銅冶煉極板智能化轉運及質檢系統(tǒng)構建方案淺談

饒有發(fā)

（江西銅業(yè)集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江西銅業(yè)股份有限公司貴溪冶煉廠是中國第一家采用世界先進閃速熔煉技術、高濃度二氧化硫轉化制酸技術、傾動爐、卡爾多爐雜銅冶煉技術和ISA（艾薩法）電解精煉技術的現(xiàn)代化煉銅工廠，也是世界首個單廠陰極銅產量超百萬噸的煉銅工廠。

貴溪冶煉廠陰極銅生產主要工藝是先火法煉制粗銅陽極板，再電解精煉得到最終產品陰極銅。在熔煉車間及傾動爐車間經火法精煉和澆鑄所得陽極板，要通過人工叉車轉運至陽極板堆場進行堆存，再根據電解作業(yè)計劃，由人工叉車轉送至電解車間陽極整形機組接受端，經機組整形加工排距后，由行車吊裝至電解槽進行電解精煉得到陰極銅和殘極板，再經電銅洗滌機組和殘極洗滌機組洗滌堆垛輸出，最后經人工叉車轉運至陰極銅堆場和殘極板堆場，陰極銅在陰極銅堆場露天存儲待銷，殘極板經叉車轉運至熔煉車間及傾動爐車間返爐處理。

按目前年產陰極銅102.8萬t粗略計算，貴冶每年需要中間人工叉車轉運的極板（陽極板、陰極銅和殘極板）數(shù)量巨大。僅二系統(tǒng)陽極板就有44.2萬t，計110.6萬塊；陰極銅38萬t，計15.2萬垛（30塊/垛）；殘極6萬t，計6.14萬垛(18塊/垛)。在生產和轉運的中間環(huán)節(jié)，由人工檢測陰極銅、陽極板物理規(guī)格。目前這一生產流程主要存在以下幾個方面的問題：

轉運方式粗放。熔煉和電解車間極板轉運依靠人工叉車和平板車配合作業(yè)，存在效率低、能耗高、車輛尾氣污染環(huán)境、陽極外觀易沖撞變形等問題，也存在道路運輸安全隱患。

檢驗方式落后。陰極銅、陽極板物理規(guī)格、ISA不銹鋼陰極板變形量均依靠人工肉眼外觀檢測，陰極銅化學成分取樣依靠手動鉆床作業(yè)，存在檢測效率低、檢測精度差、漏項、檢測結果難以統(tǒng)計和追溯等問題。

存儲方式原始。陰極銅、陽極及殘極板均地面露天堆放，雨季處置不當，會存在環(huán)保隱患，陰極銅外觀質量也受影響。

統(tǒng)計方式落后。不能及時查明極板實時庫存及質量等相關信息，難以及時準確地為生產調度、質檢、物流、機動能源等部門提供車間生產現(xiàn)場管理信息，管理調度缺乏即時依據。

為有效解決上述問題，構建一個快速反應、精細管理的無人化、智能化中間物料及產品的轉運、在線質檢及倉儲工藝流程，進一步降低生產成本、提高產品和服務質量，夯實智能工廠建設基礎。本著穩(wěn)步推進原則，2018年貴溪冶煉廠在工信部“銅冶煉智能工廠試點示范”項目中設立“江銅貴溪冶煉廠二系統(tǒng)極板智能化轉運及質檢系統(tǒng)”子項目，在行業(yè)內率先構建了銅冶煉極板智能化轉運及質檢系統(tǒng)，示范效果明顯。

2 系統(tǒng)構建難點

系統(tǒng)功能多、工序繁雜。極板的轉運過程需要完成自動取板、轉接、稱重、外形整修、碼垛、鉆孔取樣、打包、跨車間輸送、不合格品的分離、入庫、出庫、發(fā)貨輸出、噴碼、掃碼等眾多工序功能，極板轉運過程中還需完成在線質量自動檢測功能。

系統(tǒng)運行要求高。陽極板、殘極板及陰極銅為熔煉及電解工序的中間物料及產品，其產出過程緊密銜接熔煉陽極爐圓盤澆鑄及電解機組工序作業(yè)，事關熔煉及電解全局工藝生產，要求轉運及質檢過程順暢、高效、持續(xù)穩(wěn)定，并能在線即時監(jiān)控。

極板質量檢測難度大。極板質量檢測包含陰極銅物理規(guī)格檢測和化學成分鉆孔取樣，陽極板物理規(guī)格檢測以及ISA不銹鋼板形變量檢測等內容，存在檢測數(shù)量大、周期短、精度要求高、在線實時、結果可追溯等困難。

倉儲立庫載重大。智能倉儲廣泛應用于包裝、物流及零售等行業(yè)，但尚無應用于銅冶煉行業(yè)工藝流程的先例，冶煉重型極板倉儲立庫系統(tǒng)的構建無成熟經驗可循。

設計施工難度大。設計要克服多專業(yè)協(xié)同，特定功能專機研制任務重，土建及機電儀等專業(yè)設施須對接原有生產系統(tǒng)，轉運通道要跨車間廠房及廠區(qū)道路等諸多實際困難。立庫廠房及運輸通道的施工涉及原有廠房結構，總排水涉及變更地下管網，廠房施工要占用生產所需的極板堆存及轉運場地，轉運及檢測設備安裝調試須對接原有系統(tǒng)工藝設施，施工和生產過程交織。

3 系統(tǒng)架設方案

3.1 設計原則

本著立足現(xiàn)實，著眼長遠，兼顧先進，節(jié)約投資的原則，為實現(xiàn)系統(tǒng)預定功能，設計遵循以下原則：

保持生產連續(xù)性。設計方案充分考慮減少項目施工過程可能的對原有生產系統(tǒng)的影響，設備設計選型考慮系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運行需要，在科學計算的基礎上選用高性能設備，此外，系統(tǒng)核心功能要考慮應急處理預案，對系統(tǒng)軟件均采用熱備或負載均衡方式，實現(xiàn)系統(tǒng)生產的連續(xù)性。

系統(tǒng)可擴展性。用統(tǒng)一標準的系統(tǒng)接口、通信協(xié)議，使系統(tǒng)能兼容不同廠家的同類設備，同時又能適應未來新技術的發(fā)展。在系統(tǒng)設計中盡可能考慮選用符合國際國內標準的通用設備，為系統(tǒng)升級、擴展留有余地。

系統(tǒng)安全性。通過大量高性能傳感器，對設備的運行狀態(tài)進行全面監(jiān)控，提前預警，預防維修；系統(tǒng)的信息安全等級保護符合國家標準；設計采用全流程自動化的轉運設備及智能化的調度系統(tǒng)，使全系統(tǒng)實現(xiàn)無人化運轉，從根本上解決人員安全性問題。

系統(tǒng)先進性。系統(tǒng)架構著眼長遠的技術路線和發(fā)展規(guī)劃，服務器及網絡設備的選擇在同領域內處于領先地位，轉運及檢測設備采用當今世界先進水平。

系統(tǒng)經濟性。在確保系統(tǒng)功能實現(xiàn)和先進性基礎上，通過科學合理的規(guī)劃設計和資源配置調度，有效控制項目的投資費用和運行成本。

可維護性。在進行規(guī)劃設計的同時，充分考慮系統(tǒng)運行可維護性，將系統(tǒng)的設計、建造、維護統(tǒng)一規(guī)劃，以滿足智能物流系統(tǒng)的要求；此外，搭建智能監(jiān)控平臺以滿足日常維護的需求。

3.2 系統(tǒng)架設

系統(tǒng)主要包含極板轉運及質量檢測兩方面的功能。在充分考慮現(xiàn)有生產設備及工藝流程等資源基礎上，建設一個從陽極板取板下線到陰極銅發(fā)貨出庫的全流程智能化極板轉運及質檢系統(tǒng)。

系統(tǒng)架設的總體思路是：建立基于智能化立體庫房的極板存儲及轉運系統(tǒng)，滿足轉運流程眾多工序功能的需要，在極板轉運出入庫輸送線適宜位置設置智能化在線質量檢測裝置，使陰極銅、陽極板及殘極板過程轉運及質量檢測實現(xiàn)無人化智能化管控。

系統(tǒng)架設主要包括硬件及軟件兩部分。其中，硬件部分主要包括高層立體貨架、巷道式堆垛機、機械手、打包機、翻轉機、鏈式輸送機、升降機、AGV叉車、及穿梭車（RGV）、三維視覺檢測設備以及噴碼掃碼設備等；軟件部分主要包括WMS（倉庫管理系統(tǒng)）、WCS（物流設備控制系統(tǒng)）和PLC控制子系統(tǒng)等計算機管理與監(jiān)控系統(tǒng)。在原機組操作排班室建設集中控制室，便于生產管理與監(jiān)控信息系統(tǒng)結合［1］。系統(tǒng)總體結構參見圖1。

圖1 系統(tǒng)結構拓撲示意圖

3.3 總圖布局及工藝配置

總圖布局立足于不破壞原有生產系統(tǒng)廠房、道路及工藝裝備，在原二系統(tǒng)電解車間廠房南面陰、陽極板堆場及叉車轉運場地新建通長的極板立庫及AGV轉運廠房，并新建300米長的跨熔煉車間主廠房及廠區(qū)道路的地下通廊，鋪設RGV環(huán)形軌道，用于將陽極板垛從熔煉陽極爐圓盤澆鑄區(qū)通過RGV轉運至電解車間南面陽極板立體庫房入口端。

工藝配置既要有利于新增系統(tǒng)功能的實現(xiàn)，又要銜接好原有生產工藝設施。將陽極板取板、稱重、外形修整、堆垛、物理規(guī)格視覺檢測、不合格品分離等設備緊接熔煉車間圓盤澆鑄水槽輸出端進行配置，通過稱重及外形視覺檢測，達標合格陽極板修整后經機械手碼垛（6塊/垛），并通過鏈送機、升降機、穿梭車（RGV）、堆垛機等轉運至陽極板立庫貨位，不達標陽極板就地開路轉出，另行回爐處理；為處理自外部市場購置的陽極板，在陽極板立庫東側另行配置一套陽極板轉運及質檢生產線；在電解機組叉車作業(yè)區(qū)，設計配置若干AGV叉車替代人工叉車完成電解工序陽極板上料、陰極銅垛及殘極板垛下線作業(yè)；在陰極銅立庫入庫端配置陰極銅稱重、配重、打包、鉆孔取樣等設備；在陰極銅剝片機組橫送線適宜位置配置陰極銅及ISA不銹鋼陰極板視覺檢測設備，在剝片機組輸出鏈送機中部配置不合格陰極銅分離輸出機組；在殘極洗滌機組末端出口位置增設殘極打包裝置，通過AGV叉車將殘極板垛從打包位轉運至立庫內殘極板存儲貨位。在轉運及質量檢測流程適宜環(huán)節(jié)配置噴碼掃碼設備，用于記錄、存儲極板生產及質量信息。

工藝配置方案參見圖2。

圖2 極板智能化轉運及質檢系統(tǒng)工藝配置

3.4 電控系統(tǒng)

電控系統(tǒng)主要完成整個系統(tǒng)中輸送及檢測設備的控制任務，向上連接物流上位計算機系統(tǒng)，接受極板的輸送指令；向下連接輸送及檢測設備實現(xiàn)底層輸送設備的驅動、極板的檢測與識別，完成極板轉送的過程控制及信息的傳遞；橫向完成其他單機系統(tǒng)的控制集成。此外還提供內容豐富、形象直觀的人機界面、安全保護措施和多種操作模式，輔助作業(yè)人員進行設備操作和維護。

控制網絡采用PROFINET工業(yè)以太網網絡進行架構［2］，以西門子1500系列PLC作為主控制器，將系統(tǒng)設備進行統(tǒng)一控制、有序結合。系統(tǒng)核心設備驅動器、I/O、現(xiàn)場操作員終端、識別設備及單機控制系統(tǒng)等，通過本地PROFINET交換機接入系統(tǒng)PROFINET網絡；電控系統(tǒng)提供專用的接口與上層計算機進行連接，通過以太網TCP/IP Socket協(xié)議進行通訊；PLC控制器向上連接上位機及上層計算機系統(tǒng)，向下連接PROFINET網絡。

電控系統(tǒng)的網絡架構參見圖3。

圖3 電控系統(tǒng)網絡架構示意

3.5 智能物流倉儲管理系統(tǒng)

智能物流倉儲管理系統(tǒng)主要包含WMS（倉庫管理系統(tǒng)）和WCS（物流設備控制系統(tǒng)）。

系統(tǒng)開發(fā)架構采用通用的B/S開發(fā)方式；部署環(huán)境為Windows Server 2016 + SQL Server 2017 +IIS 8.5；開發(fā)工具采用Microsoft Visual Studio 2015，.Net Framework 4.6以及SQL Server 2017；開發(fā)語言為 C# / .net。

WMS倉庫管理系統(tǒng)具有入庫管理、出庫管理、庫存管理、輸送管理、位置管理、統(tǒng)計分析及基礎管理等功能模塊［3］，對極板立體庫房進行全面控制和優(yōu)化，提高倉儲的效能、準確性和配送處理能力。WMS 具備和ERP/MES系統(tǒng)的通訊能力，能夠與ERP/MES系統(tǒng)有效集成。

WCS物流設備控制系統(tǒng)處于中間控制層，對上與WMS倉庫管理系統(tǒng)業(yè)務集成，接受WMS系統(tǒng)的出入庫任務或用戶終端指令，對下協(xié)調各種設備之間的動作，并將作業(yè)命令傳達給下層設備，并適時監(jiān)控反饋信息［4］。

3.6 專機設備選型和研制

極板智能化轉運及質檢系統(tǒng)構建，要結合工藝配置進行全系統(tǒng)轉運輸送線設備和智能檢測設備的選型設計和研制。在重點做好研制各區(qū)域輸送線用鏈送機、提升機、翻轉機等基礎轉運裝置外，還需對一些專機設備進行細心選型和研制。

3.6.1 AGV叉車

設計選取AGV叉車替代原機組上下料人工叉車，完成陽極板立庫、電解機組、陰極銅立庫及殘極板貨架之間的極板轉運及上下料。AGV導引采用激光導引AGV系統(tǒng)，AGV管理、監(jiān)控主機與AGV車載控制器之間的通訊采用無線局域網的通訊方式［5］。

3.6.2 三維視覺檢測系統(tǒng)

三維視覺檢測內容包含陽極板、陰極銅物理規(guī)格及ISA不銹鋼陰極板形變量；三維視覺檢測系統(tǒng)包含軟硬件兩部分，其硬件主要由三維掃描相機及工控計算機組成，軟件為工業(yè)相機視覺軟件。

基于高級語言開發(fā)的圖像處理軟件開發(fā)和應用授權安裝在工控機上，具有與PLC的數(shù)據通信功能和I/O信號的接口。

3.6.3 機械手

陽極板下料、整形加工、碼垛，陰極銅不合格品分離、配重等工序均設計采用特定功能機械手，機械手備有profibus總線接口卡，可與主輸送線PLC系統(tǒng)進行通訊。

機械手選型時要綜合考慮工作行程、負載、速度、精度及環(huán)境等多方面的要求。并結合極板的重量、物理規(guī)格及表面特性配套設計相應的夾具、抱具及吸盤架等機械手臂輔助設施。

3.7 配套專業(yè)設計施工

要完整實現(xiàn)極板智能化轉運及質檢功能，除了要設計配置極板轉運及質檢系統(tǒng)全流程運輸及質檢設備軟硬件設施外，還必須進行相關土建、給排水、暖通、電力、通信、視頻監(jiān)控等專業(yè)設計施工，尤其要合理安排好立體庫房、跨車間通廊、設備基礎等方面的土建對接施工。

4 結論

智能制造是未來的先進制造模式之一，是近年提出并得到不斷發(fā)展的制造技術［6］。銅冶煉行業(yè)工藝路線一般比較繁雜，過程中存在大量中間物料及產品轉運及質檢任務，融合自動化物料輸送機組、智能物流及倉儲管理、三維視覺檢測等不同層次功能模塊進行系統(tǒng)構建方案設計，對特定功能設備進行優(yōu)化選型及研制，能夠有效建立智能化物料轉運及質量檢測系統(tǒng)，提升工廠智能化管控水平，夯實智能制造基礎，實現(xiàn)降本增效、改善作業(yè)環(huán)境、增強可持續(xù)發(fā)展的潛動力。