鋼鐵企業原料化檢驗系統智能化建設

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檢計量中心，遼寧 鞍山 114003）

鋼鐵企業原料化檢驗工作十分重要，化檢驗系統智能化水平直接影響該項工作的效率和質量，各鋼鐵企業都積極探索和實踐如何提高化檢驗系統智能化水平。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、全自動制樣系統、化檢驗設施的現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，但如何實現原料化檢驗系統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，原料化檢驗系統的設備、設施均未進行過系統性改造。隨著信息化、數字化時代的到來，制造業向智能化轉型，原料化檢驗系統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進行了規劃、設計和建設，通過構建“五位一體”的智能化化檢驗系統，大大提高了作業效率和作業質量，本文對此做一介紹。

1 原料化檢驗系統智能化建設理念

原料化檢驗系統智能化建設遵循“總體規劃、適度超前、以點帶面、逐步推進”的原則，以“取制化作業自動化、流程連續化、管理信息化、信息數字化”為目標，打造“五位一體”的智能化化檢驗系統。以化檢驗管理系統為中心，以自動取樣系統、自動制樣系統、自動分析系統以及樣品管理系統為支撐，最終實現接收采購訂單信息-組批-取樣-制樣-分析-結果發出-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，按照指令進行取樣作業，取樣結束后進行封包，封包后的樣品到達自動制樣系統，解碼后按照指令進行制樣作業。制樣之后產生兩個樣品：分別為分析樣和保管樣。分析樣通過樣品傳輸系統傳輸到自動分析系統，按照指令進行分析作業，結束后進入智能樣品管理系統；保管樣直接進入智能樣品管理系統。整個實物流作業取樣、制樣、分析由各系統自動完成，最終實現實物流的自動化［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

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

2 原料化檢驗智能系統構成

通過應用自動化、網絡化、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“五位一體”的智能化化檢驗系統。

2.1 全自動取樣系統

根據生產工藝需要，規劃建設汽車、火車和皮帶遠程全自動取樣系統，實現遠程全自動取樣作業。

2.1.1 汽車遠程全自動取樣系統

根據現場物料狀態及生產工藝技術要求，汽車遠程全自動取樣系統分為雙采四制汽車取樣系統和機器人智能取樣系統。

（1）雙采四制汽車取樣系統

①系統概述

本系統的設計目標是實現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、車輛定位系統、四工位粗破縮分系統、封包系統等。

②工藝流程

車輛通過車牌識別系統進入取樣區域后，通過定位、視覺識別系統識別車輛的尺寸信息，控制系統在取樣邊界內隨機選點取樣，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中，制樣系統按照設定程序作業，縮分后的棄料轉入棄料皮帶機送至車廂內，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

機器人智能取樣系統總體布局示意圖見圖3。

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

①系統概述

本系統的設計目標是實現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。系統主要包括機器人取樣系統、車號識別系統、車輛定位系統、視覺識別系統、取樣器快換系統、制樣系統、封包系統等。通過構建控制及管理系統連接，實現系統的互聯和集成，實現作業的自動控制。該系統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首創。

②工藝流程

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

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

2.1.2 火車遠程全自動取樣系統

該系統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。主要由火車自動定位系統、取樣系統、制樣系統、樣品收集、棄料返排、封包系統、風速檢測及遠程控制軟件等系統組成［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物料的粒度檢測。整個系統為全密閉結構，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

（1） 系統概述

該系統集取樣、制樣、棄料、收集于一體，是PLC、變頻器控制、工控機、工藝參數程序設定、料層監測系統、AI粒度識別系統、遠程控制系統、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，當檢測到皮帶機上有連續物料經過及主皮帶啟動時，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視覺識別系統進行粒度分析。皮帶取樣系統按照工藝的要求，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。控制方式分為自動、半自動、手動三種狀態，以滿足不同情況需要。

2.2 智能化制樣系統

智能化制樣系統總體布局示意圖見圖5。

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

（1） 系統概述

該系統主要用于鐵礦石、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，可以實現水分分析數據的上傳，同時具備清掃功能，避免樣品混質。該系統處于國內領先水平。

（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獲取的信息比對，樣品桶通過滾筒線進入系統排隊。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分類收集回收。

2.3 智能化分析系統

智能化分析系統包括自動稱量裝置、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、自動碳硫分析系統，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，實現與自動制樣系統的信息交互。系統接收到樣品后根據指令進行分工，通過自動稱量裝置將樣品分發給不同的子系統進行下一步作業。智能化分析系統總體布局示意圖見圖6。系統功能介紹如下。

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

（1）自動研磨、壓片系統

可以實現樣品的自動研磨、壓片，系統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，空料杯通過樣品傳輸系統自動返回至制樣系統。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，啟動后由內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，樣品傳輸到樣品輸入位置，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置傳輸系統的進樣位置。②壓片：選擇操作參數，啟動后樣品放入給料臺，開始給料壓片，內置傳輸系統把壓好的樣片送出。樣片分析結束回收鋼環，用于下一個樣品制備。

（2）自動熔融系統

該系統可以實現自動熔融制樣，快速靈活處理樣品，能夠實現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輸送系統送至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

該系統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；③進行樣品/標樣的自動稱重；④根據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據處理。

2.4 智能樣品管理系統

智能樣品管理系統能夠實現樣品在線管理、實時監控，由樣品柜、監控系統、控制系統等構成，主要功能包括樣品的出入庫管理、人臉識別管理、實時監控管理、自動報警等，可以與自動制樣系統和自動分析系統信息交互，完成樣品的自動入庫管理，可以與化檢驗管理系統實現信息交互，通過人臉授權、即時錄像，完成對樣品的狀態監測、調出、排放等工作，最終實現對樣品的智能化管理，提高樣品管控水平。

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

2.5 化檢驗管理系統

化檢驗管理系統負責向各自動化系統下發作業指令，同時收集各系統反饋回來的信息并作出處理，能夠為各級生產系統、管理系統、決策系統提供數據支持，為企業信息化提供基本數據保障［8］。功能完善而強大的化檢驗管理系統是全流程自動化、信息化的基礎。由于各個企業管理職能分工的不同，化檢驗管理系統所承擔的功能有所區別，主要業務功能包括原料組批、原料取樣、原料制樣、數據錄入、數據審核和發布等，主要管理功能包括人、機、料、法、環的管理、實驗室認可體系管理、質量管理、統計分析、數據的深度挖掘等。

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

3 結語

隨著數字化時代的發展，互聯網、大數據、人工智能等技術的進步，傳統的人工作業模式已經不能滿足企業發展的需要，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，加快了智能化建設和工藝技術創新，能夠有效降低勞動強度，確保數據的客觀性、準確性、及時性，實現全面質量控制，推進智能工廠建設。