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摘要：本方案中的阳极板智能转运，替代传统的人工叉车和汽车转运的方式，采用移动桁架、门机、RGV实现。圆盘浇铸机生产的阳极板，通过移动桁架按组从水槽中取出，经过整形检测之后，合格阳极板送往堆场料架进行存储；堆场内设置智能门机对堆场内料架的阳极板组进行出入库搬运；用RGV承载堆场内的阳极板组送往电解车间，由横跨在排板机入口和RGV轨道端头的桁架，实现阳极板从RGV移载到排版机入口输送机上。
关键词：阳极板、料架、智能门机、RGV
作者：曹志杰
中国恩菲工程技术有限公司
一
引言
在有色冶金行业中，铜厂的阳极板转运，一般采用人工叉车从圆盘浇铸机水槽内叉取脱模后的阳极板到堆场进行存储，通过人工挑选合格板装到汽车，倒运至电解车间缓存堆场，再一次由人工叉车卸车，并往机组送阳极板进行电解。阳极板的生产、存储、倒运、上机组，全程由人工叉车、汽车参与执行，交叉作业存在安全风险。随着智能冶炼厂规划的需求，各环节需要通过智能装备替代人工，实现阳极板的全自动倒运，并实现信息全流程管理。
二
铜冶炼工艺流程
在铜冶炼中，一般的冶炼工艺过程如下：通常在熔炼车间用圆盘浇铸机将高温液态铜浇注成型阳极板后，通过取板机械臂把热态阳极板放置到水槽中进行降温，水槽中设置有输送链条，携带阳极板输送至水槽端头，触发升降装置开关，把阳极板组升起脱离输送链条，此时阳极板组的上半部分会漏出水槽，人工叉车或者其他夹取设备，可以把阳极板从水槽中提出，送至熔炼车间外围附近的阳极板堆场堆存[1]；需要人工进行选板，不合格品进行整形处理后，与合格品存放到堆场。熔炼车间与电解车间存在一定的距离，采用人工叉车装车、平板卡车运输的方式，把阳极板从堆场倒运至电解车间门口，再由人工叉车送至排板机受板机组，通过电解行车把排板架上的阳极板组送入电解槽进行电解。阳极板生产转运工艺过程，如图1所示。
图1 阳极板生产转运工艺
三
阳极板转运设计条件
圆盘浇铸机一般为双圆盘型，左右两边同时工作，每天工作16～18小时左右。圆盘浇铸机生产阳极板的工作能力为≥100吨/小时，每块阳极板重约380～420kg，即每小时可生产238～263块，大概26s生产一块阳极板，阳极板外形如图2所示。
图2 阳极板外形图
铜阳极板整形机组，是湿法冶炼工序中必不可少的设备之一。阳极板在圆盘浇铸机脱模后，存在厚薄不均匀、飞边突起、板面变形等问题，需要在送往电解车间之前，进行整形处理，以提高电解效率。
圆盘浇铸机脱模后的阳极板，送至水槽进行冷却后，需要采用一种机械装置捞起，替代人工叉车作业，然后送至精炼车间门口的暂存堆场（小型堆场）进行存储，同时需要兼容人工叉车作业空间，防止在自动化设备出故障情况下，人工叉车介入叉取水槽内阳极板，从而保障生产。
从暂存堆场到阳极板堆场之间，设置整形机组，实现不合格品进行整形处理后，送入阳极板堆场（大型堆场）进行存储；两个堆场内的阳极板均由料架进行地面单层排列堆放；大型堆场内的合格阳极板需要通过移动设备，送往电解车间，然后由吊取设备实现阳极板从移动设备搬运至排板机。精炼车间、阳极板堆场、电解车间的布局，如图3所示。
图3 车间布局图
阳极板智能仓储及转运系统，通过取板、存储、整形、转运，至电解车间阳极上料机组输入工位结束。相关作业环节的运行速度要满足火法和电解的生产和节拍需求，同时整体设计应布局合理、运转流畅、转运环节少、阳极板转运设备无缝衔接，所有作业环节均可靠有效，实现阳极板的转运自动化、智能化、无人化的要求，确保阳极板转运过程中，阳极板出板不堵塞、电解供料充足、设备故障有应急方案，不能影响正常生产。
四
阳极板智能存储转运解决方案
1.智能储运综述
根据阳极场地平面图，采用龙门转运+阳极板料架方式，布置智能储运方式如图4所示。阳极板存储库共设置阳极板暂存区、合格板存储区两个存储区。其中，阳极板暂存区为精炼车间门口正对的通道区域，合格板存储区为阳极板堆场靠西侧道路区域。
图4 阳极板智能转运存储一体化解决方案
阳极板暂存区，设置于靠近精炼车间门口正对的通道位置，设置多列料架进行存储；暂存区域有库内龙门起重机，用于完成阳极板在存储区域内料架和入库料架间的接驳转运，也即实现阳极板的入库、出库、倒库等功能。阳极板暂存区主要用于：
（1）圆盘浇铸机在出铜，而阳极整形机组未工作时的阳极板入库暂存；
（2）外来阳极板的临时入库暂存；
（3）向阳极整形机组出库供板。
合格板存储区，设置在阳极板堆场的西部，且位于阳极整形机组后、电解车间受板装置前的中部区域，可从南至北设置多列料架存储阳极板；存储区域设有单悬臂龙门机两台，分别为入库门机和出库门机，用以完成阳极组的接驳，也即实现阳极板的入库、出库、倒库等功能。合格板存储区主要用于：
（1）经阳极板整形机组加工后合格阳极板的存储；
（2）向电解车间阳极受板装置出库供板。
2.智能物流设备说明
（1）移动取板桁架
火法系统将阳极板放入浇铸机水槽冷却后，收集够20片一组，由取板移动桁架从水槽中吊取阳极板组[2]，送至门口道路对面的料架，其间移动桁架过马路时，需要进行道闸关闭进行防护管理；按照生产一片阳极板的时间为25s计算，则需要移动桁架500s内需要往返一次，承载能力为8吨。取板移动桁架采用变频电机等驱动行走，速度可调，可精确定位。轨道顶与地面平齐，兼容人工叉车的取板模式，在实现无人全自动生产的同时，各设备接口设计成既可自动也可人工叉车对接双运行模式。当系统接收到浇铸机水槽提升机提升一组极板出水槽的信号后，取板移动桁架开始移动到水槽进行取板，运行至暂存区入库料架工位放板，完成后取板移动桁架返回水槽口原位提取下一组极板，方案如图5所示。
图5 移动取板桁架方案
（2）暂存区双悬臂门机
暂存区在精炼车间对面的通道内，通过双悬臂龙门机实现与精炼车间入库料架、外买阳极板入库料架、整形机组的入口、暂存区料架的转运和接驳，方案如图6所示。
图6 暂存区双悬臂门机方案
暂存区双悬臂龙门机可以从固定料架中一次性取一组阳极板20片吊取送到暂存区，或者送往整形机组的入口链条机上，进行整形处理；外购的阳极板组通过人工叉车卸货到双悬臂门机北侧覆盖区域的双位固定货架，然后由双悬臂龙门机吊取后送入暂存区，或者送入整形机组的入库链条机上，进行整形。
（3）阳极板堆场存储区
阳极板存储库，包括阳极板暂存区、合格板存储区。在阳极板存储库中，设有库内单悬臂转运龙门吊架，用以完成阳极板在储板架上的转运，也即实现阳极板的入库、出库、倒库等功能。库内转运单悬臂龙门吊架可采用滑线供电方式，门机行走装置均采用减速电机驱动，变频控制，速度可调，运行平稳可靠；每两排料架为一组，中间间隔为1.5m，用于阳极板和料架维护和清扫，阳极板堆场布置区如图7所示。
图7 阳极板堆场存储区布置图
（4）阳极板堆场单悬臂门机
在阳极板堆场存储区为长方形区域，共设置两台单悬臂龙门机，作用分别为存储区入库、存储区出库、倒库作业。存储区北侧单悬臂龙门机的西侧悬臂，用来从整形机组的输出端吊取整形完毕的合格阳极板，一次可以吊取20片阳极板组送入堆场区料架。存储区南侧单悬臂龙门机的东侧悬臂，用来接驳送料RGV，装载20片阳极板，送往电解车间。
（5）送料RGV
从堆场暂存区送阳极板组到电解车间，使用送料RGV，堆场区的单悬臂龙门机吊取堆场区料架中的阳极板组，通过小车移动至悬臂端，往RGV进行装载,RGV可以承载2组阳极板组，共计40片16吨，与移动桁架接驳后，送往电解车间的链条排板机，如图8所示。送料RGV的平台上装有双工位料架，料架的两端用于夹具的定位导向锥，确保料架对准后，可以精确勾取阳极板组。
图8 送料RGV布置方案及RGV示意图
（6）阳极板料架
阳极板一组20片，放置在固定料架中存放，为确保料架的稳固和成本，特设计一种可以承载2组阳极板、共计40片16吨的料架，料架的两端设置导向锥，夹具夹取阳极板组的时候，通过定位锥实现精确定位和导向；在精炼车间门口正对通道的暂存区，料架要按照阳极板出板方向直接横向排列，可设置多列料架进行存储；在阳极板堆场区，按照阳极板进入电解车间排板机方向进行存储，由南向北可设置多列料架进行存储；在暂存区入库口方向，设置2个固定料架，用于接驳移动桁架和双悬臂门机取阳极板组入库；在暂存区的北侧、双悬臂门机悬臂覆盖区域，设置1个固定料架，用于阳极板出库，或者外买阳极板进入暂存区；阳极板料架示意如图9所示。
图9 阳极板料架示意图
3.通讯网络设计
根据阳极板智能化转运存储一体化解决方案，设计了总体控制、监控、通讯网络，如图10所示，并遵循以下设计原则：
图10 转运通讯网络拓扑图
（1）控制网络和视频网络分开：由独立的网络系统进行信息传输，确保控制信号和视频信号互相不干扰，提高稳定性。控制信号通过服务器与控制端基站组网，与各移动设备的PLC进行通信；视频信号通过硬盘录像机与视频端基站组网，与各设备摄像头进行视频信息通讯。
（2）智能调度：配置二台上位工控机，一台显示终端，分别作为两个操作员站、一个大屏显示终端；共同配置智能调度系统，画面实时显示各设备运转状态、实时位置，并在系统可完成设备速度调节、人工调动功能。
（3）视频监控：配置一台显示终端，时刻监控各移动设备的运行状态和关键接驳点对接情况。
（4）网络部署：各移动设备单体设备配置PLC主控系统和摄像头、无线模块，地面配置无线基站，固定设备和摄像头配置有线网络，组成阳极板智能转运控制监控网。
五
设备运行节拍计算
1.移动桁架取板节拍
阳极板在水槽内单片出板的速度为26s出一片，移动桁架按照20片一组进行取板，则每隔520s时间，需从水槽内取板一次。根据移动桁架的各项参数，计算出移动桁架取板、送板、返回的时间周期为163.2s，远小于20片阳极板集齐的时间520s，因此移动桁架满足节拍需求。移动桁架运行参数和各步骤时间计算，如表1所示。
表1 移动桁架取板节拍计算表
2.双悬臂门机节拍
根据阳极板堆场距离、双悬臂门机参数进行运行节拍计算过程如表2所示，双悬臂从固定料架到最远端存储区固定料架的往返时间周期为208.6s，满足双悬臂门机从固定料架取阳极板入库的节拍。
表2 双悬臂门机节拍计算表
3.单悬臂门机节拍
根据阳极板堆场尺寸、单悬臂门机运行参数进行运行节拍计算如表3所示，单悬臂门机共计两台，接力往矩形存储区域料架存阳极板；按照靠近整形机组的一台单悬臂门机往最远端料架送料计算，主要作用为从整形机组取阳极板组送到堆场中间位置的料架存放，平均一次取阳极板组时间为288÷2=144s左右；整形机组速度为450块/小时，每20片时间预计为20÷（450÷60）=3min=180s，可以满足节拍要求。
表3 单悬臂门机节拍计算表
4.送料RGV节拍
第二台单悬臂门机从堆场区中间位置开始取板平均时间为144s左右一个周期，为RGV装阳极板组。
RGV从单悬臂门机装完阳极板组后，需要运送70m到马路对面，速度为1.2m/s，加速时间3s，加速度为0.1m/s²，所需时间为t1=3+（70-0.1×3²）/1.2+3=56s，往返需要时间112s，与出库单悬臂门机最长时间出库节拍、移动桁架送料节拍周期匹配，满足使用需求。
5.移动桁架送料节拍
RGV往返送料一次的时间为112s，根据移动桁架运行路径、进行运行节拍计算如表4所示，而阳极板从货架区最远端通过两台单悬臂门机倒料出库的最大时间为144s，满足与RGV送料节拍相匹配。
表4 移动桁架送料节拍计算表
六
方案特点
该方案把存储、转运集于一体，在存储的过程中实现倒运，把精炼车间生产阳极板到电解车间用阳极板，有效地通过物流设备串接起来。所选用的设备均为成熟常用的产品，根据阳极板的生产节拍、转运需求，替代传统人工叉车取板、人工挑选废板、卡车倒运的方式，降低劳动强度，提高设备智能化、信息化管控，为生产决策和调度提供了有效的数据和可视化支持。该方案的主要特点如下：
1.使用移动桁架，一次性提取多片阳极板送至堆场，通过整形机组进行整形和废板挑选，同时移动桁架在有故障时，可以确保人工叉车继续水槽取板作业，不会对阳极板出炉造成影响。
2.使用门机对阳极板进行存储和倒运，可以实现阳极板在堆场内任意料架内存放和提取，可根据生产需要进行随意调配，为精益生产提供了技术支持。
3.RGV用于向电解车间送阳极板，轨道车辆运行速度快，定点、定路径运输，方便、安全、快捷；同时采用轨道供电方式，可以解决RGV能源问题，确保可24小时连续工作。
4.采用WCS调度管理软件，对所有的物流装备进行管理和调度，实现设备间的有效接驳，确保各设备以最高效率运行，提高生产节拍。使用WMS仓库管理软件，对阳极板生产、存储、转运过程进行数据库管理，通过实时数据展示生产状态，为生产调度决策提供依据。
七
总结
随着相关技术发展，智能物流装备被逐渐引入有色冶金行业，为冶炼工厂的智能化和数字化提供车间与车间、工位与工位之间物料转运和仓储，提供有效的解决方案。根据工艺流程和需求，选用有针对性的智能装备和物流装备，可解放劳动力，降低劳动强度。本方案中采用成熟的桁架机械手、智能起重机、RGV组成阳极板智能转运和存储一体化系统，替代传统人工叉车和汽运板车倒运的方案，可有效减少物流成本，提高铜冶炼厂本环节的智能化水平、优化阳极板转运过程的工艺路径。传统的有色冶炼工作环境比较恶劣，同时智能化程度低，劳动密集型作业，需要借鉴其他行业的成熟经验，将5G技术、虚拟仿真、数字孪生、大数据、大模型等新技术引入，促使行业向高效、绿色、智能方向发展。
参考文献:
[1] 李田玉,曾芳成.阳极板自动转运系统的设计与研究[J],中国资源综合利用,2018（10）:193-195.
[2] 曾芳成,刘文斌,邵晓光等.用于浇铸设备与电解设备间的阳极板转运系统及转运方法[P],CN201810630118.0,2018-06-19.
———— 物流技术与应用 ————
编辑、排版：罗丹
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