摘要：介紹了應用于煉鋼化驗室的機器人自動分析系統，該系統采用先進的搬運機器人及智能控制系統實現了多種煉鋼樣品自動分配及自動分析功能，機器人自動抓取樣盒自動分配放置在相應的位置，再由伺服分配裝置傳遞到手動或自動分析區域，此技術方案高效且實用。自主集成了所有樣品全程自動跟蹤的信息管理系統，高效率地增加了煉鋼爐次，提高了分析樣品的速度及煉鋼的自動化程度。整個系統利于維護，并可擴展多種鋼樣的開發。
關鍵詞：機器人；化驗室；自動化；鋼樣
0引言
    隨著各行業技術水平的不斷提高，對鋼材質量和使用性能提出了更高的要求, 這也意味著對鋼水冶煉要求的提高,同時也是對化驗分析時間和分析數據的準確性、精度、元素種類等要求的提高。因為化驗室分析方式及部分分析設備仍延續20世紀80年代傳統手動分析方式，鋼水分析時間較長，而分析時間越長對鋼水冶煉的精度影響越大，因此，現在分析方式已無法滿足高端產品研發所需的生產工藝要求，主要存在以下三方面問題：（1）樣品分析時間不能完全滿足工藝要求。現有風動送樣經常出現等分析排隊現象，要保證每個樣品的分析時限和精度極其困難。（2）新品種的開發及工藝優化調整對分析精度、穩定性、元素種類等提出了更高的要求。（3）樣品量大，送樣編號差錯問題逐步增加。隨著樣品量增大，現場樣品的取樣條信息差錯增多；化驗分析人員接到分析樣品后首先需在計算機上手動輸入十多位數字的代碼，同時分析結果需進行抄錄，很難保證不出差錯，且每分析一個樣品都要核對十幾個元素，核對后將結果傳送到現場的同時需抄報表，既耽誤時間也容易產生錯誤。
    化驗室自動分析技術，在生產高端產品及新產品開發時起到了舉足輕重的作用。結合首鋼京唐鋼鐵聯合有限責任公司及遷安鋼鐵有限責任公司三期爐前化驗室建設經驗，首鋼總公司對化驗室進行自動化改造，成立研發課題小組，自己研發、設計和改造部分設備，增加部分主要進口制樣及分析設備，進行全自動分析系統整合。
    化驗室自動系統實現了從樣品現場自動選擇代碼發送到分析數據自動上傳，數據自動存儲歸檔，形成過程無人工干預的閉環控制，及時準確報出分析數據，減少了鋼水冶煉精調過程中等成分的時間，提高了鋼水冶煉效率。系統不僅實現了分析數據及時準確報出，并保證數據精度達到生產需要，而且便于實現與三級系統的數據通信，滿足企業質量體系的要求。
1硬件組成
   （1）樣品自動傳遞系統
    煉鋼自動分析技術從樣品發送、樣品接收、樣品處理、樣品分析、精度控制、樣品歸檔、分析結果發送等一系列過程實現自動化，具體功能通過風動送樣系統、樣品轉換系統、自動化樣品處理及分配系統、樣品分析系統、樣品標記及歸檔系統、自動控制及數據傳輸系統來實現。圖1所示為煉鋼實驗室自動分析系統整體布置圖。

圖1 煉鋼化驗室自動分析系統整體布置圖
    根據生產實際情況，自動分析技術中的風動送樣系統包括發送站、接收站、管道等，主要負責完成煉鋼系統爐前點位樣品的自動發送、傳輸及接收，樣品置于專門設計的樣品盒中，由壓縮空氣實現樣品盒從生產現場到快速分析實驗室之間的傳送。
   （2）樣品轉換系統
    根據首鋼爐前樣品實際形狀及尺寸要求，自動分析技術中共配置樣品轉換臺3臺，其中手工轉換臺2臺，自動轉換臺1臺，主要作用為完成接收到站樣品的釋放及定位工作，為制樣工序做好準備。
   （3）自動化樣品處理及分配系統
    自動化樣品處理及分配系統用于自動樣品制備和傳輸，根據來樣編碼自動識別及分配至相應的處理流程，主要裝置包括制樣設備、機器人、傳輸帶。共配置制樣設備2臺，自動線上銑樣機2臺，機器人3個。
   （4）樣品分析系統
    根據不同的樣品性質，自動分析技術樣品分析系統集成鋼鐵業先進的分析儀器共2臺，一臺為新引進，一臺為原有設備改造。
    （5）Vision可視系統、樣品標記及歸檔系統
     Vision可視系統、樣品標記及歸檔系統主要負責樣品分析前表面檢測及自動選取分析點、將分析完成后的樣品自動進行樣號打印、粘貼及分類歸檔，其主要裝置包括Vision可視系統1套、樣號打印機3臺、樣品歸檔裝置1套。
2 主要功能
   （1）多種類型樣品自動分析
    該系統為目前國內自主集成的第1套自動分析系統，可自動處理、分析鋼樣薄厚樣、鋼樣圓樣及鐵樣，自動分配針樣、渣樣、鐵樣的系統，為業內首創。
   （2）分析時間控制
    分析時間控制是有效指導煉鋼冶煉生產的必要條件。及時把分析數據傳遞到各崗位，崗位人員根據分析數據情況，及時調整和優化生產，從而保證冶煉成分能夠達到標準要求。另外，分析時間的控制對于擴大冶煉生產能力、工藝優化、新鋼種的開發、節約能源等均具有極為重要作用。
   （3）分析準確度控制
    可視系統自動選擇合格分析點，保證了分析時點的有效性，自動分析光譜儀進行了國家檢定和長期及短期精度測試，采用定期分析控樣以控制自動曲線標準化，2h進行一次類型標準化保證分析準確。在分析專家提供盲樣的情況下，其測量精度得到專家的肯定。
3 技術優勢
    首鋼自主設計并集成的自動分析系統為國內首個自動分析系統，突破了整個工藝過程中多項技術難點，包括機器人抓取不同樣品盒和樣品裝置；樣品翻轉設備保證機器人順利抓取樣品；樣盒的國產設計改造；通過管控系統實現一鍵式選擇代碼，保證樣品代碼的爐次、鋼種、工位、順序號等與樣品一一對應等，最終成功實現穩定自動樣品傳遞分析系統。對國內煉鐵煉鋼自動分析技術的功能創新、流程優化、精度提高等起到了顯著的推進和借鑒作用。
   （1）樣品自動傳遞系統
    樣品自動傳遞系統配有風動送樣接收設備，實現來樣報警燈提示，并在自動樣盒到達，風動送樣汽缸降下時將信號及樣品代碼信息傳送給2臺樣品傳遞的主機器人。3套樣品暫存設備及樣品翻轉設備由安川首鋼機器人有限公司設計制造完成，結合多樣化的樣品分析路線及備用樣品傳遞路線，保證樣品集中到達、類型復雜條件下仍能以最短時間完成自動分析。組建高速大容量通信網絡，實現各系統、各設備之間信息傳遞和系統對設備的控制，通過數據傳輸技術聯用，將分析數據第一時間傳遞給各崗位。
   （2）可靈活選擇的樣品分析流程
    系統合理利用化驗室現有空間及根據現場工位生產樣品多少和分析時間要求情況，將風動送樣接收設備分成兩個區域，并考慮系統中設備出現故障情況，制定多條樣品分析流程，保障自動分析系統運轉利用率。自動分析系統分為手工分析區及自動分析區：
1)手工分析區。機器人自動分配針樣、渣樣到指定位置，人工進行樣品在制樣設備及分析設備之間的傳遞工作。
2)自動分析區。鋼樣及鐵樣到達接收站后，通過機器人傳遞經自動銑樣機加工，至自動光譜分析儀進行分析，分析結束后分析數據經數據采集終端發至現場，同時樣品會自動傳送到打號機進行打號，最終進入樣品分檔臺存檔備查。
    傳送鏈故障時，所有樣品自動傳送到2#人工位，鋼樣人工注冊進入自動分析；中間轉盤故障時，左側樣品自動傳送到1#人工位，鋼樣人工注冊進入自動分析，右側樣品鋼樣自動進入分析系統，渣樣、氣體樣自動傳送到2#人工位；傳送鏈、中間轉盤同時故障時，左側樣品自動傳送到1#人工位，鋼樣人工注冊進入自動分析（因合理布局，注冊過程僅需15s），右側樣品自動傳送到2#人工位，鋼樣人工注冊進入自動分析。
   （3）樣品編碼規則創新
    在現有12位樣品編碼基礎上，結合現場實際情況需要并借鑒相關自動分析系統樣品編碼規則，自主創新了14位樣品編碼規則。同時對現場風動送樣發送站改造，加裝樣品代碼觸摸屏設備，在不改變現有操作流程的基礎上，由主控人員在管控系統中建立計劃單，系統自動將相應處理爐次號、鋼種類型等信息上傳到觸摸屏顯示，現場操作人員只需在觸摸屏上選擇樣品對應爐次號、樣品順序號、樣品類型（鋼種信息自動生成）。因操作過程同原操作流程相同，通過實際生產統計，現場操作人員經過2周使用均能熟練掌握，且同質檢站自動系統相比節省了計劃單建立人員，減輕了勞動強度。此編碼規則在方便掌握同時完全滿足自動系統生產要求，實現了從鐵樣入廠、脫硫、煉鋼、精煉、連鑄整個過程鋼樣及渣樣樣品發送、接收、制樣、快速分析、精度控制及結果發送等一系列過程的自動化處理。
   （4）國產樣品樣盒
    系統中使用的樣盒必須滿足在風動送樣管道中運行時不能開蓋，同時送入自動開蓋器后開蓋自如的要求。原使用樣盒無法滿足需求，且經過多次實驗證明，質檢站全自動分析中心使用的進口樣品樣盒不能直接應用在該項目中。原因是：質檢站全自動分析中心使用的進口樣盒，對風動送樣設備及運行管道要求非常高，必須使用與之相配套設備設施；煉鋼的風動送樣設備是在原有舊設備及原有管道基礎上設計的，管道與管道之間用法蘭連接，最大誤差2mm，精度無法達到國外進口樣盒的運行要求，進口樣盒在一煉鋼風動送樣管道中試運行，開蓋率高達80%以上，且樣盒表面有明顯的磨損，尺寸不符，沒有減震措施。如進行管道改造，費用將增加200萬以上，同時嚴重影響生產正常進行。經與多家廠家聯系，試制樣品，均不能滿足要求，主要體現在尺寸不符及盒蓋非正常打開。根據現場風動送樣設備、管道情況及實驗經驗，我們設計出新型樣盒，經試驗達到使用要求，已著手申請國家專利。廠家按照要求加工出改造后新樣盒送到化驗室進行實驗，每個樣盒經過2000多次使用后，新樣盒沒有出現運行中開蓋現象，同時能夠滿足自動開蓋器的使用要求，樣盒問題得以解決。
   （5）國產自動翻轉設備及自動傳送裝置
    與進口設備相比具有更好的靈活性及樣品通過率，該設備進樣口具有樣品檢測觸點，只有樣品和樣品代碼綁定導入后，此設備才將樣品及代碼傳遞給自動分析系統，避免了因誤操作造成系統停機或設備損壞等情況發生。樣品傳遞采用平滑鏈條，保證樣品在傳送過程中平穩、方向不變；并且在原有設計基礎上加裝增速裝置使樣品從進入翻轉設備到樣品到達自動分析系統機器人抓取位僅需4～5s，減少了樣品分析時間；增加樣品導向夾手防滑裝置，當樣品有少量毛刺時仍可導向成功；增加樣品進入取出翻轉設備檢測信號，保證了自動分析機器人抓取安全。在實際生產應用中，樣品自動翻轉設備經過上萬次運行，未出現卡樣現象。
   （6）自動系統實時監控及數據處理系統
    基于計算機基礎的系統設備實時監控系統及數據處理系統由安川首鋼機器人有限公司設計編制，其中監控系統實現了現場風動送樣設備來樣情況顯示，樣品在系統中各設備環節傳遞過程跟蹤，系統設備一鍵式控制啟停及當前設備狀態、現場觸摸屏當前代碼信息、計劃單下發情況、系統報警信息提示等功能，便于現場操作巡檢人員了解系統運行狀態和故障的及時處理，給系統穩定運行提供了保障；數據自動采集處理系統實現了現場觸摸屏選擇代碼信息接收編譯，將鋼種信息轉換成樣品分析路線傳輸指導系統操作，自動采集分析系統分析數據并進行自動修約、審核、上傳到現場管控系統及實驗室信息化管理系統LIMS、數據存儲歸檔等功能，杜絕了人為因素對生產影響。
4  投產運行情況
    煉鋼化驗室自動分析系統自2011年5月開始調試運行以來，經過技術人員和客戶現場人員共同努力，進行了設備調整、程序優化，系統正常運轉率從開始的70%達到現在的98.73%以上，系統狀態趨于穩定。
   （1）各系統單體設備
    對自動分析系統新增光譜儀進行了短期精度、長期精度測試，達到技術協議要求，并且在分析專家提供盲樣時，分析精度得到專家認可。對樣品自動傳送系統中自動開瓶器、中間轉盤、傳送鏈等設備進行連續測試，正常運轉率99.5%以上，樣品信息與打印樣條對應，樣品歸檔、自動選擇分析路線、機器人正常運轉等達到100%。對系統中安全裝置、報警裝置、安全鎖等進行測試，有效率100%。
   （2）樣品自動傳送系統時間
    分別對工位樣品傳送時間進行測試，從機器人抓取樣盒開始到樣品自動傳送到樣品規定位置截止，最短32s完成，最長43s完成，平均37.25s完成一個樣品的傳送，滿足設計要求。
   （3）自動系統分析時間及分析能力
    對自動分析系統鋼樣、鐵樣進行單個樣品兩點激發分析時間測試，從樣品到達化驗室開始到分析數據自動報出截止，工位樣品平均175s分析完成，達到技術協議要求。采用生產樣品自動傳送與測試樣品人工注冊方式相結合的方法進行分析能力強度測試，每小時可分析75個樣品，全天24h可分析1443個樣品，按每爐需分析鐵樣及鋼樣14個 樣品計算，全天可分析97爐，完全滿足高產需要。
5  結束語
自動分析系統具有如下優勢：
1）可靠性高。由于采用了自動制樣機、國產風動送樣系統、樣品傳送帶、樣品打號歸檔系統，并結合安川首鋼機器人有限公司整體實驗室設計，保證了樣品自動化傳輸、加工系統的高穩定性；采用MOTOMAN機器人，運行可靠性高，故障率低；采用進口自動分析設備，并與自動制樣系統成功對接。
2）兼容性好。自動分析系統可完成多種形態樣品的儀器分析方式，從樣品加工、傳輸、自動分析，有多種不同組合線路。
3）靈活性高。具有很大的靈活性，系統擴容簡單易行。
4）維修維護方便。高可靠性的自動分析系統加之維修、維護的方便、快捷，為自動系統的高效運行提供了保證。
5）處理速度快。與傳統的人工傳送相比，采用高效、高速的機器人，樣品處理能力和速度大大提高。
6）節約大量的人力成本。
    自動分析系統投入生產后，對首鋼向國際一流現代化鋼廠轉型具有一定的推進作用，完全能夠滿足生產高精尖端產品，對分析時間、精度、元素種類等要求和高產需要，給首鋼帶來了可觀的經濟效益。