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摘要：介绍了应用于炼钢化验室的机器人自动分析系统，该系统采用先进的搬运机器人及智能控制系统实现了多种炼钢样品自动分配及自动分析功能，机器人自动抓取样盒自动分配放置在相应的位置，再由伺服分配装置传递到手动或自动分析区域，此技术方案高效且实用。自主集成了所有样品全程自动跟踪的信息管理系统，高效率地增加了炼钢炉次，提高了分析样品的速度及炼钢的自动化程度。整个系统利于维护，并可扩展多种钢样的开发。
关键词：机器人；化验室；自动化；钢样
0引言
    随着各行业技术水平的不断提高，对钢材质量和使用性能提出了更高的要求, 这也意味着对钢水冶炼要求的提高,同时也是对化验分析时间和分析数据的准确性、精度、元素种类等要求的提高。因为化验室分析方式及部分分析设备仍延续20世纪80年代传统手动分析方式，钢水分析时间较长，而分析时间越长对钢水冶炼的精度影响越大，因此，现在分析方式已无法满足高端产品研发所需的生产工艺要求，主要存在以下三方面问题：（1）样品分析时间不能完全满足工艺要求。现有风动送样经常出现等分析排队现象，要保证每个样品的分析时限和精度极其困难。（2）新品种的开发及工艺优化调整对分析精度、稳定性、元素种类等提出了更高的要求。（3）样品量大，送样编号差错问题逐步增加。随着样品量增大，现场样品的取样条信息差错增多；化验分析人员接到分析样品后首先需在计算机上手动输入十多位数字的代码，同时分析结果需进行抄录，很难保证不出差错，且每分析一个样品都要核对十几个元素，核对后将结果传送到现场的同时需抄报表，既耽误时间也容易产生错误。
    化验室自动分析技术，在生产高端产品及新产品开发时起到了举足轻重的作用。结合首钢京唐钢铁联合有限责任公司及迁安钢铁有限责任公司三期炉前化验室建设经验，首钢总公司对化验室进行自动化改造，成立研发课题小组，自己研发、设计和改造部分设备，增加部分主要进口制样及分析设备，进行全自动分析系统整合。
    化验室自动系统实现了从样品现场自动选择代码发送到分析数据自动上传，数据自动存储归档，形成过程无人工干预的闭环控制，及时准确报出分析数据，减少了钢水冶炼精调过程中等成分的时间，提高了钢水冶炼效率。系统不仅实现了分析数据及时准确报出，并保证数据精度达到生产需要，而且便于实现与三级系统的数据通信，满足企业质量体系的要求。
1硬件组成
   （1）样品自动传递系统
    炼钢自动分析技术从样品发送、样品接收、样品处理、样品分析、精度控制、样品归档、分析结果发送等一系列过程实现自动化，具体功能通过风动送样系统、样品转换系统、自动化样品处理及分配系统、样品分析系统、样品标记及归档系统、自动控制及数据传输系统来实现。图1所示为炼钢实验室自动分析系统整体布置图。

图1 炼钢化验室自动分析系统整体布置图
    根据生产实际情况，自动分析技术中的风动送样系统包括发送站、接收站、管道等，主要负责完成炼钢系统炉前点位样品的自动发送、传输及接收，样品置于专门设计的样品盒中，由压缩空气实现样品盒从生产现场到快速分析实验室之间的传送。
   （2）样品转换系统
    根据首钢炉前样品实际形状及尺寸要求，自动分析技术中共配置样品转换台3台，其中手工转换台2台，自动转换台1台，主要作用为完成接收到站样品的释放及定位工作，为制样工序做好准备。
   （3）自动化样品处理及分配系统
    自动化样品处理及分配系统用于自动样品制备和传输，根据来样编码自动识别及分配至相应的处理流程，主要装置包括制样设备、机器人、传输带。共配置制样设备2台，自动线上铣样机2台，机器人3个。
   （4）样品分析系统
    根据不同的样品性质，自动分析技术样品分析系统集成钢铁业先进的分析仪器共2台，一台为新引进，一台为原有设备改造。
    （5）Vision可视系统、样品标记及归档系统
     Vision可视系统、样品标记及归档系统主要负责样品分析前表面检测及自动选取分析点、将分析完成后的样品自动进行样号打印、粘贴及分类归档，其主要装置包括Vision可视系统1套、样号打印机3台、样品归档装置1套。
2 主要功能
   （1）多种类型样品自动分析
    该系统为目前国内自主集成的第1套自动分析系统，可自动处理、分析钢样薄厚样、钢样圆样及铁样，自动分配针样、渣样、铁样的系统，为业内首创。
   （2）分析时间控制
    分析时间控制是有效指导炼钢冶炼生产的必要条件。及时把分析数据传递到各岗位，岗位人员根据分析数据情况，及时调整和优化生产，从而保证冶炼成分能够达到标准要求。另外，分析时间的控制对于扩大冶炼生产能力、工艺优化、新钢种的开发、节约能源等均具有极为重要作用。
   （3）分析准确度控制
    可视系统自动选择合格分析点，保证了分析时点的有效性，自动分析光谱仪进行了国家检定和长期及短期精度测试，采用定期分析控样以控制自动曲线标准化，2h进行一次类型标准化保证分析准确。在分析专家提供盲样的情况下，其测量精度得到专家的肯定。
3 技术优势
    首钢自主设计并集成的自动分析系统为国内首个自动分析系统，突破了整个工艺过程中多项技术难点，包括机器人抓取不同样品盒和样品装置；样品翻转设备保证机器人顺利抓取样品；样盒的国产设计改造；通过管控系统实现一键式选择代码，保证样品代码的炉次、钢种、工位、顺序号等与样品一一对应等，最终成功实现稳定自动样品传递分析系统。对国内炼铁炼钢自动分析技术的功能创新、流程优化、精度提高等起到了显著的推进和借鉴作用。
   （1）样品自动传递系统
    样品自动传递系统配有风动送样接收设备，实现来样报警灯提示，并在自动样盒到达，风动送样汽缸降下时将信号及样品代码信息传送给2台样品传递的主机器人。3套样品暂存设备及样品翻转设备由安川首钢机器人有限公司设计制造完成，结合多样化的样品分析路线及备用样品传递路线，保证样品集中到达、类型复杂条件下仍能以最短时间完成自动分析。组建高速大容量通信网络，实现各系统、各设备之间信息传递和系统对设备的控制，通过数据传输技术联用，将分析数据第一时间传递给各岗位。
   （2）可灵活选择的样品分析流程
    系统合理利用化验室现有空间及根据现场工位生产样品多少和分析时间要求情况，将风动送样接收设备分成两个区域，并考虑系统中设备出现故障情况，制定多条样品分析流程，保障自动分析系统运转利用率。自动分析系统分为手工分析区及自动分析区：
1)手工分析区。机器人自动分配针样、渣样到指定位置，人工进行样品在制样设备及分析设备之间的传递工作。
2)自动分析区。钢样及铁样到达接收站后，通过机器人传递经自动铣样机加工，至自动光谱分析仪进行分析，分析结束后分析数据经数据采集终端发至现场，同时样品会自动传送到打号机进行打号，最终进入样品分档台存档备查。
    传送链故障时，所有样品自动传送到2#人工位，钢样人工注册进入自动分析；中间转盘故障时，左侧样品自动传送到1#人工位，钢样人工注册进入自动分析，右侧样品钢样自动进入分析系统，渣样、气体样自动传送到2#人工位；传送链、中间转盘同时故障时，左侧样品自动传送到1#人工位，钢样人工注册进入自动分析（因合理布局，注册过程仅需15s），右侧样品自动传送到2#人工位，钢样人工注册进入自动分析。
   （3）样品编码规则创新
    在现有12位样品编码基础上，结合现场实际情况需要并借鉴相关自动分析系统样品编码规则，自主创新了14位样品编码规则。同时对现场风动送样发送站改造，加装样品代码触摸屏设备，在不改变现有操作流程的基础上，由主控人员在管控系统中建立计划单，系统自动将相应处理炉次号、钢种类型等信息上传到触摸屏显示，现场操作人员只需在触摸屏上选择样品对应炉次号、样品顺序号、样品类型（钢种信息自动生成）。因操作过程同原操作流程相同，通过实际生产统计，现场操作人员经过2周使用均能熟练掌握，且同质检站自动系统相比节省了计划单建立人员，减轻了劳动强度。此编码规则在方便掌握同时完全满足自动系统生产要求，实现了从铁样入厂、脱硫、炼钢、精炼、连铸整个过程钢样及渣样样品发送、接收、制样、快速分析、精度控制及结果发送等一系列过程的自动化处理。
   （4）国产样品样盒
    系统中使用的样盒必须满足在风动送样管道中运行时不能开盖，同时送入自动开盖器后开盖自如的要求。原使用样盒无法满足需求，且经过多次实验证明，质检站全自动分析中心使用的进口样品样盒不能直接应用在该项目中。原因是：质检站全自动分析中心使用的进口样盒，对风动送样设备及运行管道要求非常高，必须使用与之相配套设备设施；炼钢的风动送样设备是在原有旧设备及原有管道基础上设计的，管道与管道之间用法兰连接，最大误差2mm，精度无法达到国外进口样盒的运行要求，进口样盒在一炼钢风动送样管道中试运行，开盖率高达80%以上，且样盒表面有明显的磨损，尺寸不符，没有减震措施。如进行管道改造，费用将增加200万以上，同时严重影响生产正常进行。经与多家厂家联系，试制样品，均不能满足要求，主要体现在尺寸不符及盒盖非正常打开。根据现场风动送样设备、管道情况及实验经验，我们设计出新型样盒，经试验达到使用要求，已着手申请国家专利。厂家按照要求加工出改造后新样盒送到化验室进行实验，每个样盒经过2000多次使用后，新样盒没有出现运行中开盖现象，同时能够满足自动开盖器的使用要求，样盒问题得以解决。
   （5）国产自动翻转设备及自动传送装置
    与进口设备相比具有更好的灵活性及样品通过率，该设备进样口具有样品检测触点，只有样品和样品代码绑定导入后，此设备才将样品及代码传递给自动分析系统，避免了因误操作造成系统停机或设备损坏等情况发生。样品传递采用平滑链条，保证样品在传送过程中平稳、方向不变；并且在原有设计基础上加装增速装置使样品从进入翻转设备到样品到达自动分析系统机器人抓取位仅需4～5s，减少了样品分析时间；增加样品导向夹手防滑装置，当样品有少量毛刺时仍可导向成功；增加样品进入取出翻转设备检测信号，保证了自动分析机器人抓取安全。在实际生产应用中，样品自动翻转设备经过上万次运行，未出现卡样现象。
   （6）自动系统实时监控及数据处理系统
    基于计算机基础的系统设备实时监控系统及数据处理系统由安川首钢机器人有限公司设计编制，其中监控系统实现了现场风动送样设备来样情况显示，样品在系统中各设备环节传递过程跟踪，系统设备一键式控制启停及当前设备状态、现场触摸屏当前代码信息、计划单下发情况、系统报警信息提示等功能，便于现场操作巡检人员了解系统运行状态和故障的及时处理，给系统稳定运行提供了保障；数据自动采集处理系统实现了现场触摸屏选择代码信息接收编译，将钢种信息转换成样品分析路线传输指导系统操作，自动采集分析系统分析数据并进行自动修约、审核、上传到现场管控系统及实验室信息化管理系统LIMS、数据存储归档等功能，杜绝了人为因素对生产影响。
4  投产运行情况
    炼钢化验室自动分析系统自2011年5月开始调试运行以来，经过技术人员和客户现场人员共同努力，进行了设备调整、程序优化，系统正常运转率从开始的70%达到现在的98.73%以上，系统状态趋于稳定。
   （1）各系统单体设备
    对自动分析系统新增光谱仪进行了短期精度、长期精度测试，达到技术协议要求，并且在分析专家提供盲样时，分析精度得到专家认可。对样品自动传送系统中自动开瓶器、中间转盘、传送链等设备进行连续测试，正常运转率99.5%以上，样品信息与打印样条对应，样品归档、自动选择分析路线、机器人正常运转等达到100%。对系统中安全装置、报警装置、安全锁等进行测试，有效率100%。
   （2）样品自动传送系统时间
    分别对工位样品传送时间进行测试，从机器人抓取样盒开始到样品自动传送到样品规定位置截止，最短32s完成，最长43s完成，平均37.25s完成一个样品的传送，满足设计要求。
   （3）自动系统分析时间及分析能力
    对自动分析系统钢样、铁样进行单个样品两点激发分析时间测试，从样品到达化验室开始到分析数据自动报出截止，工位样品平均175s分析完成，达到技术协议要求。采用生产样品自动传送与测试样品人工注册方式相结合的方法进行分析能力强度测试，每小时可分析75个样品，全天24h可分析1443个样品，按每炉需分析铁样及钢样14个 样品计算，全天可分析97炉，完全满足高产需要。
5  结束语
自动分析系统具有如下优势：
1）可靠性高。由于采用了自动制样机、国产风动送样系统、样品传送带、样品打号归档系统，并结合安川首钢机器人有限公司整体实验室设计，保证了样品自动化传输、加工系统的高稳定性；采用MOTOMAN机器人，运行可靠性高，故障率低；采用进口自动分析设备，并与自动制样系统成功对接。
2）兼容性好。自动分析系统可完成多种形态样品的仪器分析方式，从样品加工、传输、自动分析，有多种不同组合线路。
3）灵活性高。具有很大的灵活性，系统扩容简单易行。
4）维修维护方便。高可靠性的自动分析系统加之维修、维护的方便、快捷，为自动系统的高效运行提供了保证。
5）处理速度快。与传统的人工传送相比，采用高效、高速的机器人，样品处理能力和速度大大提高。
6）节约大量的人力成本。
    自动分析系统投入生产后，对首钢向国际一流现代化钢厂转型具有一定的推进作用，完全能够满足生产高精尖端产品，对分析时间、精度、元素种类等要求和高产需要，给首钢带来了可观的经济效益。