鋼鐵企業(yè)原料化檢驗系統(tǒng)智能化建設

張道光 ，張永豐 ，何泉 ，王麗暉 ，楊諾莎 ，岳帥 ，李奎 ，趙立章

（1.鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司，遼寧 營口 115007；2.鞍鋼股份有限公司質(zhì)檢計量中心，遼寧 鞍山 114003）

鋼鐵企業(yè)原料化檢驗工作十分重要，化檢驗系統(tǒng)智能化水平直接影響該項工作的效率和質(zhì)量，各鋼鐵企業(yè)都積極探索和實踐如何提高化檢驗系統(tǒng)智能化水平。如劉楠［1］、李鵬蕓［2］、王春生［3］、李曉曼［4］等人對全自動取樣系統(tǒng)、全自動制樣系統(tǒng)、化檢驗設施的現(xiàn)代化設計等進行了研究，提出了全流程自動化檢測的理念等，但如何實現(xiàn)原料化檢驗系統(tǒng)實物流和信息流的智能化并沒有進一步的研究。鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司（以下簡稱“鲅魚圈分公司”）自2008年開工以來，原料化檢驗系統(tǒng)的設備、設施均未進行過系統(tǒng)性改造。隨著信息化、數(shù)字化時代的到來，制造業(yè)向智能化轉型，原料化檢驗系統(tǒng)智能化建設勢在必行。為此，鲅魚圈分公司對原料化檢驗系統(tǒng)進行了規(guī)劃、設計和建設，通過構建“五位一體”的智能化化檢驗系統(tǒng)，大大提高了作業(yè)效率和作業(yè)質(zhì)量，本文對此做一介紹。

1 原料化檢驗系統(tǒng)智能化建設理念

原料化檢驗系統(tǒng)智能化建設遵循“總體規(guī)劃、適度超前、以點帶面、逐步推進”的原則，以“取制化作業(yè)自動化、流程連續(xù)化、管理信息化、信息數(shù)字化”為目標，打造“五位一體”的智能化化檢驗系統(tǒng)。以化檢驗管理系統(tǒng)為中心，以自動取樣系統(tǒng)、自動制樣系統(tǒng)、自動分析系統(tǒng)以及樣品管理系統(tǒng)為支撐，最終實現(xiàn)接收采購訂單信息-組批-取樣-制樣-分析-結果發(fā)出-樣品保管的全流程自動化。

1.1 實物流流程

實物流流程示意圖見圖1。

圖1 實物流流程示意圖Fig.1 Schematic Flow Sheet for Material Logistics

物料通過某種運輸方式到達自動取樣系統(tǒng)，按照指令進行取樣作業(yè)，取樣結束后進行封包，封包后的樣品到達自動制樣系統(tǒng)，解碼后按照指令進行制樣作業(yè)。制樣之后產(chǎn)生兩個樣品：分別為分析樣和保管樣。分析樣通過樣品傳輸系統(tǒng)傳輸?shù)阶詣臃治鱿到y(tǒng)，按照指令進行分析作業(yè)，結束后進入智能樣品管理系統(tǒng)；保管樣直接進入智能樣品管理系統(tǒng)。整個實物流作業(yè)取樣、制樣、分析由各系統(tǒng)自動完成，最終實現(xiàn)實物流的自動化［5］。

1.2 信息流流程

信息流流程示意圖如圖2所示。

圖2 信息流流程示意圖Fig.2 Schematic Flow Sheet for Information Flow

化檢驗管理系統(tǒng)是信息流的源頭和中心，取制化三級系統(tǒng)、樣品管理系統(tǒng)與化檢驗管理系統(tǒng)均有信息交互，各級系統(tǒng)按照工藝流程逐級進行信息傳遞和核對，最終實現(xiàn)信息流的自動化。

2 原料化檢驗智能系統(tǒng)構成

通過應用自動化、網(wǎng)絡化、信息化、AI視覺識別、人工智能等技術，建立起全自動取樣、智能化制樣、智能化分析、智能樣品管理、化檢驗管理系統(tǒng)“五位一體”的智能化化檢驗系統(tǒng)。

2.1 全自動取樣系統(tǒng)

根據(jù)生產(chǎn)工藝需要，規(guī)劃建設汽車、火車和皮帶遠程全自動取樣系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程全自動取樣作業(yè)。

2.1.1 汽車遠程全自動取樣系統(tǒng)

根據(jù)現(xiàn)場物料狀態(tài)及生產(chǎn)工藝技術要求，汽車遠程全自動取樣系統(tǒng)分為雙采四制汽車取樣系統(tǒng)和機器人智能取樣系統(tǒng)。

（1）雙采四制汽車取樣系統(tǒng)

①系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的設計目標是實現(xiàn)對汽運散裝物料的自動取樣，從識別車號到取樣、粗破、封包全流程自動化。主要包括雙取樣頭橋式螺旋鉆取樣裝置、車號識別系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、四工位粗破縮分系統(tǒng)、封包系統(tǒng)等。

②工藝流程

車輛通過車牌識別系統(tǒng)進入取樣區(qū)域后，通過定位、視覺識別系統(tǒng)識別車輛的尺寸信息，控制系統(tǒng)在取樣邊界內(nèi)隨機選點取樣，螺旋鉆到達取樣指定深度后，鉆頭提起，取樣大小車回到卸料位置。樣品卸出到樣品緩存器中，由送樣皮帶給料機轉運至制樣系統(tǒng)中，制樣系統(tǒng)按照設定程序作業(yè)，縮分后的棄料轉入棄料皮帶機送至車廂內(nèi)，收集器中的樣品由包裝皮帶機進行樣品包裝。

（2）機器人智能取樣系統(tǒng)

機器人智能取樣系統(tǒng)總體布局示意圖見圖3。

圖3 機器人智能取樣系統(tǒng)總體布局示意圖Fig.3 Overall Layout Diagram for Robot Intelligent Sampling System

①系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)的設計目標是實現(xiàn)對汽運袋裝物料的自動取樣，從識別車號到取樣、粗破、封包全流程自動化。系統(tǒng)主要包括機器人取樣系統(tǒng)、車號識別系統(tǒng)、車輛定位系統(tǒng)、視覺識別系統(tǒng)、取樣器快換系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、封包系統(tǒng)等。通過構建控制及管理系統(tǒng)連接，實現(xiàn)系統(tǒng)的互聯(lián)和集成，實現(xiàn)作業(yè)的自動控制。該系統(tǒng)所采用的機器人倒置懸掛技術和汽運袋裝物料自動取樣技術均為行業(yè)首創(chuàng)。

②工藝流程

機器人智能取樣系統(tǒng)工藝流程見圖4。車輛到達后通過車號識別系統(tǒng)駛入取樣區(qū)域，定位系統(tǒng)進行車輛定位，采樣機器人根據(jù)物料信息選用匹配的取樣器，視覺識別系統(tǒng)選定取樣位置，取樣機器人根據(jù)取樣規(guī)則開始取樣作業(yè)，取樣結束后根據(jù)物料類型進行制樣和封包。

圖4 機器人智能取樣系統(tǒng)工藝流程示意圖Fig.4 Process Flow Diagram for Robot Intelligent Sampling System

2.1.2 火車遠程全自動取樣系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于火車運輸鐵精礦、球團礦、石灰石、煤等物料，跨二條道軌對火車進行遠程取樣作業(yè)。主要由火車自動定位系統(tǒng)、取樣系統(tǒng)、制樣系統(tǒng)、樣品收集、棄料返排、封包系統(tǒng)、風速檢測及遠程控制軟件等系統(tǒng)組成［6］。能夠自動完成車廂定位、隨機選擇取樣點、樣品自動采集，自動完成樣品的破碎、縮分、集樣和棄料返排等，還可以通過圖像AI識別技術完成對車廂內(nèi)物料的粒度檢測。整個系統(tǒng)為全密閉結構，以保證所取樣的真實性和代表性。

2.1.3 皮帶遠程全自動取樣系統(tǒng)

（1） 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)集取樣、制樣、棄料、收集于一體，是PLC、變頻器控制、工控機、工藝參數(shù)程序設定、料層監(jiān)測系統(tǒng)、AI粒度識別系統(tǒng)、遠程控制系統(tǒng)、取制樣設備與運料皮帶機連鎖的機電一體化設備，具有高度自動化功能，能夠全自動完成取樣、破碎、縮分、樣品收集、棄料返排等。

（2） 工藝流程

皮帶機械取樣裝置安裝在原料主供皮帶機中部，取樣機上配有物料檢測系統(tǒng)，當檢測到皮帶機上有連續(xù)物料經(jīng)過及主皮帶啟動時，取樣機延時開啟，并自動完成定時、定量、全斷面截取皮帶機上的物料，還可以利用AI視覺識別系統(tǒng)進行粒度分析。皮帶取樣系統(tǒng)按照工藝的要求，自動定時、定量取出原料，取樣機旋轉取樣一周后自動停止在初始位置，等待下次取樣?？刂品绞椒譃樽詣印胱詣?、手動三種狀態(tài)，以滿足不同情況需要。

2.2 智能化制樣系統(tǒng)

智能化制樣系統(tǒng)總體布局示意圖見圖5。

圖5 智能化制樣系統(tǒng)總體布局示意圖（俯視圖）Fig.5 Overall Layout Diagram for Intelligent Sample Preparing System(Top View)

（1） 系統(tǒng)概述

該系統(tǒng)主要用于鐵礦石、易破碎合金、熔劑、輔料等樣品的制備，可實現(xiàn)一鍵式全自動掃碼、稱重、破碎、縮分、烘干、研磨、密封、棄料、保管等功能。系統(tǒng)可以設置100種制樣方法，研磨后的粒度具備200目能力，可以實現(xiàn)水分分析數(shù)據(jù)的上傳，同時具備清掃功能，避免樣品混質(zhì)。該系統(tǒng)處于國內(nèi)領先水平。

（2） 工藝流程

①樣品密碼桶來樣登錄：解碼器解碼后與化檢驗管理系統(tǒng)獲取的信息比對，樣品桶通過滾筒線進入系統(tǒng)排隊。②自動開蓋上料：機器人負責從輸入定位取桶到開蓋機工位開蓋，稱量位稱量樣品重量后，根據(jù)物料類別按流程進行處置。③制樣：機器人依次按流程制備化學樣、保留樣、部分品種測水分。④樣品封裝標識：機器人負責保留樣、分析樣封裝打碼。⑤棄樣：棄料桶通過滾筒線返回，棄樣由棄料線輸出系統(tǒng)分類收集回收。

2.3 智能化分析系統(tǒng)

智能化分析系統(tǒng)包括自動稱量裝置、自動研磨裝置、自動壓片裝置和自動X射線熒光光譜儀、自動熔融系統(tǒng)、自動碳硫分析系統(tǒng)，完成對鐵礦石、熔劑、合金、輔料等試樣的分析［7］，能夠集成樣品傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)與自動制樣系統(tǒng)的信息交互。系統(tǒng)接收到樣品后根據(jù)指令進行分工，通過自動稱量裝置將樣品分發(fā)給不同的子系統(tǒng)進行下一步作業(yè)。智能化分析系統(tǒng)總體布局示意圖見圖6。系統(tǒng)功能介紹如下。

圖6 智能化分析系統(tǒng)總體布局示意圖Fig.6 Overall Layout Diagram for Intelligent Analysis System

（1）自動研磨、壓片系統(tǒng)

可以實現(xiàn)樣品的自動研磨、壓片，系統(tǒng)接到指令后自動稱量、研磨 （可以自動添加粘結劑）、壓片、除塵，并將制備完成的樣品傳遞到X射線熒光光譜儀，分析完成后的結果自動上傳至化檢驗管理系統(tǒng)，空料杯通過樣品傳輸系統(tǒng)自動返回至制樣系統(tǒng)。該設備全封閉、隔音，而且不需要更多的手動干預和維護。

工藝流程：①研磨：選擇操作參數(shù)，啟動后由內(nèi)部傳輸裝置將樣品倒入研缽細磨，將磨好的樣品倒回不銹鋼樣品杯中，樣品傳輸?shù)綐悠份斎胛恢?，利用壓縮空氣清潔相關部件。把盛有樣品的樣杯自動放在內(nèi)置傳輸系統(tǒng)的進樣位置。②壓片：選擇操作參數(shù)，啟動后樣品放入給料臺，開始給料壓片，內(nèi)置傳輸系統(tǒng)把壓好的樣片送出。樣片分析結束回收鋼環(huán)，用于下一個樣品制備。

（2）自動熔融系統(tǒng)

該系統(tǒng)可以實現(xiàn)自動熔融制樣，快速靈活處理樣品，能夠實現(xiàn)樣品制備過程管理和圖形可視化。

工藝流程：①選擇方法后自動稱量、混勻。②熔融：啟動熔融程序，坩堝在熔化過程中以圓周運動振蕩，以保證熔融材料的均勻性且無氣泡，保證樣品熔融過程中徹底混合。③冷卻：熔融試樣倒入預加熱的澆注盤中，分階段冷卻，凝固后的澆注盤被壓縮空氣精確吹掃，直到樣品從盤子中取出。傳感器檢測玻璃片質(zhì)量，確保完好的玻璃片到達分析設備。④輸送：真空吸入裝置將完整玻璃片經(jīng)輸送系統(tǒng)送至X射線熒光光譜儀。⑤清洗熔融完成后，坩堝和澆注盤可在超聲波浴中自動清洗。

（3）自動碳硫分析系統(tǒng)

該系統(tǒng)基于一個機器人自動完成坩堝裝卸、樣品稱重和自動投放樣品的過程，利用碳硫分析儀自動進行固體樣品的分析。

工藝流程：①把預熱后的坩堝放到電子天平上；②把樣品/標樣放到坩堝內(nèi)；③進行樣品/標樣的自動稱重；④根據(jù)設定的量加入助熔劑；⑤進行樣品/標樣+助熔劑的再預熱；⑥機器人把天平上的樣品/標樣送到碳硫分析儀的坩堝托上準備分析；⑦坩堝托落下，廢坩堝被取出并丟入廢坩堝箱；⑧燃燒管自動清掃；⑨上傳分析結果進行數(shù)據(jù)處理。

2.4 智能樣品管理系統(tǒng)

智能樣品管理系統(tǒng)能夠實現(xiàn)樣品在線管理、實時監(jiān)控，由樣品柜、監(jiān)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等構成，主要功能包括樣品的出入庫管理、人臉識別管理、實時監(jiān)控管理、自動報警等，可以與自動制樣系統(tǒng)和自動分析系統(tǒng)信息交互，完成樣品的自動入庫管理，可以與化檢驗管理系統(tǒng)實現(xiàn)信息交互，通過人臉授權、即時錄像，完成對樣品的狀態(tài)監(jiān)測、調(diào)出、排放等工作，最終實現(xiàn)對樣品的智能化管理，提高樣品管控水平。

工藝流程：首先選擇工作內(nèi)容樣品入庫/樣品出庫，然后人臉識別權限驗證，此時系統(tǒng)開始跟蹤錄像，錄入/掃描樣品編碼，系統(tǒng)打開相應柜門，在規(guī)定時間內(nèi)完成樣品存放，否則報警系統(tǒng)會啟動提示，最后關閉柜門完成整個作業(yè)。

2.5 化檢驗管理系統(tǒng)

化檢驗管理系統(tǒng)負責向各自動化系統(tǒng)下發(fā)作業(yè)指令，同時收集各系統(tǒng)反饋回來的信息并作出處理，能夠為各級生產(chǎn)系統(tǒng)、管理系統(tǒng)、決策系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)支持，為企業(yè)信息化提供基本數(shù)據(jù)保障［8］。功能完善而強大的化檢驗管理系統(tǒng)是全流程自動化、信息化的基礎。由于各個企業(yè)管理職能分工的不同，化檢驗管理系統(tǒng)所承擔的功能有所區(qū)別，主要業(yè)務功能包括原料組批、原料取樣、原料制樣、數(shù)據(jù)錄入、數(shù)據(jù)審核和發(fā)布等，主要管理功能包括人、機、料、法、環(huán)的管理、實驗室認可體系管理、質(zhì)量管理、統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)的深度挖掘等。

通過構建“五位一體”全流程、一體化的原料化檢驗系統(tǒng)，加快了智能化建設和工藝技術創(chuàng)新，能夠有效降低勞動強度，確保數(shù)據(jù)的客觀性、準確性、及時性。

3 結語

隨著數(shù)字化時代的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術的進步，傳統(tǒng)的人工作業(yè)模式已經(jīng)不能滿足企業(yè)發(fā)展的需要，鞍鋼股份有限公司鲅魚圈鋼鐵分公司通過構建“五位一體”全流程、一體化的原料化檢驗系統(tǒng)，加快了智能化建設和工藝技術創(chuàng)新，能夠有效降低勞動強度，確保數(shù)據(jù)的客觀性、準確性、及時性，實現(xiàn)全面質(zhì)量控制，推進智能工廠建設。