銅冶煉極板智能化轉運及質檢系統構建方案淺談

饒有發

（江西銅業集團有限公司 貴溪冶煉廠，江西 貴溪 335424）

1 引言

江西銅業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）數量巨大。僅二系統陽極板就有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節，由人工檢測陰極銅、陽極板物理規格。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，存在效率低、能耗高、車輛尾氣污染環境、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，存在檢測效率低、檢測精度差、漏項、檢測結果難以統計和追溯等問題。

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，會存在環保隱患，陰極銅外觀質量也受影響。

統計方式落后。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極板智能化轉運及質檢系統”子項目，在行業內率先構建了銅冶煉極板智能化轉運及質檢系統，示范效果明顯。

2 系統構建難點

系統功能多、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，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、持續穩定，并能在線即時監控。

極板質量檢測難度大。極板質量檢測包含陰極銅物理規格檢測和化學成分鉆孔取樣，陽極板物理規格檢測以及ISA不銹鋼板形變量檢測等內容，存在檢測數量大、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，但尚無應用于銅冶煉行業工藝流程的先例，冶煉重型極板倉儲立庫系統的構建無成熟經驗可循。

設計施工難度大。設計要克服多專業協同，特定功能專機研制任務重，土建及機電儀等專業設施須對接原有生產系統，轉運通道要跨車間廠房及廠區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工藝設施，施工和生產過程交織。

3 系統架設方案

3.1 設計原則

本著立足現實，著眼長遠，兼顧先進，節約投資的原則，為實現系統預定功能，設計遵循以下原則：

保持生產連續性。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的影響，設備設計選型考慮系統的長期穩定運行需要，在科學計算的基礎上選用高性能設備，此外，系統核心功能要考慮應急處理預案，對系統軟件均采用熱備或負載均衡方式，實現系統生產的連續性。

系統可擴展性。用統一標準的系統接口、通信協議，使系統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展。在系統設計中盡可能考慮選用符合國際國內標準的通用設備，為系統升級、擴展留有余地。

系統安全性。通過大量高性能傳感器，對設備的運行狀態進行全面監控，提前預警，預防維修；系統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，使全系統實現無人化運轉，從根本上解決人員安全性問題。

系統先進性。系統架構著眼長遠的技術路線和發展規劃，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。

系統經濟性。在確保系統功能實現和先進性基礎上，通過科學合理的規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。在進行規劃設計的同時，充分考慮系統運行可維護性，將系統的設計、建造、維護統一規劃，以滿足智能物流系統的要求；此外，搭建智能監控平臺以滿足日常維護的需求。

3.2 系統架設

系統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貨出庫的全流程智能化極板轉運及質檢系統。

系統架設的總體思路是：建立基于智能化立體庫房的極板存儲及轉運系統，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無人化智能化管控。

系統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）、WCS（物流設備控制系統）和PLC控制子系統等計算機管理與監控系統。在原機組操作排班室建設集中控制室，便于生產管理與監控信息系統結合［1］。系統總體結構參見圖1。

圖1 系統結構拓撲示意圖

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廠房、道路及工藝裝備，在原二系統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道路的地下通廊，鋪設RGV環形軌道，用于將陽極板垛從熔煉陽極爐圓盤澆鑄區通過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功能的實現，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區，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；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節配置噴碼掃碼設備，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工藝配置

3.4 電控系統

電控系統主要完成整個系統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，接受極板的輸送指令；向下連接輸送及檢測設備實現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，輔助作業人員進行設備操作和維護。

控制網絡采用PROFINET工業以太網網絡進行架構［2］，以西門子1500系列PLC作為主控制器，將系統設備進行統一控制、有序結合。系統核心設備驅動器、I/O、現場操作員終端、識別設備及單機控制系統等，通過本地PROFINET交換機接入系統PROFINET網絡；電控系統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協議進行通訊；PLC控制器向上連接上位機及上層計算機系統，向下連接PROFINET網絡。

電控系統的網絡架構參見圖3。

圖3 電控系統網絡架構示意

3.5 智能物流倉儲管理系統

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

系統開發架構采用通用的B/S開發方式；部署環境為Windows Server 2016 + SQL Server 2017 +IIS 8.5；開發工具采用Microsoft Visual Studio 2015，.Net Framework 4.6以及SQL Server 2017；開發語言為 C# / .net。

WMS倉庫管理系統具有入庫管理、出庫管理、庫存管理、輸送管理、位置管理、統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系統的通訊能力，能夠與ERP/MES系統有效集成。

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

3.6 專機設備選型和研制

極板智能化轉運及質檢系統構建，要結合工藝配置進行全系統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，AGV管理、監控主機與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

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

基于高級語言開發的圖像處理軟件開發和應用授權安裝在工控機上，具有與PLC的數據通信功能和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、精度及環境等多方面的要求。并結合極板的重量、物理規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 配套專業設計施工

要完整實現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、視頻監控等專業設計施工，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展的制造技術［6］。銅冶煉行業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構建方案設計，對特定功能設備進行優化選型及研制，能夠有效建立智能化物料轉運及質量檢測系統，提升工廠智能化管控水平，夯實智能制造基礎，實現降本增效、改善作業環境、增強可持續發展的潛動力。