（机械电子工程专业论文）基于工业机器人的钢铁样品自动处理系统研究.pdf

摘要 随着当前钢铁生产的发展，钢铁冶炼技术正朝着高效、优质、低耗的方面 发展，从而要求对炼钢全过程进行复杂的、快速的过程分析。要求在几分钟内 得到分析结果。传统的分析检测方法已经无法适应生产的快节奏，钢铁分析检 测自动化水平已经成为先进钢铁生产企业必不可少的技术手段。因此钢铁行业 急需一种自动化程度高的样品处理分析系统。 本文以样品自动处理系统为研究对象，在分析样品处理工业流程及控制需 求的基础上，运用工业机器人、可编程控制器及工业组态软件等硬软件平台， 设计开发了样品处理的现场过程控制系统。为实现样品自动处理系统的信息集 成及可靠运行，本文着重研究了西门子系列工控产品的通讯机制、上位计算机 监控及总体过程控制、工业机器人控制等关键技术。完成了基于w i n c c 、r a p i d 等开发平台的上位监控程序及机器人控制程序的设计、开发与调试，实现了控 制系统过程控制、信息集成、过程参数设定、历史数据管理及故障报警等功能。 现场调试运行表明，本文设计的基于工业机器人的样品自动处理系统达到 了预期的功能要求，具有较好的可靠性和实用性，满足了现场生产的要求。 关键词：全自动样品处理工业机器人可编程控制器过程控制 a b s tr a c t i r o na n ds t e e ls m e l t i n gt e c h n o l o g yi sm o v i n gi nh i g he f f i c i e n c y ，h i g h q u a l i t y , l o wc o n s u m p t i o nw i t hc u r r e n td e v e l o p m e n to fs t e e lp r o d u c t i o n t h i sr e q u i r e s c o m p l e x 、r a p i dp r o c e s sa n a l y s i sd u r i n gt h ee n t i r ep r o c e s so fs t e e l - m a k i n g ，g e tt h e a n a l y s i sr e s u l t sw i t h i naf e wm i n u t e s t h et r a d i t i o n a la n a l y s i so ft e s tm e t h o d sh a v e b e e nu n a b l et oa d a p tt of a s t p a c e dp r o d u c t i o n ，t h ea u t o m a t i o no fa n a l y s i sa n d t e s t i n gf o rs t e e lp r o d u c t i o nh a sb e c o m ea ni n d i s p e n s a b l em e a n so fi r o na n ds t e e l p r o d u c t i o ne n t e r p r i s e s t h e r e f o r e ，ah i g hd e g r e eo fa u t o m a t i o no fs a m p l eh a n d l i n g a n a l y s i ss y s t e mi su r g e n tn e e di ns t e e li n d u s t r y f u l l ya u t o m a t i o ns a m p l eh a n d l i n ga n a l y s i ss y s t e mw a sc h o s ef o rt h eo b j e c to f s t u d yi nt h i sd i s s e r t a t i o n s a m p l eh a n d l i n gp r o c e s sc o n t r o ls y s t e mw a sd e v e l o p e d b a s e do ni n d u s t r yr o b o t ，p l c ，c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，o t h e ri n d u s t r i a lh a r d w a r e a n ds o f t w a r e p l a t f o r m a f t e r a n a l y z e d t h e p r o d u c t i o np r o c e s s a n dc o n t r o l r e q u i r e m e n t s f o ra c h i e v e di n f o r m a t i o n si n t e g r a t i o na n de n s u r i n gt h es y s t e m r e l i a b l e r u n n i n g ，t h ec o n t r o lp r o d u c to fs i e m e n s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ， h o s tc o m p u t e rm o n i t o r i n ga n dc o n t r o lo ft h eo v e r a l lp r o c e s s ，i n d u s t r i a lr o b o t c o n t r o lo fk e yt e c h n o l o g i e sw e r ep u te m p h a s i so nr e s e a r c h t h em o n i t o r i n g p r o c e d u r e sf o rt h ep ca n dh m lw e r ed e v e l o p e db a s e do i lt h ec o m p l e t i o no ft h e w i n c c ，r a p i dd e v e l o p m e n tt o o l ，w h i c hr e a l i z e dp r o c e s sc o n t r o l ，i n f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n ，p r o c e s sp a r a m e t e r ss e t t i n g ，h i s t o r i c a ld a t am a n a g e m e n ta n di n t e l l i g e n t f a u l ta l a r m ，a n do t h e rf u n c t i o n s d e b u g g i n ga t t h es c e n ei n d i c a t e dt h a tt h ed e s i g no ft h e f u l l ya u t o m a t i o n s a m p l eh a n d l i n ga n a l y s i ss y s t e ma c h i e v e dt h ee x p e c t e df u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ， h a sg o o dr e l i a b i l i t ya n da v a i l a b i l i t yt om e e tt h er e q u i r e m e n t so ft h ep r o d u c t i o na t t h es e e n e k e yw o r d s ：f u l l ya u t o m a t i o ns a m p l eh a n d l i n g ，i n d u s t r i a lr o b o t ，p l c ，p r o c e s s c o n t r o l i i 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本 声明的法律后果由本人承担。 作者繇咏怍彳 吼讼修j 月m 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手 段保存和汇编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本论文 收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服 务。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密毗 ( 请在以上相应方框内打“4 ) 作者签名： 导师签名： 日期：口年f 月加日 日期：加c ，p 年月勿日 第一章绪论弟一早珀1 = 匕 1 1 选题背景及课题提出 钢铁工业是我国国民经济的重要基础产业之一，也是我国经济水平和综合 国力的重要标志，钢铁工业的冶炼水平也是衡量一个国家工业化的标志。当 前钢铁生产的表现为日益高速化、大型化和连续化，而钢铁冶炼技术正朝着高 效、优质、低耗的方面发展。应用各种炼钢技术后，使钢铁冶炼时间缩短到几 十分钟，要求钢铁企业从铁水预处理到连铸全过程进行复杂和快速的过程分 析，并且在几分钟内得到分析结果，来提高所冶炼钢种的质量，使能量、时间 和原材料的消耗达到最优化心1 。因此传统的分析检测方法已经无法适应当前钢 铁生产的快速发展，提高钢铁分析检测的自动化水平已经成为当今世乔先进钢 铁生产企业不可或缺的手段。在这样的技术背景要求下，钢铁快速分析技术发 展迅速。 目前国外的先进钢铁企业为了提高钢铁分析检测的自动化水平，已经投入 了大量资金和力量。先进钢铁企业在尽可能采用高精度、高稳定、快速化以及 自动化的光、机、电、计算机一体化大型精密仪器的同时，在分析检测流程的 每个环节都大量配备了自动化的取样、制样和分析装置，建立了现代化的快 速自动化分析实验室。目前，西欧国家在自动化钢铁样品仪器系统的设计方面 发展速度较快，并且具有高性能、高精度、无人化等特点。国际上生产钢铁制 样处理系统及分析仪器的厂家主要有德国h e r z o g 、德国的p f a f f 、瑞士t h e r m o s c i e n t i f i c 、荷- 兰- - p h i l i p s 等。 与传统的分析实验室相比，为了满足炼钢工业生产过程控制的要求，现代 自动化实验室要求从发送样品、样品接收与样品的分配、样品表面制备处理、 样品分析、分析结果发送等一系列过程的都实行自动化处理，实现实验室的全 自动化无人操作聆。 目前样品处理实验室的分析朝着两个方向发展：第一，向高精尖技术发展， 不断推出新的分析方法，促进了仪器分析技术的发展，同时新的分析仪器不断 地被开发出来，现有的仪器也不断地更新发展。第二，向实验室发展，尤其是 工业化实验室朝智能化、无人管理方向发展，满足了大工业化生产对实验室分 析数据高度可靠、快速的要求h 1 。与此同时，科技的迅猛发展使人们对钢铁样品 处理实验室的认识也由浅到深。钢铁样品处理实验室由最初期的手工操作进行 各种简单的物理性能测试以及基本的化学分析，逐渐发展到仪器分析来替代一 部分人工操作，以及发展到现在的部分仪器智能化甚至某些大规模实验室的整 体智能化，实现了实验室无人操作，充分的满足了现代化的大生产对钢铁生产 过程控制要求，满足了对钢铁样品分析的快速、高可靠性要求，最大限度地提 高钢铁企业的生产效率。 钢铁样品快速分析实验室从2 0 世纪的8 0 年代开始到现在，经历了以下几 个阶段：样品能自动发送到实验室到实现实验室样品自动分析再到实现现 场样品与发送分析结果的全自动无人操作系统等。自1 9 8 6 年瑞士的t h e r o s c i e n t i f i c 公司推出全世界第一套自动光谱分析系统以来，钢铁样品分析自动化 得到了迅速发展。目前处理钢铁样品的工业快速实验室主要分为三类：f 1 ) 炉 前快速分析实验室，结构很紧凑。分析速度晟快：( 2 ) 中心实验室，钢铁样品 从炼钢炉前自动发到实验室，人工将样品放入自动分析系统；( 3 ) 全自动的中 心实验室，样品从炉前自动发到实验室，自动分配样品自动分析。 钢铁工业的样品分析量大r 随着品种钢检测要求的不断提高，对检测下限、 化学成分分析精度和准确度要求越来越高，而且必须严格控制生产成本。目前 实验室的全自动化无人操作模式分为样品线性传输模式和工业机器人取样分 配两种方式。 线性传输模式利用传输带将送到实验室的样品传送厦分配到相应的制样 及分析设备。每个接收站内部需要配有专门的丌盖机械手，传输带一次处理一 个样品。 图卜i 线性传输解决方案 工业机器人模式以工业机器人机械手底座中心为圆心，在运动半径内配置 制样和分析设备，在样品处理速度、可靠性、样品同时处理和制备能力等方面 有最大的灵活性及最快的速度。 圈1 - 2 工业机器人解决方案 将机器人应用于快速自动化分析系统具有如下优点； ( 1 ) 提高工作效率，加快样品处理和分析结果的传送 传统的钢铁企业非自动分析系统中，需要安排6 到8 个人完成分析室的样品 处理_ t 作，设备分散，效率低且样品处理不及时。线性传输方案传输带需要往 返运动，比较费时【日j 。采用工业机器人的处理系统样品分配时间快，传递样品 的时问小于1 0 秒，效率比线性方案商，样品从发送到结果接收在3 分钟之内。减 少了人工作样时的延报，节省了冶炼成本。 ( 2 ) 工作可靠，样品处理能力强 工业机器人工作可靠，选用成熟的工业机器人产品，经过二次开发应用于系 统中。分析系统中可以修改机器人程序或更改机器人末端执行器来适应不同的 样品，可以将分析实验室中的所有样品处理设备集中到自动化系统中。 ( 3 ) 改善工人劳动条件和强度 分析系统每天需要处理豹样品数量非常多，钢，冶炼一个炉次的钢需要处理 的样品达几十个，每天需要处理的样品有上千，各个样品采用的制备和分析方 法不一致，采用手工分析时工人需要在设备和分析仪器之日j 往返工作繁重单 调。机器人的应用将工人从繁重、革调的工作中解脱出来。 在本课题研究中以a b b 公司 r b 2 4 0 0 l 六自山度工业机器人本体和控制器为 基础- 以炼钢自动化样品处理实验室样品传递作业为主要应用对象通过对样 品形状和处理方式的研究，合理设计机器人控制系统结构及硬件平台体系，对 控个系统功能设汁及软件进行丌发，最终使得机器人做较小的改动将其廊用于 自动化快速分析系统中。 1 2 国内外钢铁样品快速自动化分析技术应用发展状况 1 2 1 国内外分析技术发展状况 钢铁快速分析技术从上世纪8 0 年代开始迅速发展，在国外经历了几个阶段。 第一阶段，样品能自动发送到实验室，样品在实验室人工处理，手动分析。 样品号可以在现场由工人进行注册，然后经过风动送样系统达到分析实验室， 由人工取样，再进行制备分析。 第二阶段，样品能自动发送到实验室，样品在实验室半自动处理，手动分析。 操作工人在现场注册样号，样品发送到达实验室后由接收站上的开盖机械手将 样品倒出，实验室操作人员再对样品进行处理。 第三阶段，样品能自动发送到实验室，样品在实验室半自动处理，自动分析。 是第二阶段的延伸，操作人员将接收站倒出的样品放到有自动装置的分析仪器， 避免了人工分析。该阶段典型的系统是由法国阿塞洛钢铁公司采用的“光谱分 析仪( a r l 4 4 6 0 ) 配备样品处理机械手( s m s 2 0 0 0 ) 配备制样设备 的自动分析 系统，人工将风动送样的样品放入制样设备进行加工，加工完毕的样品由样品 处理机械手送到分析仪进行处理。用一个机械手控制制样和光谱分析，速度快。 第四阶段，样品能自动发送到实验室，样品在实验室自动处理并自动分析， 分析结果自动发送到过程控制计算机，实现实验室的无人操作管理。自2 0 世纪 9 0 年代以来，国外的钢铁冶金企业开始广泛采用全自动分析设备作为冶炼过程 品质管理和控制的主要手段。典型的系统是德国h e r z o g 自动化公司开发的 p r e p m a s t e r 样品自动处理系统，该系统全程采用自动控制，采用“光谱分析仪 ( a r l 4 4 6 0 ) + 钢铁样品中心处理机械手( i r b 2 4 0 0 l ) + 制样设备+ 风动送样系统” 自动分析系统，机械手实现钢铁样品全过程的自动处理。 国内的钢铁冶金企业样品处理分析技术大体经历了以下两个阶段，少数现代 化的钢厂正向第三阶段发展拍一、7 1 。 第一阶段为1 9 7 0 年以前，在此阶段钢铁样品处理分析的技术相对比较落后， 冶炼的技术水平较低，所以对样品分析的要求也低。将分析实验室设在炉前争 取了一定的时间，由于基本靠人工送样，手动分析，所以这阶段一个试样分析 时间在1 2 分钟以上。 第二阶段为2 0 世纪7 0 年代初到9 0 年代初，国内的一些大中型钢铁企业先后从 国外引进了许多先进的冶炼技术和设备，同时也配套引进一些大型现代分析仪 器及制样设备等。这些钢铁企业广泛采用国外普遍使用的风动送样系统、快速 制样设备( 铣床、磨床) 、直读光谱仪等一整套的先进设备来配合生产，一个 钢铁样品分析的时间缩短到8 分钟之内。用这些仪器和设备来配合炼钢生产能快 速、准确的得到分析结果，同时能大量节省人力、改善工人劳动强度等优点， 4 为钢厂带来了非常明显的经济效益。 第三阶段自2 0 世纪9 0 年代以来，我国钢铁企业为求得自身的发展，不断采用 现代冶炼技术和新设备，逐步实现生产的自动化，生产过程的连续化，为此迫 切需要建立自动化的样品处理分析实验室。自动化样品处理分析实验室采用工 业机器人拿取样品，并配以自动化的样品处理和分析设备，一个试样的分析时 间缩短到3 至4 分钟。国内钢铁企业自1 9 9 4 年宝钢三期电炉引进钢铁样品全自动 分析系统并成功运行后，逐步进入了全自动分析时代。 1 2 2 工业机器人概述 工业机器人是一种能模仿人的某些动作和控制功能，并按照可变的预定程 序、轨迹和其他要求，操纵工具实现多种操作的自动化机械系统。机器人的应 用使现代制造产业产生了巨大的变革，在改变传统生产模式、全面提高企业的 综合竞争力方面具有重大的作用n 。机器人技术应用日益广泛，它是一门综合 了计算机技术、控制论、信息和传感技术、人工智能、机构学及仿生学等多学 科而形成的高新技术凹1 。 按结构形式可将机器人分为关节型机器人和非关节型机器人。在相同体积 条件下关节型结构的机器人比非关节型结构机器人具有大得多的相对空间和 绝对空间。关节型机器人的机械本体部分一般是由各种关节串接起若干连杆组 成的开链式机构，最常用的机器人关节有两种形式：旋转关节和移动关节。每 个移动关节和旋转关节都具有一个自由度，机器人的关节数就等于它的自由度 数1 。 i r b 2 4 0 0 l 工业机器人由机器人本体、控制器和软件三部分组成。机械结 构、传动装置及驱动装置构成了机器人本体，本体具有与人手臂相似的动作功 能，能在空问抓放物体或进行其它操作；机器人控制系统则用来控制工业机器 人在工作空间中的运动位置、轨迹及操作顺序等，它是机器人的运动指挥系统， 控制系统主要由硬件和软件两个部分组成n 引。基本结构如图1 3 所示： 编制控制程序 执行程序 荚肖位鬣、 速发、胁遮发辩i 砭作用 图1 - 3 机器人控制系统基本结构 5 1 2 2 1 机器人的硬件结构 机器人的硬件结构由本体、控制柜和示教器等部分组成如图1 - 4 所示。 机器人本体由六个旋转关节构成：腰关节a 1 、臂关节a 2 、臂关节a 3 和腕关 节a 4 、a 5 、a 6 。番个关节都由交流伺服电机独立驱动，在每个电机后均有编 码嚣，每个转轴都有一个齿轮箱，其运动的精度可以达到o 0 5 毫米至02 毫 米。工业机器人的每个关节都实现了一个自由度，机器人的位置由腰关节a 1 、 臂关节a 2 、臂关节a 3 确定，腕关节a 4 、a 5 、a 6 确定了机器人在工作空间 的姿态。机器人各旋转关节的运动范围受到机械结构的限制，一般都不能实现 3 6 0 。转动，各个关节的运动范围共同作用决定了机器人的运动范围“。 机器人控制柜 机器人本体 【示教器卜_ | k 赢 i 机械机构| 由豳 一编码器 旧服电机1 图1 4 机器人硬件结构 罄 。一礁墨潋 蘑警署”6 1 t 弋!一 k 一。 图1 5 机器人本体及运动范用 转动轴类型活动范围 轴1 腰关节+ 18 0 。到一18 0 。 轴2 大臂关节 + 110 。到一110 。 轴3 小臂关节+ 6 5 。到一6 0 。 轴4 腕关节 + 18 5 。至0 18 5 。 轴5 弯曲腕关节 + 1 15 。到一115 。 轴6 旋转关节+ 4 0 0 。到一4 0 0 。( 无限 制) 表1 1 机械手关节运动范围 机器人的控制柜中包含了用于控制机器人本体和一些外围设备的电 子元件，能提供全面的控制指令。控制柜由四大系统构成：分别为计算 机控制系统、伺服驱动系统、输入输出( i o ) 接口及示教器。其中计算 机控制系统的核心是机器人控制，机器人在运动过程中要求计算机控制 系统随时响应随机发生的多种动作，如数据传输、方式切换等，因此需 要采用具有实时中断控制与多任务处理功能的专用计算机控制系统构成 机器人的计算机控制系统3 1 。 1 2 2 2 工业机器人的控制方式 工业机器人所执行的任务决定了其控制结构，为适应不同类型的机 器人，发展了不同的控制综合方法。机器人控制系统的主要任务是运动 控制1 ，按照不同的运动控制方式，将机器人控制分为位置控制、速度 控制、力控制三类。工业机器人虽然控制方式有多种多样，种类也繁多， 但根据作业任务的不同分为以下两种： ( 1 ) 点位控制方式( p o i n tt op o i n tc o n t r o l ，p t p 控制) 该方式的特点是只控制工业机器人末端执行器在作业空间中某些规 定的离散点上的位姿。点位控制对达到目标点的运动轨迹( 包括移动的 路径和运动的姿态) 则不作规定，只要求工业机器人快速、准确地实现 起始点与目标点之间的运动。由于这种运动控制方式控制简单，运动速 度较快，该方式的主要技术指标是定位精度和运动所需的时间，因此常 被用在上下料、搬运、点焊等要求目标点位置准确的作用中。 ( 2 ) 连续轨迹控制方式( c o n t i l 3 u o u sp a t hc o n t r o l ，c p 控制) 连续轨迹控制方式的特点是连续地控制工业机器人末端执行器在作 业空间中的位姿，要求工业机器人木端执行器严格按照预定的轨迹和速 度在一定的精度要求内运动，而且速度可控，轨迹光滑且运动平稳。但 该方式需要通过各种查补运算进行多轴脉冲的同时分配，协调控制，控 制相对复杂。这种控制方式的主要技术指标是工业机器人末端执行器位 7 姿的轨迹跟踪精度及平稳性，通常应用在喷漆、弧焊、去毛边及检测作 业中15 1 。 目前，大部分机器人的控制系统在设计时均采用两者的综合运动控 制方式，并且对机器人动作进行描述和控制通过相应的机器人编程语言 来实现。 1 3 本课题主要研究内容和目标 本文基于工业机器人在快速自动化分析实验室样品处理过程中的应 用，以及国外先进实验室自动化样品传送、制备、分析系统的分析和研 究，结合国内先进钢铁企业快速分析实验室运行的具体情况，采用6 自 由度工业机器人构成样品自动化传送系统和样品自动化制备分配系统， 并根据现场生产要求设计和改进基于现场总线的样品处理控制系统。 本文拟进行以下研究内容来实现上述确定的目标： ( 1 ) 机器人样品处理系统的总体设计 总结并借鉴国内外样品处理系统设计的成功经验，以首钢迁安钢厂 样品处理系统为实例，根据实际生产要求，进行设备配置，并合理设置 各项参数，改进和完善钢铁样品自动处理系统的总体设计。 ( 2 ) 基于p r o f i b u s d p 现场总线的控制系统的开发及w i n c c 监控 技术的开发 根据系统的功能，设计控制程序。采用w i n c c 软件开发符合样品处 理流程工艺的人机界面，便于对生产过程的监控及对生产的管理。 ( 3 ) 机器人控制系统研究 就工业机器人的特点，提出工业机器人在系统中的控制方案，并且 通过对机器人i o 的设置及机器人控制语言的研究，实现了与外围设备的 控制与联动。 1 4 本章小结 本章主要介绍了选题的背景和实现钢铁样品处理系统自动化的意 义，同时介绍了国内外钢铁样品处理技术的现状及工业机器人应用于本 课题中的优势。结合项目的要求，提出了课题研究内容和主要工作。 8 第二章钢铁样品自动处理系统总体设计 完整的自动化样品处理过程需要经过由风动送样系统、样品传输和 分配系统、样品制备系统、样品分析与数据处理系统、样品标记及存放 系统等组成的自动化实验室进行送样、传样、制样、分析、上传、样品 回收等工艺过程。自动化实验室机器人样品处理系统需要在以上各个系 统中采用自动化过程，实现样品处理自动化。 钢铁样品自动快速分析系统主要是对炼钢生产线上全部涉及到的需 要进行产品质量检测的工序点采取全自动样品成分分析，并将样品分析 结果准确、高效、快速、稳定地上传。在炼钢的过程中，由于炼钢炉前 各个工序点冶炼材料的要求不同，各工艺点需要进行分析的元素及取样 方法也不一样，因此在自动分析中需要同时处理多种不同形状和尺寸的 样品。冶炼现场包括铁水生产线和碳钢生产线，工艺先进，生产工序复 杂，所有生产工序的质量过程都要求自动分析中心对过程样品进行快速 准确的化学分析。样品种类繁多，形状多样，包括柱状样、椭圆样、圆 形样、双厚度样、炉渣及气体样品等，这要求样品处理系统能够区分各 样品的来源、形状及种类等信息，机器人末端执行器能够夹持不同形状 的样品到相应的样品制备设备中进行加工处理，实现整个自动化实验室 的风动送样系统和自动样品传输分配、制备系统的全面控制和管理，包 括样品的示踪。 2 1 样品处理系统工作流程分析 该钢厂自动分析中心主要用于完成炼铁、炼钢、精炼和连铸过程中 的铁样、钢样、渣样和棒样的检验任务。根据冶炼现场工艺流程，整个 炼钢过程从高炉出铁水开始，经前扒渣、铁水预处理、后扒渣、转炉、 炉外精炼、连铸、直至板坯送热轧，需要取样进行分析的冶炼站点有： 高炉铁水站、铁水倒罐站、脱硫站、转炉、真空脱气( rh ) 站、精炼( l f ) 站、吹氩( c a s ) 站、板坯连铸站等。转炉之前的冶炼过程中，主要 成分为铁水，铁样的制备工艺和分析仪器有特殊的要求，需要与钢样 分区制备和分析。 钢样和铁样采取分区传送。系统的工作流程图如图2 1 所示。 9 图2 1 系统工作流程图 样品在炼钢现场各个冶炼炉中取出，经过剪柄和去毛边处理后放入 样品传输盒中由风动送样管道送入分析中心。样品号码由工人在风送设 各样号输入终端上进行选择，到达分析中心的钢样样盒由1 、2 # 机器人取 出送到自动样品传送装置进样口开盖取样，样品经过调整到达传送装置 出样位，3 、4 # 机器人抓取样品，系统自动判别样品类型并选择相应的加 工程序对样品进行处理，然后3 、4 # 机器人将样品送到相对应的样品加工 设备进行制备，制备完的样品由3 、4 # 机器人送到相应分析仪器工作台上， 再由分析仪器的机械手将样品送到激发台进行元素分析，完成分析后的 样品由分析仪器的机械手放到传送带上进行回收，在自动标签打印机下 打印标签，最后到样品在存放架归档。整个样品处理系统除现场取样外， 完全上实现了全自动化。 2 2 样品自动处理系统的构成 机器人钢铁样品自动处理系统由风动送样系统、样品传输和分配系 统、样品制备系统、样品分析系统组成。风动送样系统由现场发送站和 实验室接收站及联接二者的管道组成。样品传输和分配系统由抓样机器 人、手动进样装置、渣样处理装置、样盒输出装置、自动样品传送装置、 样品机器人等构成：样品制备系统包括用于钢样及铁样表面处理的铣样 机、磨样机、切割铣样机，用于渣样制备的自动破碎机、自动研磨机和 自动压片机，用于气体分析样品制备的冲孔机等。样品分析系统包括直 读光谱仪、x 荧光光谱仪固体分析设备和碳硫分析仪、氧氮氢分析仪等气 体分析设备。 2 2 1 风动送样系统 风动送样设备是将样品由生产现场发送到全自动分析中心的基本设 备，风动送样设备类型较多，结构各不相同，性能也各异。目前国内各 钢铁企业采用的风动送样设备主要有以下三种方式8 1 9 1 ： 1 0 1 )单管正压送样系统 该系统依靠压缩空气的高压气体产生捱力，将样盒传送到实验室接 收站或炉前现场发送站，这种方式适台长距离送样。这种送样系统又分 为两种形式：第一种是一个接收站与一个发送站共用一条管道接收和发 送样盒的带一两点共管式；第二种为一个接收站与多个发送站对应， 发送站的管道通过转换器连接管道后工用一根管道进行样盒的发送和接 收传递的一带二或一带多共管式。 2 ) 单管负压送样系统 单管负压系统主要通过罗获风机使管道内处于负压状态，把样盒吸 收到发送站或者接收站，这种方式适合于短距离样品传送。 3 )单管正负压联合送样系统 这种系统通过罗茨风机将样盒吸收到一半的距离后通过转换截止 阀和送气阀，再用压缩空气将样盒推送到接收站或发送站，这种方式适 合于特长距离送样。 本全自动分析中心采用的是一带一单管正压风动送样系统，以压缩 空气为动力源控制系统气流的大小，样盒速度可以达到2 0 m s ；以西门予 s 7 3 0 0 和s 7 - 2 0 0p l g 为核心组件对系统的发送和接收过程进行程序控 制将样品发送到全自动分析中心接收站。在自动运行模式下通过在发 送站终端注册样号，样品处理系统上位机接收样品信息并能自动进行示 踪实现对系统运行的动态监控。 该系统的主要设备包括：接收站、发送站、气控系统、截止阀、输 送管道、通信光纤及电缆、样盒等。其中在接收站和发送站中分别有电 气柜对设备进行控制，发送站配有样品注册终端，发送站和接收站通过 之间通过光纤进行通讯，为控制方便我们把位f 分析中心的接收站之间 通过p r o f i b us 铜轴电缆进行串联，发送站之问通过光纤串联，最后将所有 的发送站和接收站通过一个通讯模块进行连接。 愿 鼷。”鬻”学 扩霉 ! 图2 2 肌动送样接收站布局 絷 该系统共有14 套风动送样设备，其中8 套为钢样风送设备，6 套为铁样 风送设备。钢样和铁样风动送样系统采取分区传送，即钢样风送系统和 铁样风送系统各组成样品处理系统，分别配有工业机器人、样品传输和 分配系统、样品制备和分析系统，两者之间也能通过传送装置实现样品 制备和分析的互相备用。通过在风动送样系统上配置工业机器人等自动 化设备，并优化控制后的处理系统，其样品处理能力和速度远远超过了 传统的模式，目前已经成为快速分析系统的发展趋势。 2 2 2 抓样及样品分配机器人 在全自动化样品处理系统中，工业机器人作为自动化样品传送和分 配的主要部分，机器人主要完成样盒抓取、各种类型样品的传递、制样 设备自动进出样等工作，以取代繁琐的人工操作。工业机器人通过控制 系统保持与风动送样系统、自动样品传送单元、制样设备、分析设备的 随动与连锁，完成工业机器人的运动控制、制样设备监控及安全防护等。 工业机器人分为取样及样品分配机器人，取样机器人将风动送样系 统送过来的抓取，控制系统根据样品号码上的信息，将样盒送到相应的 样品传送装置进行处理。样品分配机器人再将传送装置上的样品分配到 程序规定的设备进行加工与分析。 工业机器人的选用依据为：根据风动送样系统中样盒的形状、样品 类型及重量确定机器人的负载能力和末端执行器的类型；根据风动送样 系统设备的间距和多少以及渣样处理系统中传送带的高度确定、制样设 备进出样位置确定机器人工作范围，若机器人工作范围不够，可以增加 机器人基座的高度及末端执行器的长度，以扩展机器人工作范围；最后， 根据样品分析要求及生产进度等技术性能要求设定机器人运动参数。 在本系统中，我们选用了a b b 公司i r b 2 4 0 0 l 型工业机器人为研究对 象心“2 。该型号机器人工作半径为1 8 0 5 m m ，负载最大1 6 k g ，其控制系统 采用工业计算机技术，基于w i n d o w s 操作系统，人机接口友好，编程、操 作、维护十分方便。采用模块化设计的控制器为i r c 5 ( i n d u s t r yr o b o t c o n t r o l l e r5 ) ，将各种功能进行了逻辑分割，最大程度地降低了模块间的 相互依赖性，具有完善的通信功能。同时该控制器采用了新型开放式系 统和便携式界面装置示教器；实现了维护工作量的最小性，具有高可靠 性，平均无故障工作时间达8 万小时。为了支持p c 机编程和系统配置功能， a b b 开发了r o b o ts t u d i oo n l i n e ( r s o l ) ，用户可使用a b b 的r a p i d 机器 人编程语言创建和编辑各种程序，也可直接从完整版r o b o ts t u d i o 规划和 模拟软件中提取程序，然后可将这些程序从p c 机中下载到控制模块中。 该软件工具可监视和记录各种事件、添加和配置各种i o 信号，完成后还 1 2 可备份到p c 机中，随后可使用示教器对各种程序进行微调和运行 2 23 样品传送装置单元 罔2 3 工业机器人奉体 在样品自动处理系统中，样品传送装置单元必不可少。样品传送装 置单元主要包括钢样传送装置、铁样传送装置、渣样倒出装置( 包括手 动出样装置) 、自动开盖器、针样出样装置、样杯存放架等“。 钢样传送装置与铁样传送装簧用于在机械手抓取样盒后，开启样盒 盖并将样品定向后传送到样品分配位置。在冶炼现场取样时，为了保证 取样质最以及分析的要求，需要用不同的取样器进行取样，因此样品形 状存在差异。钢样的类型分为椭圆样、厚薄样、棒样、针样等，铁样主 要是网样，在样品传送时需要特别设计传送装眢。 拶。擎窜 图2 - 4 样品形状 ( 1 ) 钢样及铁样倒出装簧 由于铁样为圆样，在设计上采用真空装：西! 直接从样盒中将样品吸出 来进行传送，这种方法快捷简单，只要求样品表面光滑平整就行。钢样 传送装置的设计较为复杂，山于各类样品尺寸差异较大，需要分别设计 棒样和厚薄样的传送装胃。为了防止机器人朱端夹持器央偏或空抓，两 者都采用带斜槽的分类器将样品分类传送，在进样位置及出样位置都装 有检测传感器用于检测样盒中样品是否倒出，样品是否达到出样位。为 保证样品方向一致，便于后续处理流程处理，传送链上装有样品纠直装 置。 图2 - 5 钢样传送装置结构囝 ( 2 ) 渣样倒出装簧 渣样倒出装箕由渣样倒出器、样杯、传输皮带等构成，由s i e m e n ss 7 p l c 对其动作进行控制。渣样倒出装鬣用于将抓样机器人取出的渣样倒 入专用样杯，然后再由抓样机器人将样杯送别传送带上传输到渣样制备 机中进行制样。当渣样制各机处于手动状态或维护时样品将由手动出 样口送出进行手动制备 4 2 24 样品制备系统 蝴盏鳃 样品在进行分析之前部需要进行制各，样品制籍系统包括用于钢样 及铁样表面处理的铣样机、瓣样机、切割铣样机，用于迸样制各的自动 破碎机、自动研磨机和自动压片机，用于气体分析样品制备的冲孔机等。 在生产之前，制样设各自动进样位置需要由人工通过工业机器人示教器 事先示教，各种类型的样品的位霄不一样，工作时机嚣人根掘控制系统 指令调用不同程序将相应类型的样品放在其事先教好的位置自动进行处 理。 ( i ) 表面处理设各“3 川 表面处理设备包括垒自动的铣样机、磨样机、切割铣样机，它们用 于对样品的表面进行铣削和磨削，以便于直读光i 和荧光仪分析。设备 央紧装置全部使用气动控制，最大程度的减少丁样品污染，设备动作山 s i e m e n ss 7p l c 自动控制，触摸屏控制面板可以根据样品处理需要进行程 序参数设篇! ，并且有袒9 量装罱测量样品的高度和直径。当样品由机器人 送入设备的工作位置时设蔷程序控制器根据样品信息调用程序对样品 进行处理。 铣样机处理的样品主要为钢样，形状包括圆形、椭圆形及厚薄样， 通过配置特殊的刀头和刀片可以处理铁样，样品铣削的深度屉大可以在 2 m m 制备时间小于3 0 秒：磨样机可以处理铁样和钢样，磨样深度擐大 为2 r a m ，采用2 0 0 m m 宽砂带分【适艋摆细磨可以防止不同钢种之间的污 染保证后续分析结粜的准确：切割铣样机以处理棒样为主根据生产 的需要先对捧样进行单次或双切割，然后对切割剌f 的样品进行铣削， 最大深度在2 m m 。 ( 2 ) 渣样处理设备 渣样处理设备包括破碎机、研磨机和压片机，三者按照独立的设备 设计，但也可以连接到自动取样系统、样品传输系统进行集成，完成样 品的破碎、研磨及压片，用于x r f 荧光仪分析。设备采取全封闭隔音制 造，只需要很少的手动干预和维护，采用s i c m e n ss 7p l c 自动控制，集成 在控制面板可以设置操作参数。 ( 3 )气体分析样品制备设备 冲孔机是用于气体分析样品制备的设备，设备对钢样冲孔后产生的 颗粒由真空装置及压缩空气传送到气体分析仪器，全过程自动完成。设 备内部有伺服马达控制的三轴样品传送系统，样品进入后需要经过喷砂、 高频加热、冲孔。 2 2 5 样品分析系统 样品分析系统包括进行钢样分析的直读光谱仪，用于铁样和渣样分 析的x 荧光光谱仪、气体分析的氧氮氢仪器等。这些仪器都配有样品处 理装置，能够将制样设备区传送过来的样品送到仪器激发台上进行元素 分析，并且能将分析完的样品送回制样设备区。 2 2 6 样品标记及存放系统 样品标记和存放系统包括用于样品回收的传送带及其附件、自动标 签打印机和样品溜槽。机械手将分析完的样品放到样品回收位置，传送 带上的传感器检测到样品后，电机驱动传送带，样品往自动标签打印机 方向传递，在自动标签打印机下的光栅传感器检测到样品后，传送带停 止前进，样品停在打印机下，控制系统向标签打印机发出指令，打印出 标签并贴在样品表面，贴完标签后传送带继续前进，直到样品到达溜槽。 当溜槽上的传感器检测到样品后整个过程结束，可以开始下一个样品的 标记和存放了。 2 3 样品自动处理系统整体布局设计 样品自动处理系统是一个由多种自动化设备、多环节组成的大型的、 复杂的自动化系统。为了充分发挥其最大的样品处理能力，设计过程中 需要对整个系统进行合理的规划和布局，主要包括各设备的设计、选型、 布置、水电气配置等。样品自动处理系统布局设计按如下步骤进行： ( 1 ) 根据样品处理的工作流程、物流方向及现场实际情况合理布置各设 备。步骤如下：根据风动送样接收站的位置、数量及机器人工作范围确 1 6 定机器人的位冠：根据设备进样位簧的高度决定机器人基座的高度：再 根据样品处理的要求机器人的位置及机器人未端执行器能达到的范围 确定制样设备、样品传送装簧、分析仪器等其它设备的拉置；最后进行 干涉校验、防止机器人运动过程中与其它设备发生千涉。 ( 2 ) 按照各设备功率及控制要求确定配线规格、数量：根据设备的具体 位置规划配线路径，尽量避免干扰源。 ( 3 ) 根据设备位置确定水电气位置的接口，要求合理布置、连接简单、 维护方便。 最后按照上面的步骤及布局设计，得到机器人样品自动处理系统的 布局鲡下： 图2 7 工业机器人样品处理系统布局图 2 31 系统整体功能描述 本系统用于将现场m 动送样系统的钢铁样品进行表面处理，分析化 学成分之后将分析的结果传送到冶炼现场。本系统中钢区风动送样系统 传送拍样和棒样，铁区风动送样系统传送圆形铁样，钢区和铁区的风动 送样系统能够相互备份，即钢区l 号风动送样设备出故障时2 号风动送 样能传送l 号的样品，并且系统能自动进行识别。 制样设备主要进行表面处理，一般情况f 表面处理的深度为06 m m 可以根据各种的特性调整表面处理的深度，虽丈表面处理深度可以达到 l5 m m 。钢区铣床处理样品的时问在4 0 秒以内。铁区样品处理时日j 在10 0 秒之内。 样品的传递由工业机器人和传送带进行，分柝完的样子全部出自动 标签打印机印上标签，以便于复检。整个样品处理的时间为：钢样不超 过1 8 0 秒，铁样不超过2 40 秒。 23 2 系统的设计改进 由于本系统采用了钢铁分区传送的措施，锕样和铁样的传输装置构 造存在差别因此位于现场的铜样与铁样风动送样设备之问无法进行相 互备份。为了使钢区与铁区的仪器与制样设备之m 实现各份，最大可能 保证系统稳定运行，系统设计时做了如下处理： l 钢区与铁区之间安装铣床，在铣床k 配备不同类型的刀头，一个 刀头用于处理钢区的钢样，另一个刀头用于处理铁医的铁样 图2 - 8 钢铁与铁样刀头 2 当系统同时处理的样品较多时，为了使现场急需得到分析结果的 样品进行优先处理，在样品机器人控制系统中设置了样品存放架，用于 存艘需要优先处理的样子。在样品机器人控制系统程序设计中编写程序 优先处理该存放架上的样品。 2 4 控制系统设计 图2 9 样品存放架 根据自动化实验室样品处理的工艺流程特点和设备在实验室的布 局，控制系统用程序控制设备的动作，并在人机界面上显示控制设备的 状态，具备完善的在线检测和自保报警功能。样品处理过程和异常故障 报警都能通过人机界面进行全程监控，确保样品制备和分析结果的稳定， 样品的处理流程和异常故障的位置等都可以清晰的在人机界面上显示出 来，方便设备检修和处理。整个系统控制和监测的主要内容和对象分类 如下： ( 1 )样品处理系统的控制、监测，包括：风动送样系统的控制， 工业机器人样品的抓取分配、制样设备及分析仪器的状态显示、紧急停 止位置显示、故障显示报警等。 ( 2 )实现样品处理生产线的手动和自动两种模式控制功能。自动 控制下可以实现样品处理过程的自动化和各个设备的自动运转，手动状 态下便于设备调整。 1 9 2 4 1 控制系统需求分析 基于样品自动处理系统工作流程的复