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(shè)施的現(xiàn)代化設(shè)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(shè)備、設(shè)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(zhuǎn)型，原料化檢驗系統(tǒng)智能化建設(shè)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(shè)計和建設(shè)，通過構(gòu)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(shè)理念

原料化檢驗系統(tǒng)智能化建設(shè)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(jié)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(jié)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(jié)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(gòu)成

通過應用自動化、網(wǎng)絡(luò)化、信息化、AI視覺識別、人工智能等技術(shù)，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(shè)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(shù)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(shè)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(zhuǎn)運至制樣系統(tǒng)中，制樣系統(tǒng)按照設(shè)定程序作業(yè)，縮分后的棄料轉(zhuǎn)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(shè)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(gòu)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(shù)和汽運袋裝物料自動取樣技術(shù)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?cè)肴訁^(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(jié)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(shù)完成對車廂內(nèi)物料的粒度檢測。整個系統(tǒng)為全密閉結(jié)構(gòu)，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(shè)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(shè)備與運料皮帶機連鎖的機電一體化設(shè)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(zhuǎn)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?、半自動、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(shè)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(lǐng)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(jié)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(jié)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(shè)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(guān)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(jié)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?qū)崿F(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(shè)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(shè)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(jié)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?qū)崿F(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(gòu)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(quán)、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(quán)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(guān)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(chǔ)。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(gòu)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(shè)和工藝技術(shù)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(jié)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(shù)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(gòu)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(shè)和工藝技術(shù)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(shè)。