今日頭條
官方微信
官方抖音
資訊頻道
馬竹梧 （1931-）
男，廣東廣州人，教授級高級工程師，原冶金部自動化研究院副院長、總工程師，現任中國鋼鐵協會信息化自動化推進中心顧問、中國自動化學會專家咨詢委員會委員，主要從事工業自動化研究和設計工作。
1 前言
鋼鐵工業自動化不僅是現代化的標志，而且是能獲得巨大經濟效益和高回報的技術。據奧鋼聯統計，使用了該公司的自動化系統后，已證實燒結可提高生產率5%，高爐鐵水成本降低16%，轉爐溫度偏差減少約40%、碳偏差減少約45%、重吹率降低約60%、生產率提高約10%，二次吹煉降低合金化成本15%、縮短處理時間5%，連鑄漏鋼減少80%、最終板材不合格率降低60%、熱裝率提高6%、耐酸鋼質量檢驗不合格率降低75%，熱軋加熱爐節能10%、軋出板帶寬度公差為±3mm、收得率提高0.75%、厚度公差降至標準值的1/4、板形波動<20μ、平直度偏差在30I單位以內、卷取溫度偏差<16℃等等，自動化投資約1-2年內收回，因此，世界各國鋼鐵工業都大力采用自動化技術。
解放前我國鋼鐵產量很低。從1890年建設漢陽鐵廠算起至1948年半個世紀，鋼總產量累計不到200萬噸，年產量最多的1943年才92.3萬噸，而且主要集中在日偽侵占的東北，自動化作用與需求當然不會太大。解放后特別是改革開放后，鋼鐵工業飛速發展，1949年鋼產量占世界第26位，1957年達535萬噸，排世界第8位，1996年達1億零1百萬噸，上升到第1位，現在已超過2億6千萬噸，生產這么多鋼鐵，如何節約原燃料和人力，提高產品質量等，自動化技術就顯得非常必要。
2 我國鋼鐵工業自動化技術的現狀與評價
我國鋼鐵工業自動化技術的應用實際上是從解放后開始。經過60年的努力，我國鋼鐵工業自動化的水平已和西方發達國家的應用水平相差無幾，其表現為：① 我國如寶鋼、鞍鋼、武鋼等大型鋼鐵公司等主要機組如高爐、轉爐、冷熱板帶軋機等大都和日本五大鋼鐵公司、德國蒂森鋼鐵公司以及英、法、美等相應機組的自動化水平基本無大差別，甚至地方大中型鋼鐵公司如濟鋼、邯鋼或者民營的沙鋼等新建或改建的主要生產機組除管理自動化外與國外也差別不大；都是多級計算機控制系統，采用的裝備都是PLC、DCS、先進的檢測儀表和電力電子裝備；② 從統計數字來說，據中國鋼鐵協會近年來的調查，在基礎自動化方面采用PLC、DCS或工業控制機進行控制已較普及，按工序來分，采用這樣的計算機控制的采用率分別為高爐100%，轉爐95.43%，電弧爐95.9%，連鑄99.42%，軋鋼99.68%；過程自動化方面(包括優化與模型控制或操作指導)，計算機配置率分別為高爐57%，轉爐56.39%，電弧爐58.56%，連鑄60.08%，軋鋼75.5%；管理自動化方面，計算機配置率分別為高爐5.97%，轉爐23.03%，電弧爐26.12%，連鑄20.64%，軋鋼41.68%；③ 從應用高技術來說，公認的自動化高技術——CIMS和機器人的應用，我國鋼鐵廠如寶鋼、鞍鋼、武鋼等大型鋼鐵集團公司等都設有或在建，而且大都以ERP為核心的系統，最新的三級CIMS系統中的MES系統也在主要機組中實現；寶鋼等大型鋼鐵集團公司更設有電子商務系統，正向著與CIMS系統連接成為當代世界上最先進的WIMS(網絡集成制造系統)方向前進；機器人也有應用，如原料的自動取樣、轉爐副槍的自動更換探頭裝置，雖然是屬于機械手和重演機器人性質，但是西方在鋼鐵工業使用智能機器人也不多；此外，在鋼鐵工業自動化先進性標志上，如數學模型和先進控制都有應用，而且許多是世界先進水平的技術，如高爐的多個數模和專家系統、轉爐的終點動態控制數模、連鑄的質量判斷優化切割漏鋼預報等數模、冷熱板帶軋機的軋鋼設定和控制數模等；智能控制中的模糊控制、專家系統、神經元網絡和模式識別也有許多成功例子；在管理數學模型方面如編制計劃專家系統和物流控制模型也得到應用；④ 先進自動化裝備如PLC、DCS、管理控制計算機以及現代檢測儀表(包括近年來發展起來的現場總線及工業以太網絡)、先進的電力傳動及控制裝置(包括數字化控制及晶閘管、可關斷電力電子器件如GTO、GTR、IGBT等組成的各類交直流調速裝置)已和西方發達國家一樣用于鋼鐵工業中，甚至綜合了IGBT與GTO的優點的新一代大功率電力電子器件IGCT組成的最新交流調速裝置也在寶鋼1880mm熱軋帶鋼廠中應用；⑤ 在自動化工程設計、研究和教育方面，國內設有專門的全國性鋼鐵設計院，均設有自動化、電氣和計算機的科室或專業，大中型鋼鐵企業亦有類似機構，能進行三電工程（電氣、自動化、計算機，國外稱為EIC，國內由于其同屬電類，常稱為三電）的設計；亦設有專門的全國性冶金自動化研究設計院（包括國家自動化工程試驗室），大中型鋼鐵企業亦有類似機構如寶鋼技術中心的自動化研究所和寶信軟件公司，能進行復雜的包括基礎自動化、過程自動化和管理自動化的研究和設計，并提供整套硬件、軟件裝置和調試投產服務，也有專門的面向冶金的自動化工程的安裝部門；此外，國內設有專門面向冶金的自動化技術的高等院校，如東北大學、北京科技大學等的信息工程學院，每年培養大量三電技術的本科、碩士博士畢業生。
但還應清醒看到，我國鋼鐵工業自動化和西方發達國家還有不少差距、問題，需要有克服的對策。因為我國鋼鐵工業自動化所用的關鍵設備和技術大都是引進的，硬件如最基本的PLC、DCS和過程控制與管理計算機幾乎全部是引進的，電氣傳動的先進調速裝置、電力電子器件除晶閘管外IGCT等都是引進的，晶閘管調速裝置雖然是國產化，但其關鍵的電子調節器也是引進的，而西方發達國家，如日、德、美、英、法、瑞典等主要自動化硬件產品很少使用別國的。參觀國內工廠有西門子、施耐德、ABB和日本各電氣公司產品展示的感覺。高技術的機組大多為引進或者核心技術是引進的，如高爐數學模型，過去是引進日本的，現在則是從芬蘭或奧鋼聯引進，而且引進多套和重復引進，其他許多數學模型也是引進的。原冶金工業部副部長兼寶鋼集團公司董事長和總經理黎明同志曾指出：“中國鋼鐵工業發展道路是引進、落后、再引進，寶鋼花了300億還如此，因此必須要制作并執行中長遠科技規劃”，我國鋼鐵工業自動化事實上也是這樣。此外，國內研制的自動化系統和技術大都是消化吸收性質，少數有自己知識產權的數學模型，創新也不多，至少沒有如日本川崎制鐵的高爐GO-STOP模型那樣的能銷售到德國、巴西、中國、芬蘭等各大鋼廠的搶手貨，高技術系統如質量直接控制等也沒有，更沒有像日本NKK公司的燒結無人化工廠、川崎制鐵的板帶熱連軋無人化工廠，因此必須找出差距，更有必要回顧發展歷史、找出原因和認真解決。
3 我國鋼鐵工業自動化發展的歷史回顧
我國鋼鐵工業信息化及自動化的進展大致可以分為兩個階段，即自動化起步和發展的第一階段，和以計算機和多學科高技術為核心現代自動化的第二階段。每個階段又分為幾個不同時期。
3.1 我國鋼鐵工業自動化發展的第一階段
（1）三年經濟恢復時期（1949~1952年）。抗日戰爭勝利后，我國鋼鐵主要產地鞍山（也是昔日世界第6大的鋼鐵廠），由于戰爭破壞、戰后停工以及外國把較新的機組如3、5~9號高爐、二煉鋼，大型及無縫鋼管廠設備拆走，產鋼已微不足道。1949年全國粗鋼產量僅15.8萬噸，新中國成立后，大力恢復生產，到1952年粗鋼產量已超過歷史最高水平，達134.9萬噸，但自動化還非常薄弱，如煉鐵、煉鋼、軋鋼僅有一些熱工管理如測量溫度、壓力、流量等儀表和德國生產的ASKANIA油壓調節器用以調節煤氣壓力等，在電氣傳動方面，大都是人工遠距離手動控制。值得一提的是鞍鋼一初軋日偽時期從德國引進的IGNER直流電機調速控制系統，設計非常獨特，初軋機驅動電動機功率為16800馬力，使用機組供電，由5000kW交流電動機帶動兩臺輸出串接的功率為7600kW的直流發電機和相應的勵磁電機，并帶一個大飛輪，由于初軋平均功率小于5000kW，達到16800馬力峰值只是瞬時的，此時5000kW交流電動機連同因略為速降使飛輪釋放的能量以驅動兩臺7600kW的直流發電機給16800馬力電動機供電，僅此而已。1952年底蘇聯援建的8號高爐系統開工，可以說是我國鋼鐵工業自動化的開始。8號高爐設有全套自動化監控儀表，熱風溫度、熱風爐燃燒、煤氣壓力自動控制，熱風爐自動換爐，上料自動化（和現在一樣，操作員設定上料圖表后，由稱量車稱放料，上料，爐頂裝料是全部自動順序控制）；發電廠的鍋爐、透平機驅動的高爐鼓風也是自動控制的，前者包括輸出蒸汽調節，鍋爐汽包水位調節、燃燒控制等，后者包括可選的定風壓或定風量調節等；其燒結（監控儀表、點火爐溫度、空燃比控制，臺車速度控制等）、煉焦（監控儀表、加熱煤氣壓力控制，自動換向等）也是裝備相應的自動化系統；所有自動化儀表和調節器雖然還是模擬式，電氣控制是硬線邏輯系統，但也是當時的世界水平。
（2）第一個五年計劃時期（1953~1957年）。國家提出“全國支援鞍鋼”等口號，鋼鐵工業得到大發展。首先是1953年鞍鋼三大工程七高爐系統、大型（重軌）軋鋼廠、無縫鋼管廠投產，接著是一煉鋼改造，二煉鋼，三煉焦，化工回收，5~6高爐、9高爐、3高爐系統（包括燒結、焦化、發電等等），薄板等廠相繼投產，其后本溪、武鋼、包鋼等改建或新建鋼鐵基地也開始建設，撫順鋼廠、北滿鋼廠等特殊鋼生產廠也在改造與投產。這些從蘇聯引進的機組，其自動化水平與當時的國際先進水平大致相同，如平爐（當時世界主要靠平爐煉鋼）都裝備全套監控儀表、火焰自動換向、熱制度調節等、電弧爐均裝有爐頂裝料、電極升降控制等，加熱爐均熱爐均設有爐壓控制、溫度和燃燒控制等，均熱爐還設有爐蓋打開自動連鎖及控制等。與此同時，大批蘇聯專家來華指導設計、安裝和生產，鞍山鋼鐵公司成立專門的鋼鐵設計院（1955年易名冶金工業部黑色冶金設計院），設計院除原有電力設計科外，1953年成立機器及自動裝置設計科，值得一提是自動化設計蘇聯顧問專家K.K.捷列森哥，的確具有國際主義精神，他熱情指導我國技術人員進行自動化工程設計，無保留地及時提供有關設計資料、規程、規范、計算手冊和可參考的蘇聯最新投產類似工程的全部圖紙。當時國內還未生產新型自動化儀表及裝備，捷列森哥專家認為中國要發展自己的自動化裝備工業，不應都到蘇聯定貨，為此，他帶領我們跑遍上海各儀表廠，要求只能生產水銀溫度計的儀表廠生產各類溫度傳感器，只能生產水表或彈簧壓力表的儀表廠生產各類自動化流量、壓力和液位測量儀表，有些條件簡陋的性質靠近的廠生產各類電子記錄儀、PI調節器和執行機械等，要鞍鋼設備處在工程中多定一臺或從備份中提出一臺做為樣機，進行測繪仿制，以專家建議方式提交國務院專家辦公室、上海市和鞍鋼領導（當時規定蘇聯專家建議必須執行），并親臨制造廠作技術指導，就這樣，約在1956年，我們不但能獨立設計自動化工程，而且除個別從蘇聯進口新的裝置作為樣機仿制外，全部自動化裝置均國內生產。
1955年蘇聯在馬格尼托哥爾斯克市召開鋼鐵工業自動化會議，會上發表了各工序新控制系統、檢測儀表及技術等，捷列森哥專家帶回許多研究、應用的報告。并由于設計立足于可靠，不能作試驗以免影響生產，這就需要有研究部門，不斷提供新的、成熟的技術，捷列森哥專家建議冶金工業部成立新的自動化專業院所，并吸收蘇聯的經驗和改進不足之處，蘇聯鋼鐵工業自動化的設計和研究是分立的，由ЦЛА（中央試驗室）進行研究及試制，ПМП（儀表自動化安裝設計院，后易名中央結構設計局即ЦПКБ）進行工程設計（焦化、采礦的自動化工程則由相應專業設計院的自動化科設計），建議成立統一部門。為此，1956年冶金工業部成立包括研究、設計和試制部門的熱工控制研究設計院，并聘請ЦЛА的專家B.H.普里克隆斯基來指導研究。這過程雖然暫短，但也作出一些成績，如鎢鉬熱電偶測量鋼水溫度、利用彎頭連續測量高爐各風口風量及其分配（國外是只用以測量水和液體流量，我國第一次用以測量高溫氣體流量，并導出其流量方程和試驗得出其流量系數等，50年以后，我國唐山才系列生產測量水和氣體彎頭流量計）和燒結大口徑廢氣流量、電子秤、高爐熱風爐燃燒調節新系統，偏心收縮蝶閥特性研究等，為設計部門提供新技術。與此同時，天津傳動所、上海工業自動化研究所、上海電器科學研究所也相繼成立，他們也進行了很多鋼鐵工業自動化的研究工作。從上世紀50年代開始，東北工學院、北京鋼鐵學院、中南礦冶學院、清華、浙大、西安交大、哈工大等高校相繼開設工業企業電氣化、儀表及自動控制等系和專業，清華更請來蘇聯專家（齊斯卡可夫教授及崔可夫教授）開設熱力過程自動化及面向鋼鐵的生產過程自動化課程，并接受各院所企業技術人員旁聽，為鋼鐵工業輸送和培養大量人才。
國家編制的科學發展規劃，其中3908項就是針對鋼鐵工業自動化，詳細規定了煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼的自動化項目、技術指標和完成日期。此外，還由中國科學院會同高校、熱工控制研究設計院等人員專門對我國鋼鐵工業自動化現狀進行考察。這些都大大促進了鋼鐵自動化的進展。
（3）第二個五年計劃到七十年代初（1958~1973年）。上世紀50年代末期，我國在向蘇聯專家學習及從蘇聯引進技術、仿制引進設備和蘇聯156項工程完工生產的基礎上，進入了自行設計并用國產設備裝備新建或改建的鋼鐵企業的新階段，如鞍鋼1、2、3、4、9號高爐自動化系統和太鋼1150mm初軋主輔傳動系統及均熱爐自動化系統等，其自動化技術水平已接近當時引進機組的水平。但在1958年冶金部整頓組織機構，宣布剛成立不久的熱工控制研究設計院下馬，設計部門分散到各鋼鐵設計院，研究試制部門合并到鋼鐵研究院變成一個研究室（12室）二級單位，這樣自動化專業就很難大發展，雖然仍研制了一些新裝備及系統，如測量鋼水溫度的鎢錸熱電偶，以代替昂貴鉑銠絲，測量連鑄結晶器鋼水液位的同位素液位計及其控制系統、真空直流電弧爐電極升降控制系統、高爐爐況判斷智能系統、芝麻三極晶體管及以后的以芝麻三極晶體管為基礎的厚膜工業控制用的高抗干擾數字邏輯組件、太鋼六軋罩式退火爐群多點數字巡回檢測控制系統等。后來中蘇關系惡化，蘇聯撤回專家和撕毀合同斷絕援助。到60年代初，鋼鐵研究院轉向為軍工服務，一般鋼鐵工業自動化研究就停止多年。此時，鋼鐵自動化設計主要是按舊系統設計，只是隨著國內新的自動化裝備生產而以新的儀表和裝備組成系統，如用單元組合儀表代替老式儀表等。60年代開始西方進一步發展自動化技術，特別是日本鋼鐵工業大擴張，并以包括計算技術和自動化應用作為其鋼鐵工業大發展的四大法寶（新工藝和新設備、大型化、臨海鋼鐵廠、計算技術和自動化應用）之一，我國自動化水平與世界水平差距增大，特別是文化大革命期間。但盡管如此，各院所、工廠還是斷斷續續地發展自動化工作，如電力傳動和控制方面，冶金部建筑研究院、天津傳動所、西安整流器研究所等自60年代，從研制大功率硅二極管整流器開始，開發晶閘管直流調速，首先是大功率硅二極管整流器的應用（如國產的825V、10000A硅整流器在鋁電解廠中應用，取代50年代的水銀整流器），接著是功率較小的晶閘管勵磁（如鞍鋼一初軋2600kW主傳動勵磁裝置），然后是大功率晶閘管供電（如上鋼五廠500mm軋機1300 kW主傳動供電裝置及70年代初投產的上鋼一廠2300mm中板軋機和1200mm五機架帶鋼熱連軋機，全軋線主輔傳動全部用晶閘管直流電機調速，其最大容量為2600 kW）；檢測儀表和自動控制方面，70年代初，鞍山礦山設計院研制成功電子皮帶秤、自動給料機和燒結自動配料系統，并在鞍鋼、攀鋼和首鋼應用，本鋼也開發了用工業色譜儀分析高爐煤氣成分，武鋼和鞍鋼先后應用極值控制系統控制高爐熱風爐燃燒及拱頂溫度，梅山、攀鋼等也應用高爐稱量料批重量和焦碳水分補正系統，天津傳動所先后研制成功高爐磁性邏輯無觸點和半導體（先是鍺晶體管，以后是硅晶體管）程序控制上料裝料系統，并用于鞍鋼、攀鋼、武鋼和梅山等高爐中，1964年在首鋼30t轉爐使用測溫槍，并試驗用快速微型熱電偶爐外定碳，漣鋼也研制成功晶閘管-電磁轉差離合器電弧爐電極升降控制系統代替從波蘭引進的老舊功率放大機系統；在計算機控制方面也作了許多嘗試，首先國家組織首鋼、鋼鐵研究院、冶金建筑研究院、738廠等嘗試計算機應用，采用晶體管元件制作了三臺K-154型計算機，計劃用于首鋼煉鐵、燒結和小型廠，但由于元件不可靠等很多問題，無法用于工業控制，以失敗告終。直至1973年鞍鋼冷軋廠使用國產小型控制機，成功地對75座罩式退火爐進行溫度控制，效果顯著。
上世紀60年代中至70年代初，設計院、工廠開始謀求向西方引進，如太鋼七軋成套設備從德國等多個國家引進，其中如光亮退火爐等使用德國西門子的以磁元件為核心的Teleperm-S系列PID調節器和執行裝置等自動化裝備，包鋼五號球團帶式焙燒機從日本成套引進，其自動化系統包括30多套以晶體管調節器為核心的儀表組成料位、溫度、流量、壓力、稱量等自動控制系統，還設有多點數字巡回檢測裝置進行工藝參數記錄、打印和報警，其電氣控制系統也使用交流電機電磁轉差離合裝置或晶閘管直流電機調速裝置以及硬件邏輯順序控制設備；計算機系統也開始引進，如首鋼用以轉爐分析及終點控制的過程計算機和制氧廠的控制計算機，太鋼二煉鋼也從奧地利引進成套氧氣頂吹轉爐，其自動化系統除常規控制采用晶體管等控制儀表外還采用德國西門子的計算機進行冶煉終點靜態控制。外國先進技術和我國落后技術的差距，大大增加了我國的危機感，同時也促進了鋼鐵工業自動化第二次引進高潮。
3.2 我國鋼鐵工業自動化發展的第二階段
（1）1973至1987時期。國際上已進入大規模全線自動化的計算機控制，這一新事物復雜而新穎，國內不僅設計、甚至連應用都成為大問題。首先是面對70年代初從日、德、法引進的武鋼一米七工程，它包括從加熱爐上料-粗軋-七機架連軋-卷區-運輸鏈全線自動化的兩級計算機控制的帶鋼熱連軋廠、帶計算機控制五機架冷連軋機的冷軋廠、帶森吉爾軋機的硅鋼廠和帶計算機控制的板坯連鑄機，如何正常應用與運轉，為此冶金部再次成立自動化研究所（主要由冶金建筑研究院安裝所、鋼鐵研究院12室、冶金儀表廠合并組成），并以冶金部研究所為骨干并從各方面調集技術人員組成部自動化工作組，進駐武鋼并會同武鋼和設計院，實行消化掌握計算機及自動化系統、準備投產。與此同時，為很好消化吸收和利用與開發更多的自動化技術，鞍鋼、武鋼、攀鋼、首鋼、馬鋼、重鋼等先后成立自動化研究所，與高等學校、設計院、工廠共同構成鋼鐵工業自動化研究、設計和應用體系，從而使鋼鐵工業自動化進一步穩步發展。
隨著我國對自動化作用認識的深化，黨的三中全會確定重點轉移、改革開放等一系列政策，大大促進了鋼鐵工業自動化的發展。此時，鋼鐵工業自動化進展主要是要求高新建或改建廠礦采用成套或部分引進方法，以及跟蹤國外自動化進展國內自行開發。前者如80年代初在上海建設新的寶山鋼鐵廠，包括設計、主要設備供貨以及指導投產全面從日本引進，一期工程包括原料場、燒結、高爐、煉鋼、焦化、初軋以及備用電廠，全部采用先進的EIC一體化兩級自動化系統，基礎自動化中的儀測儀控系統中，除了使用常規模擬式儀表以外還開始使用數字儀表（即后來的DCS），如在高爐風口檢漏、爐皮溫度等多點測量的部位使用了三套數字儀表以及初軋的均熱爐控制的TDCS2000型數字儀表，基礎自動化中的電氣控制器系統則采用了可編程序控制器。基礎自動化遠比過去系統復雜與完善，可控制更多的工藝參數，而稱為增強型基礎自動化。原料場、燒結、高爐、轉爐、焦爐、初軋、Ф140mm無縫鋼管、能源中心等主要機組均設有過程計算機，進行收集數據、監測、記錄、過程管理、通信、設定控制、使用數學模型進行優化控制（如初軋的燒鋼預測、高爐熱風爐燃燒流量優化設定模型）或操作指導（如高爐的爐熱模型），Ф140mm無縫鋼管自動化程度更高，設有CIMS系統六級劃分的五級，即檢測驅動級、設備控制級、過程控制級、生產控制級與無縫鋼管廠管理級的全線全廠自動化系統。引進的寶鋼及其自動化系統達到當代世界先進水平。并長期成為我國鋼鐵工業自動化的主要技術來源，冶金部還為此舉行由副部長主持的各有關單位參加的消化會議，并指出國家花了許多錢引進，要一家引進萬家受益。寶鋼的資料包括數學模型說明書（含全部計算公式）、功能規格書甚至軟件程序清單等都比較完全，因而大大促進了我國自動化的發展。催生許多成果，如電力傳動方面，晶閘管直流調速發展迅速，國產元件組成系統的可靠性已能滿足生產需要，形成了風冷和水冷兩種結構，可逆無環流切換時間已縮短3~6ms的先進水平。在天津傳動所、冶金部自動化研究所等單位共同努力下，鋼鐵工業晶閘管直流調速已可代替進口，大功率系統也相繼解決。首先冶金部自動化研究所在重慶西南鋁加工廠的冷軋機風冷的晶閘管直流調速裝置，最大功率已達4200 kW，其后該所雖幾經周折，也成功地投產了單機容量達4600 kW、操作條件最嚴酷頻繁可逆轉動的長城鋼廠825mm初軋機水冷式晶閘管直流調速裝置，該所還完成一系列晶閘管直流調速裝置包括工期要求極短（僅45天）的取代老舊水銀整流器的原東德引進的湘鋼250線材軋機工程等。1979年攀鋼自動化研究所等研制成功800kW的動態虛功補償裝置，采用晶閘管，響應速度僅8~10ms，達到國外同類產品的指標。在交流調速方面，除了主流的變頻調速外，比較成功的有70年代初的包頭設計院和冶金部自動化研究所研制的差動調速傳動，并從1979~1984年先后在呼和浩特鋼鐵廠線材軋機、昆明金屬材料廠窄帶冷連軋機、首鋼紅冶鋼廠和哈爾濱軋鋼廠300小型連軋機上投產，冶金部自動化研究所研制的湘鋼活套式拉絲機變頻調速系統、線繞型電動機交交變頻雙饋調速裝置也在生產中應用；在檢測儀表方面，在長沙礦山研究所、長沙礦冶研究院、長沙礦山設計院、馬鞍山礦山研究院、北京礦冶研究院、中南礦冶學院、冶金部自動化研究所等共同努力下開發了從采礦到軋鋼一系列特殊檢測和儀表，如采礦的炮孔測角測深儀、測震儀、多點邊坡位移記錄儀等20余種儀表，選礦的礦漿濃度儀、礦漿金屬成份儀、磨礦返砂量儀、金屬探測器等，燒結的料槽料位儀、混合料透氣性及水份儀、各式皮帶秤、層厚儀等，煉鐵的吹氣式靜壓力測量儀、砌體燒損儀、風口檢漏雙管電磁流量計和卡門流量計、氯化鋰濕度計、風口流量計等，煉鋼的消耗式熱電偶、定氧定硅探頭、副槍測溫定碳及其大顯示智能儀表等，連鑄的各式結晶器鋼水液位、結晶器冷卻水熱量和熱功率測量儀、帶峰值鑄坯溫度單點多點測量儀、鑄坯長度測量儀、輥間距測量儀、結晶器錐度測量儀等，軋鋼的壓磁式（包括環型和實體的）應變電阻式及拉桿式測壓儀、各種輥縫儀、測速儀、張力計、活套位置儀、X-射線測厚儀、光電測寬儀、激光測徑和測厚儀、光電紅外測溫儀、爐壁式殘氧分析儀等；在自動控制方面也大有進步，如采礦的遙控振動出礦自動控制系統等，選礦方面的給礦量控制、磨礦濃度控制、分級機溢流濃度控制、按音響控制磨礦機裝載量系統、藥劑添加控制等，煉鋼的以厚膜數字邏輯器件為基礎的太鋼轉爐氧槍副槍自動控制系統、副槍測溫探頭及整套副槍測溫探頭更換的機械手等，軋鋼的由冶金部自動化研究所和鋼鐵研究院以及太鋼共同協作研制的我國第一臺寬帶軋機全套液壓帶鋼厚度調節裝置、中板軋機液壓厚度調節裝置等。這個時期的技術特點主要是采用模擬技術經數字控制過渡到計算機控制；在計算應用方面，這時期獲得許多經驗和教訓，經過下列幾個階段：① 自行制造工業控制計算機進行較大規模的控制，如1974年的上鋼一廠鋼板車間自動化，其1200mm五機架熱連軋機自動化如武鋼引進的1700熱連軋機那樣采用計算機控制并從制造計算機開始，冶金部自動化研究所制造仿美國PDP11計算機，由于器件TTL等不過關而不可靠、無故障運行時間短、抗干擾能力差而無法用于工業控制，只有2300mm中板軋機基礎自動化的自動軋鋼（包括前后工作輥道、延伸輥道和推床的順序控制以及壓下自動控制）由于采用成品的簡易可編程控制器控制而獲得成功，其過程自動化采用當時國產的JS-10小型機，自行編制小操作系統及應用軟件，由于該機規模小、較可靠且只作數據采集、監控以及較簡單的數學模型作為操作指導，應用軟件規模有限和實時性要求不高而獲得成功。與此同時，上海為轉爐煉鋼終點控制研制的計算機，包頭計算機廠為包鋼燒結廠研制的計算機也因可靠性不夠、無故障運行時間短、抗干擾能力差而無法用于工業控制，此外，還有當時制造的計算機都是裸機，沒有操作系統，而編制操作系統技術復雜很難解決；② 經過上述失敗經驗，且投資限制外匯不易獲得，自動化工作者轉而使用國內市場可購得廉價的引進單板機自配I/O回路進行單項控制，如冶金部自動化研究所研制的吉林鐵合金廠埋弧電爐電極自動壓放和功率控制系統、太鋼七軋廠八輥可逆冷軋機張力自動控制系統、忂化鋁電解節能自動控制系統、首鋼自動化研究所研制的300mm小型廠配尺剪切自動控制系統、北京冶金設備自動化研究所研制的北京第三軋鋼廠冷軋卷取機張力自動控制系統等，由于引進單板機無論元件和制造都比較可靠，自配接口比較簡單，控制系統也規模很小，因而這些系統都獲得成功，使用效果顯著；③ 使用引進微機用的各種模板組成系統進行單項控制。由于單板機大都是學習機，并非作工業控制用的，而市場上又可購得系列模板，因此考慮用它代替單板機，如冶金部自動化研究所研制的太鋼七軋廠八輥可逆冷軋機準確停車自動控制系統、吉林鐵合金廠埋弧電爐上料自動控制系統、重鋼五廠板坯加熱爐自動控制系統（計算機是由重慶工業自動化儀表研究所采用美國Motorola公司生產的模板組成）等；④ 使用引進微機系統、引進或國內組裝的PLC、DCS進行更多功能控制，如鞍鋼的使用584PLC 的7#高爐上料自動化系統，首鋼的使用美國N-90型DCS的燒結自動化系統，冶金部自動化研究所研制的使用微機系統的廣西八一錳礦鐵合金埋弧電爐自動控制系統、使用西門子S5-115UPLC的水鋼、攀鋼及其它多個廠的高爐上料自動化系統等，由于有了可靠和高性能的硬件而為使用先進控制創造條件。此時開始采用現代控制論理論如狀態空間理論來進行控制，如浙江大學與重鋼研制的重鋼五廠板坯加熱爐自動控制系統，模糊控制和專家系統也得到應用；⑤ 開始使用引進或國內組裝的PLC、DCS、過程控制機、網絡作為基礎自動化和過程自動化的大規模控制系統，如冶金部自動化研究院和鋼鐵研究院及太鋼合作的使用SOLAR小型機的太鋼七軋廠八輥可逆冷軋機過程自動化系統、太鋼二煉鋼使用美國μVAX小型機及西屋公司WDPF的轉爐包括過程自動化及基礎自動化的兩級自動化系統等。
自動化已進入大規模全線自動化的計算機控制，要建設這樣的系統首先遇到是設計問題。但由于技術差距大，基本設計、詳細設計包括功能規格書編寫、應用軟件編制與調試不知如何進行，調試試驗室也不具備，因此只得通過下列步驟：① 全套引進并派人參加進行設計聯絡生產學習，如寶鋼一期工程等；② 派人參加和在外商指導下進行包括程序編制部分調試等工作，如七五建設的攀鋼、唐鋼、宣鋼等幾個中型高爐；③ 國內派人參加并分包（外商付錢）或直接由外商雇用進行軟件編程等工作，前者如寶鋼二高爐等，后者如寶鋼冷熱連軋，由西門子公司雇用冶金部自動化研究院人員進行軟件編程及以西門子專家名義參加調試；④ 自行作基本設計而詳細設計（施工圖除外）硬件軟件供貨與現場調試與投產均由外商負責，如鞍鋼1700mm半連軋改造等，以后冷熱連軋計算機控制系統以及許多大型或新機組大致都是這一方法；⑤ 完全國內負責包括基本設計、詳細設計軟件編制非標硬件設計調試與投產等僅從外商購買國內質量不過關的硬件及個別技術，如包括系統軟件的計算機硬件系統、個別儀表和數學模型，如重鋼五號1200m3高爐自動化工程等，以后大多數自動化工程都是這一方法。
（2）1988年至現在。1989年我國粗鋼產量6158.72萬噸，排世界第三，1993年為8868萬噸，排世界第二，1996為1億零1百萬噸，上升到世界第1位。這段期間，主要是靠擴建、挖潛和改造（包括1985年9月先后投產的寶鋼一期工程，其自動化裝備只是70年代末水平，不少計算機還是使用磁心和磁鼓、使用機器語言編程，內存容量不大，如設有復雜數學模型的容量4063m31號高爐的過程計算機僅為80K），因此給鋼鐵工業自動化帶來極大的發展。這段期間建設廠礦大都以當代最新技術來裝備，特別是引進機組。此時新建和改建機組水平不等，因資金限制，有只設基礎自動化，有包括過程自動化，其中寶鋼最為先進，二期工程（1991年2月結束）包括二高爐、燒結、焦爐和板帶熱連軋機等，其中二高爐除使用最新計算機外，還引進8個數學模型，西門子供貨的板帶熱連軋機更包括生產控制級和分廠管理級的五級系統，2030mm板帶冷連軋機也是類似系統。其三期工程，包括容量4350m33號高爐、燒結、焦爐、二煉鋼（250噸轉爐兩個，1450mm板坯連鑄兩臺）、三煉鋼（電爐兩個，圓方坯連鑄）、1580mm板帶熱連軋機、1550mm和1420mm板帶冷連軋、高速線材等，其自動化系統分為兩個層次，第一層次為工廠或車間包括基礎自動化、過程自動化和管理自動化，第二層次為為公司信息管理層，各工廠的多級自動化系統通過全公司光纖主干網與公司管理計算機相連。其他廠礦的自動化工程大都自行設計只引進不過關裝備或先進技術如太鋼新建的4063m3高爐及燒結，除計算機系統引進外，還從奧鋼聯引進高爐專家系統及燒結機速模型等。
在此期間，主要技術特點是以高新技術為核心，包括：多級管控一體化計算機系統開始大規模應用，管理自動化發展迅速，過程優化數學模型與先進控制、智能控制也得到重視，除了引進外，國內也研制和推廣國產系統，如電力傳動方面，已進入交流變頻調速時代，除了由于國內不生產的新一代可關斷的IGBT、IGCT等器件的新型交流變頻調速裝置以外，以國產的晶閘管組成的交直流變流器基本全部可國內供貨，而且以國產的晶閘管組成的交交變頻裝置容量對軋機已完全可滿足，而且技術上有突破。使用進口電力電子器件組成新一代的交流變頻調速也已研制成功，如冶金自動化研究設計院在863項目支持下，研制成功7500KW的IGCT變流器，完成了3600KW同步電機的工業試驗。并研發電子控制器。自動控制方面，除了使用經典控制理論組成系統外，模糊控制得到更多應用，特別是熱工過程的機組如燒結、高爐、加熱爐等，專家系統如高爐除了從芬蘭和奧鋼聯引進多套外，國內也分別在首鋼、馬鋼、石鋼、濟鋼、邯鋼等研制成功高爐冶煉專家系統；在檢測儀表方面，已進入使用新技術，如超聲波、激光、微波等，甚至使用人造衛星技術（如寶鋼引進的鐵水運輸動態監測車輛定位），同樣，除引進外國內也研制了多種特殊儀表，如高爐微波料面高度計、熱軋鋼帶板形儀等，填補了國內空白。
4 對策與建議
綜上所述，我國鋼鐵工業自動化的發展最大差距是嚴重依賴從國外引進，今后任務和對策是：加強消化吸收和跟蹤國外先進技術、自主開發和國內生產自動化技術和裝備、逐步減少對引進技術的依賴，為此需要首先要解決認識問題，再則著重解決兩大問題：
（1）要解決認識問題。首先是與我國作為大國和如此大的鋼鐵產量以及自動化需求量嚴重不相稱，據調查，對國外技術依賴程度，日本只6.6%，美國僅為1.6%，韓國也不過22%，而我國則超過50%，雖然當今全球化時代，不要保護主義，也需要從國外引進，但不能依賴程度如此之大；其次，自動化裝備更是重大商機，如一臺一般配置加熱爐僅PLC需30多萬元人民幣、一臺中型高爐（1000m3）200多萬元、一臺150噸爐200多萬元、一條小型棒材生產線100多萬元，從芬蘭引進高爐專家系統一套，僅軟件就超過80萬美元；對于大型軋鋼工程則更驚人，如攀鋼1450帶鋼熱連軋自動化工程，從意大利全套引進1500萬美元（其中硬件包括儀表、PLC、網絡及過程計算機500萬美元、軟件及數學模型800萬美元、人員費用200萬美元），如果國內供貨，則只需2000萬人民幣（其中硬件包括儀表、PLC、網絡及過程計算機從國外引進只需1100萬人民幣、軟件及數學模型900萬人民幣）。目前鋼鐵公司在資金允許時，特別是重大大型機組大都希望引進，主要原因之一是引進裝備可靠、事故少，此外，許多國產設備質量不過關，不僅性能有差距，可靠性差，而且價格也不便宜，索賠制度也不完善，影響生產或開工日期，制造商、研究開發部門也有苦衷，面對這多方面原因，需要國家出面才能解決，需要有鼓勵政策和實際措施。
（2）為了解決自動化的基礎裝備，即包括PLC、DCS、網絡、過程計算機、大規模集成電路、電力電子器件等生產，要組織電氣集團公司。生產高性能PLC國內也曾試過多種方法，如在大連某制造廠引進西門子S5-115型PLC技術進行生產，但西門子一方面把過時的S5-115型PLC技術出售，一方面又推出更新型的PLC，當然，應用企業就希望使用性能更佳的PLC，而使國產PLC在競爭中失敗。國內也曾嘗試自行開發，如冶金部自動化研究所曾力圖以自己力量開發PLC，但遇到S5系列PLC中有一個1500門陣列的大規模集成電路在經費問題無法自行解決而停止，國家也曾組織DCS和高速網絡的攻關，但各研究院所因當時政策是鼓勵創收的壓力，經費不足，試制的DJK型DCS從性能、價格和性能/價格很難滿足鋼鐵工業要求。在電力傳動方面，電力電子器件生產，其中晶閘管已能生產了φ100mm晶閘管，但要研制如IGBT、IGCT等電力電子器件，就需要更多投入，一般單位很難達到。縱觀國外大都是電氣集團公司的組織形式，如德國西門子、法國阿爾斯通、瑞典ABB、美國GE、日本日立、日本三菱等公司，這些公司都是有產品制造、產品應用工程和精干的研究部門，由前兩者創收，然后按利潤提一定百分比作為研究部門的研發經費，開發更多新技術、新產品，使公司在激烈市場競爭中立于不敗之地，由于這些公司規模大、利潤多，因而研發經費，足以支持開發更多的先進產品，反觀國內電氣自動化公司越來越多，分出來也越來越多，原因是自動化系統或電力傳動調速系統，經濟效益大，如一個機組的自動化工程僅硬件、應用軟件成套供貨及調試投產，往往需數百萬元，一套傳動調速系統也百萬至上千萬，而自動化工程設計并非難事，設計方法、軟件編制、調試等已越來越多人掌握并非難事，電力傳動調速系統設計主回路，外購電子控制器和電力電子器件，然后組裝、調試等，也已越來越多人掌握，辦個組裝車間也非難事。但這樣一來人力就分散，難以有高水平，基礎工作如PLC、數字傳動用的電子控制器和電力電子器件卻很少人研發和生產。總結國內外經驗，只能由國家大力組織象西門子等公司類似的大型的電氣集團公司，才足以有此財力和人力解決上述為題。當然除大型電氣集團公司外不排除還有一些較小或專業公司和獨立的研究院所，德國、日本等均如是。此外，參照國外和國內情況，業務劃分、生產范圍也有多種選擇，德國西門子、瑞典ABB、美國GE、日本日立、日本三菱等公司生產幾乎全部的高低壓電氣裝備、PLC、DCS、過程計算機及儀器儀表，而美國GE等公司雖也曾生產過程計算機但很快就放棄了，原因是認為無法超過DEC公司，在我國，已是世界知名的計算機公司了，聯想公司生產過程計算機應是輕而易舉。
（3）沒有研究開發便沒有新技術來源，只能依賴引進，為此應加強研發工作，并需要有適當的組織機構、方式以及相應的政策。美、日、德等發達國家新型自動化和電力裝備的研發主要由電氣集團公司內部進行（對于最新的、方向性的也和獨立的研究院所、高校合作，專業性強的也往往由工廠先研發后轉移，如日本測量高爐砌體燒損的TDR法及裝置先由住友金屬公司開發使用再由橫河電機公司生產，測量高爐料面溫度裝置則由新日鐵公司與NEC公司合作開發），而自動控制系統也大致如是，而數學模型因太專業而復雜得多，如德國西門子公司自行開發軋鋼數學模型，但冶煉方面的數學模型則是鋼鐵公司或專業公司開發的，美、日也如此，如寶鋼一期工程從日本引進的焦爐的數學模型是由新日鐵公司提供、三期工程是由日本關西化學公司提供，酒鋼焦爐的加熱模型是從德國OTTO公司引進的。在奧地利則奧鋼聯提供從燒結開始包括煉鐵、煉鋼、軋鋼以至能源的自動化系統、質量系統、全廠管理系統以及數學模型等技術，但自動化裝備硬件則是外購而組成系統，法國還有鋼鐵研究院（IRSID），比利時也有冶金研究院（CRM）也進行數學模型研究，如高爐的爐熱模型就是IRSID發表的，以后日本等也基本參考其思路。
參照國外和國內情況，由于國內最近在國資委下已組成鋼研集團公司（包括鋼鐵研究總院和冶金自動化研究設計院），似乎可以以此為基礎遵照奧鋼聯形式并和各鋼鐵設計院、高校協作發展下去，工廠是一支主要力量，日本鋼鐵公司大都設技術中心，內設鋼鐵、設備、自動化研究所作為主力，我國寶鋼等鋼鐵公司也大致如是，大都以強大的鋼鐵生產及巨大的利潤為后盾，撥有充足經費，研究所專心研究只考核研究成績，沒有上交利潤任務，這是值得參考的。
組織形式決定后，還需有一系列政策和要注意的問題，為此建議：① 上級對所屬單位考核方法要改進。它是足以影響其方向和發展的，對于冠以研究的單位，應看研究成果，過去我國制定的科學14條雖然時代變化，但其“出成果、出人材是根本任務”，不僅過去起了很大作用，而且今天仍是核心，不過要補充，應加上成果轉化率及效益；② 國家要提高科研投入。其實國家投入不少，也有專家評審委員會，問題是投入分散、目標（包括形成生產力）與要求以及經費使用尚需改進，最好采用招標制度，看效果而不是僅看單位名氣；③ 高級技術職稱和稱號（包括兩院院士）應主要授予從事該工作的人員，不要終身制，工作調動到其他崗位（如升遷到管理部門等），應只作為經歷不再保留，由其他人重新補缺；④ 要提高技術人員待遇、地位和使用方式，要改變過分重視行政級別的情況。在國外教授地位和待遇高無后顧之憂，教課后就可一頭扎進試驗室進行研究，因此國外甚至包括無論從大陸或香港到國外的中國人有獲得洛貝爾獎的、菲德爾獎或其他最高技術榮譽或獎的，而在國內至今還沒有獲得洛貝爾獎的；原因之一是我們活動多，其他時間消耗多，人的精力有限，因此很難有驚人創造；⑤ 研究隊伍要穩定，研究目標要有穩定性。以日本富士公司、日立公司對專家系統等人工智能開發工具研究為例，其研究所有一個約十人研究組，研制出的專家系統開發工具，一代一代改進，不斷推出新型號新產品，而國內到現在還沒有一個國產的類似高性能的商品化產品，而使很多部門不得不高價進口（如某公司以8萬美元購買專家系統開發工具），而國內或者僅由博士生或碩士生作為生產實踐或論文進行，或者雖由科研人員進行，但達到某一目標又改作其他專題等等原因而難以獲得能與外國同類產品相比。此外，對于高水平的成果與產品還需加大力量。
參考文獻：
[1] 李崇堅. 大功率電力電子技術在鋼鐵工業中的應用[J]. 變頻器世界，2007（1）: 4~5.
[2] 孫彥廣. 冶金自動化技術現狀和發展趨勢[J]. 冶金自動化，2004，28(1) : 1~5.
[3] 馬竹梧. 信息化、自動化的進展與鋼鐵工業自動化[J]. 冶金自動化，2003，27(增刊) : 5~16.
源自：《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號