同時(shí)到達(dá)時(shí)，依然能夠快速的完成分析任務(wù)。并且做到了便于集中管理和設(shè)備維護(hù)。檢測過程中充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的通訊數(shù)據(jù)采集能力和局域網(wǎng)數(shù)據(jù)高速通訊功能[4]。

樣品磨銑加工后用人工智能技術(shù)視覺識別系統(tǒng)自動(dòng)判斷樣品表面質(zhì)量是否合格，快速而且準(zhǔn)確，減輕了人工識別的工作量。經(jīng)過優(yōu)化人工智能視覺分析全部時(shí)間，小于1s。

4 工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)

瑞士的ABB公司是世界上最大的機(jī)器人制造公司之一。市場占有率排名第一。ABB機(jī)器人可以輕易滿足，循序精度，運(yùn)動(dòng)速度，周期時(shí)間可程序設(shè)計(jì)等性能要求。ABB機(jī)器人在單方面來說不一定是最好的，但就整體性能來說是最出色的機(jī)器人。機(jī)器人的控制器采用x86架構(gòu)，機(jī)器人的控制器采用x86架構(gòu)，Vxworks系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃，外部通訊參數(shù)配置等任務(wù)系統(tǒng)負(fù)責(zé)機(jī)器人任務(wù)規(guī)劃。技術(shù)先進(jìn)，工藝包完備嚴(yán)謹(jǐn)，實(shí)用至上，整體性能強(qiáng)。系統(tǒng)采用2臺ABB IRB 2600工業(yè)機(jī)器人，4臺ABB120工業(yè)機(jī)器人。都是ABB公司的成熟產(chǎn)品。其高精度由專利的TrueMoveTM運(yùn)動(dòng)控制軟件實(shí)現(xiàn)。

ABB IRB 2600工業(yè)機(jī)器人回轉(zhuǎn)半徑1.6m；功率15KW；機(jī)械手的定位重復(fù)精度0.02mm。手腕持重：12kg；最大臂展半徑：1.65m；軸數(shù)：6；防護(hù)等級：IP67；ABBIRB2600工業(yè)機(jī)器人控制系統(tǒng)的組成，包括機(jī)器人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)兩大部分如圖2所示。機(jī)器人計(jì)算機(jī)系統(tǒng)包括主計(jì)算機(jī)、軸控制計(jì)算機(jī)和輸入輸出接口板。

圖2 IRB 2600機(jī)器人計(jì)算系統(tǒng)示意圖

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：ABB機(jī)器人中的伺服系統(tǒng)使用的是位置控制。是將位置傳感器直接安裝在要定位的機(jī)器上，實(shí)現(xiàn)所謂全封閉控制如圖3。

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)示意圖

圖4 煉鋼試驗(yàn)室L2系統(tǒng)信息流程圖

5 控制系統(tǒng)及通信

快分控制系統(tǒng)在配備了SIEMENS 1500系列PLC控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)通信網(wǎng)絡(luò)，通過工業(yè)以太網(wǎng)將所有硬件部分有效地連接起來如圖4所示。SIEMENS 1500 PlC協(xié)調(diào)所有設(shè)備的統(tǒng)一管理實(shí)現(xiàn)物流的自動(dòng)控制。wincc作為人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)控制指令的輸入。

通過交換機(jī)與系統(tǒng)控制計(jì)算機(jī)以及所有分析設(shè)備計(jì)算機(jī)的連接，組成一個(gè)內(nèi)部局域網(wǎng)。通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議達(dá)到了快分系統(tǒng)對煉鋼生產(chǎn)過程控制的信息接收、數(shù)據(jù)傳遞、檢測數(shù)據(jù)的采集、生產(chǎn)過程計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)上傳和內(nèi)部數(shù)據(jù)管理。

在整個(gè)數(shù)據(jù)通信的過程中，將這些指令和數(shù)據(jù)通過專用通信軟件從計(jì)算機(jī)傳遞到目標(biāo)計(jì)算機(jī)。數(shù)據(jù)分為指令代碼和快分系統(tǒng)數(shù)據(jù)上傳數(shù)據(jù)，還有控制計(jì)算機(jī)之間指令和數(shù)據(jù)交換，其中對于系統(tǒng)最為重要的電文內(nèi)容是樣品的識別號信息，稱為：試樣ID。它是系統(tǒng)信息傳遞過程中始終貫穿全自動(dòng)控制的標(biāo)志性記號。

從試樣采集到最終分析數(shù)據(jù)的上傳，試樣ID一直存在于系統(tǒng)的信息鏈之中，它的信息字符段含有非常豐富的試樣來源信息，包括煉鋼、精煉、連鑄、鐵水處理車間的區(qū)域及工位信息、試樣種類信息、爐次信息。這些信息對于快分系統(tǒng)如何確定分析工藝路徑，指導(dǎo)不同類型的試樣按照不同加工工藝進(jìn)行處理，在不同的偏好分析設(shè)備上進(jìn)行分析，并最終根據(jù)要求自動(dòng)將分析數(shù)據(jù)上傳至不同的上位機(jī)起到了非常重要的作用。原則上同一爐次同一鋼種的化驗(yàn)加工設(shè)備和檢測儀器應(yīng)該是同一臺設(shè)備，可以在檢測偏好上進(jìn)行設(shè)置。試樣ID從信息傳遞的角度上來看，可以說它是貫穿整個(gè)檢測系統(tǒng)的紐帶。

6 結(jié)語

由工業(yè)機(jī)器人組成的鋼水成分快速分析系統(tǒng)是集團(tuán)公司一個(gè)重要檢化驗(yàn)系統(tǒng)。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和工作能力上已達(dá)到國際先進(jìn)水平?？梢酝耆珴M足現(xiàn)代化鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)的要求。多個(gè)鋼鐵試樣同時(shí)到達(dá)情況下整個(gè)分析過程結(jié)束控制在140s以內(nèi)。分析速度比原系統(tǒng)提高了6倍以上。減輕了工人的檢驗(yàn)勞動(dòng)強(qiáng)度。完全做到了自動(dòng)化控制避免人為因素的干擾。檢測結(jié)果更準(zhǔn)確、分析速度更快。為煉鋼煉鐵的生產(chǎn)提供了有效的技術(shù)保障。特別是機(jī)器人技術(shù)、AI視覺識別技術(shù)在鋼水成分快速分析系統(tǒng)當(dāng)中的成功應(yīng)用，為我們今后解決類似生產(chǎn)問題提供了廣泛的思路。