铜冶炼极板智能化转运及质检系统构建方案浅谈

饶有发

（江西铜业集团有限公司 贵溪冶炼厂，江西 贵溪 335424）

1 引言

江西铜业股份有限公司贵溪冶炼厂是中国第一家采用世界先进闪速熔炼技术、高浓度二氧化硫转化制酸技术、倾动炉、卡尔多炉杂铜冶炼技术和ISA（艾萨法）电解精炼技术的现代化炼铜工厂，也是世界首个单厂阴极铜产量超百万吨的炼铜工厂。

贵溪冶炼厂阴极铜生产主要工艺是先火法炼制粗铜阳极板，再电解精炼得到最终产品阴极铜。在熔炼车间及倾动炉车间经火法精炼和浇铸所得阳极板，要通过人工叉车转运至阳极板堆场进行堆存，再根据电解作业计划，由人工叉车转送至电解车间阳极整形机组接受端，经机组整形加工排距后，由行车吊装至电解槽进行电解精炼得到阴极铜和残极板，再经电铜洗涤机组和残极洗涤机组洗涤堆垛输出，最后经人工叉车转运至阴极铜堆场和残极板堆场，阴极铜在阴极铜堆场露天存储待销，残极板经叉车转运至熔炼车间及倾动炉车间返炉处理。

按目前年产阴极铜102.8万t粗略计算，贵冶每年需要中间人工叉车转运的极板（阳极板、阴极铜和残极板）数量巨大。仅二系统阳极板就有44.2万t，计110.6万块；阴极铜38万t，计15.2万垛（30块/垛）；残极6万t，计6.14万垛(18块/垛)。在生产和转运的中间环节，由人工检测阴极铜、阳极板物理规格。目前这一生产流程主要存在以下几个方面的问题：

转运方式粗放。熔炼和电解车间极板转运依靠人工叉车和平板车配合作业，存在效率低、能耗高、车辆尾气污染环境、阳极外观易冲撞变形等问题，也存在道路运输安全隐患。

检验方式落后。阴极铜、阳极板物理规格、ISA不锈钢阴极板变形量均依靠人工肉眼外观检测，阴极铜化学成分取样依靠手动钻床作业，存在检测效率低、检测精度差、漏项、检测结果难以统计和追溯等问题。

存储方式原始。阴极铜、阳极及残极板均地面露天堆放，雨季处置不当，会存在环保隐患，阴极铜外观质量也受影响。

统计方式落后。不能及时查明极板实时库存及质量等相关信息，难以及时准确地为生产调度、质检、物流、机动能源等部门提供车间生产现场管理信息，管理调度缺乏即时依据。

为有效解决上述问题，构建一个快速反应、精细管理的无人化、智能化中间物料及产品的转运、在线质检及仓储工艺流程，进一步降低生产成本、提高产品和服务质量，夯实智能工厂建设基础。本着稳步推进原则，2018年贵溪冶炼厂在工信部“铜冶炼智能工厂试点示范”项目中设立“江铜贵溪冶炼厂二系统极板智能化转运及质检系统”子项目，在行业内率先构建了铜冶炼极板智能化转运及质检系统，示范效果明显。

2 系统构建难点

系统功能多、工序繁杂。极板的转运过程需要完成自动取板、转接、称重、外形整修、码垛、钻孔取样、打包、跨车间输送、不合格品的分离、入库、出库、发货输出、喷码、扫码等众多工序功能，极板转运过程中还需完成在线质量自动检测功能。

系统运行要求高。阳极板、残极板及阴极铜为熔炼及电解工序的中间物料及产品，其产出过程紧密衔接熔炼阳极炉圆盘浇铸及电解机组工序作业，事关熔炼及电解全局工艺生产，要求转运及质检过程顺畅、高效、持续稳定，并能在线即时监控。

极板质量检测难度大。极板质量检测包含阴极铜物理规格检测和化学成分钻孔取样，阳极板物理规格检测以及ISA不锈钢板形变量检测等内容，存在检测数量大、周期短、精度要求高、在线实时、结果可追溯等困难。

仓储立库载重大。智能仓储广泛应用于包装、物流及零售等行业，但尚无应用于铜冶炼行业工艺流程的先例，冶炼重型极板仓储立库系统的构建无成熟经验可循。

设计施工难度大。设计要克服多专业协同，特定功能专机研制任务重，土建及机电仪等专业设施须对接原有生产系统，转运通道要跨车间厂房及厂区道路等诸多实际困难。立库厂房及运输通道的施工涉及原有厂房结构，总排水涉及变更地下管网，厂房施工要占用生产所需的极板堆存及转运场地，转运及检测设备安装调试须对接原有系统工艺设施，施工和生产过程交织。

3 系统架设方案

3.1 设计原则

本着立足现实，着眼长远，兼顾先进，节约投资的原则，为实现系统预定功能，设计遵循以下原则：

保持生产连续性。设计方案充分考虑减少项目施工过程可能的对原有生产系统的影响，设备设计选型考虑系统的长期稳定运行需要，在科学计算的基础上选用高性能设备，此外，系统核心功能要考虑应急处理预案，对系统软件均采用热备或负载均衡方式，实现系统生产的连续性。

系统可扩展性。用统一标准的系统接口、通信协议，使系统能兼容不同厂家的同类设备，同时又能适应未来新技术的发展。在系统设计中尽可能考虑选用符合国际国内标准的通用设备，为系统升级、扩展留有余地。

系统安全性。通过大量高性能传感器，对设备的运行状态进行全面监控，提前预警，预防维修；系统的信息安全等级保护符合国家标准；设计采用全流程自动化的转运设备及智能化的调度系统，使全系统实现无人化运转，从根本上解决人员安全性问题。

系统先进性。系统架构着眼长远的技术路线和发展规划，服务器及网络设备的选择在同领域内处于领先地位，转运及检测设备采用当今世界先进水平。

系统经济性。在确保系统功能实现和先进性基础上，通过科学合理的规划设计和资源配置调度，有效控制项目的投资费用和运行成本。

可维护性。在进行规划设计的同时，充分考虑系统运行可维护性，将系统的设计、建造、维护统一规划，以满足智能物流系统的要求；此外，搭建智能监控平台以满足日常维护的需求。

3.2 系统架设

系统主要包含极板转运及质量检测两方面的功能。在充分考虑现有生产设备及工艺流程等资源基础上，建设一个从阳极板取板下线到阴极铜发货出库的全流程智能化极板转运及质检系统。

系统架设的总体思路是：建立基于智能化立体库房的极板存储及转运系统，满足转运流程众多工序功能的需要，在极板转运出入库输送线适宜位置设置智能化在线质量检测装置，使阴极铜、阳极板及残极板过程转运及质量检测实现无人化智能化管控。

系统架设主要包括硬件及软件两部分。其中，硬件部分主要包括高层立体货架、巷道式堆垛机、机械手、打包机、翻转机、链式输送机、升降机、AGV叉车、及穿梭车（RGV）、三维视觉检测设备以及喷码扫码设备等；软件部分主要包括WMS（仓库管理系统）、WCS（物流设备控制系统）和PLC控制子系统等计算机管理与监控系统。在原机组操作排班室建设集中控制室，便于生产管理与监控信息系统结合［1］。系统总体结构参见图1。

图1 系统结构拓扑示意图

3.3 总图布局及工艺配置

总图布局立足于不破坏原有生产系统厂房、道路及工艺装备，在原二系统电解车间厂房南面阴、阳极板堆场及叉车转运场地新建通长的极板立库及AGV转运厂房，并新建300米长的跨熔炼车间主厂房及厂区道路的地下通廊，铺设RGV环形轨道，用于将阳极板垛从熔炼阳极炉圆盘浇铸区通过RGV转运至电解车间南面阳极板立体库房入口端。

工艺配置既要有利于新增系统功能的实现，又要衔接好原有生产工艺设施。将阳极板取板、称重、外形修整、堆垛、物理规格视觉检测、不合格品分离等设备紧接熔炼车间圆盘浇铸水槽输出端进行配置，通过称重及外形视觉检测，达标合格阳极板修整后经机械手码垛（6块/垛），并通过链送机、升降机、穿梭车（RGV）、堆垛机等转运至阳极板立库货位，不达标阳极板就地开路转出，另行回炉处理；为处理自外部市场购置的阳极板，在阳极板立库东侧另行配置一套阳极板转运及质检生产线；在电解机组叉车作业区，设计配置若干AGV叉车替代人工叉车完成电解工序阳极板上料、阴极铜垛及残极板垛下线作业；在阴极铜立库入库端配置阴极铜称重、配重、打包、钻孔取样等设备；在阴极铜剥片机组横送线适宜位置配置阴极铜及ISA不锈钢阴极板视觉检测设备，在剥片机组输出链送机中部配置不合格阴极铜分离输出机组；在残极洗涤机组末端出口位置增设残极打包装置，通过AGV叉车将残极板垛从打包位转运至立库内残极板存储货位。在转运及质量检测流程适宜环节配置喷码扫码设备，用于记录、存储极板生产及质量信息。

工艺配置方案参见图2。

图2 极板智能化转运及质检系统工艺配置

3.4 电控系统

电控系统主要完成整个系统中输送及检测设备的控制任务，向上连接物流上位计算机系统，接受极板的输送指令；向下连接输送及检测设备实现底层输送设备的驱动、极板的检测与识别，完成极板转送的过程控制及信息的传递；横向完成其他单机系统的控制集成。此外还提供内容丰富、形象直观的人机界面、安全保护措施和多种操作模式，辅助作业人员进行设备操作和维护。

控制网络采用PROFINET工业以太网网络进行架构［2］，以西门子1500系列PLC作为主控制器，将系统设备进行统一控制、有序结合。系统核心设备驱动器、I/O、现场操作员终端、识别设备及单机控制系统等，通过本地PROFINET交换机接入系统PROFINET网络；电控系统提供专用的接口与上层计算机进行连接，通过以太网TCP/IP Socket协议进行通讯；PLC控制器向上连接上位机及上层计算机系统，向下连接PROFINET网络。

电控系统的网络架构参见图3。

图3 电控系统网络架构示意

3.5 智能物流仓储管理系统

智能物流仓储管理系统主要包含WMS（仓库管理系统）和WCS（物流设备控制系统）。

系统开发架构采用通用的B/S开发方式；部署环境为Windows Server 2016 + SQL Server 2017 +IIS 8.5；开发工具采用Microsoft Visual Studio 2015，.Net Framework 4.6以及SQL Server 2017；开发语言为 C# / .net。

WMS仓库管理系统具有入库管理、出库管理、库存管理、输送管理、位置管理、统计分析及基础管理等功能模块［3］，对极板立体库房进行全面控制和优化，提高仓储的效能、准确性和配送处理能力。WMS 具备和ERP/MES系统的通讯能力，能够与ERP/MES系统有效集成。

WCS物流设备控制系统处于中间控制层，对上与WMS仓库管理系统业务集成，接受WMS系统的出入库任务或用户终端指令，对下协调各种设备之间的动作，并将作业命令传达给下层设备，并适时监控反馈信息［4］。

3.6 专机设备选型和研制

极板智能化转运及质检系统构建，要结合工艺配置进行全系统转运输送线设备和智能检测设备的选型设计和研制。在重点做好研制各区域输送线用链送机、提升机、翻转机等基础转运装置外，还需对一些专机设备进行细心选型和研制。

3.6.1 AGV叉车

设计选取AGV叉车替代原机组上下料人工叉车，完成阳极板立库、电解机组、阴极铜立库及残极板货架之间的极板转运及上下料。AGV导引采用激光导引AGV系统，AGV管理、监控主机与AGV车载控制器之间的通讯采用无线局域网的通讯方式［5］。

3.6.2 三维视觉检测系统

三维视觉检测内容包含阳极板、阴极铜物理规格及ISA不锈钢阴极板形变量；三维视觉检测系统包含软硬件两部分，其硬件主要由三维扫描相机及工控计算机组成，软件为工业相机视觉软件。

基于高级语言开发的图像处理软件开发和应用授权安装在工控机上，具有与PLC的数据通信功能和I/O信号的接口。

3.6.3 机械手

阳极板下料、整形加工、码垛，阴极铜不合格品分离、配重等工序均设计采用特定功能机械手，机械手备有profibus总线接口卡，可与主输送线PLC系统进行通讯。

机械手选型时要综合考虑工作行程、负载、速度、精度及环境等多方面的要求。并结合极板的重量、物理规格及表面特性配套设计相应的夹具、抱具及吸盘架等机械手臂辅助设施。

3.7 配套专业设计施工

要完整实现极板智能化转运及质检功能，除了要设计配置极板转运及质检系统全流程运输及质检设备软硬件设施外，还必须进行相关土建、给排水、暖通、电力、通信、视频监控等专业设计施工，尤其要合理安排好立体库房、跨车间通廊、设备基础等方面的土建对接施工。

4 结论

智能制造是未来的先进制造模式之一，是近年提出并得到不断发展的制造技术［6］。铜冶炼行业工艺路线一般比较繁杂，过程中存在大量中间物料及产品转运及质检任务，融合自动化物料输送机组、智能物流及仓储管理、三维视觉检测等不同层次功能模块进行系统构建方案设计，对特定功能设备进行优化选型及研制，能够有效建立智能化物料转运及质量检测系统，提升工厂智能化管控水平，夯实智能制造基础，实现降本增效、改善作业环境、增强可持续发展的潜动力。