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    孫彥廣（1964 －）
工學博士，教授級高級工程師，博士生導師。冶金自動化研究設計院副院長，國家冶金自動化工程技術中心主任。主要從事冶金過程建模和優化控制、鋼鐵企業信息化方面研發工作。

摘要：本文介紹了國內十一五期間冶金自動化技術主要進展，總結了目前存在的問題，分析了冶金自動化技術可能的發展趨勢。

關鍵詞：冶金自動化技術；發展趨勢

Abstract: In this paper, the main development of national metallurgical automation technologies is introduced and the gap upto the world advanced level is indicated. The future development trend of metallurgical automation technologies are presented.

key words: Metallurgical Automation Technology；Development Trends

1 我國冶金自動化發展狀況

    1.1 基礎自動化和過程控制系統

    在基礎控制方面，以PLC、DCS、工業控制計算機為代表的計算機控制取代了常規模擬控制，在冶金企業全面普及。近年發展起來的現場總線、工業以太網等技術逐步在冶金自動化系統中應用，分布控制系統結構替代集中控制成為主流。

    在控制算法上，重要回路控制普遍采用PID算法，智能控制、先進控制在電爐電極升降控制、連鑄結晶器液位控制、加熱爐燃燒控制、軋機軋制力控制等方面有了初步應用，取得了一定成果。

    在檢測方面，與回路控制、安全生產、能源計量等相關的流量、壓力、溫度、重量等信號的檢測儀表的配備比較齊全；高爐的軟熔帶形狀與位置、高爐爐缸渣鐵液位、煉鋼過程的熔池鋼水含碳量和溫度、連續鑄鋼過程的結晶器鋼坯拉漏預報、鋼材質量和機械性能預報等軟測量技術取得了初步成果。

    在電氣傳動方面，用于節能的交流變頻技術普遍采用；國產大功率交、直流傳動裝置在軋線上得到成功應用。

    在過程控制方面，計算機過程控制系統普及率有較大幅度提高，根據最近中國鋼鐵工業協會的調查結果，按冶金工序劃分，57.54%的高爐、56.39%的轉爐、58.56%的電爐、 60.08%的連鑄、 74.5%的軋機采用計算機過程控制系統。把工藝知識、數學模型、專家經驗和智能技術結合起來，在煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等典型工位的過程模型和過程優化方面取得了一定的成果，如高爐煉鐵過程優化與智能控制系統、有副槍轉爐動態數學模型、電爐供電曲線優化、智能鋼包精煉爐控制系統、連鑄二冷水優化設定、軋機智能過程參數設定等等。

    1.2 信息化

    根據中國鋼鐵工業協會的調查結果，10%左右的煉鐵工序、25%左右的煉鋼工序、50%左右的軋鋼工序采用了生產管理計算機系統。冶金企業逐步認識到MES（制造執行系統）的重要性，在綜合應用運籌學、專家系統和流程仿真等技術，協調生產線各工序作業，進行全線物流跟蹤、質量跟蹤控制、成本在線控制、設備預測維護等方面取得了初步成果。 

    隨著企業管理水平的不斷提高，“信息化帶動工業化”在冶金企業成為共識，企業信息化方興未艾，受到企業領導高度重視，各企業紛紛開始信息化規劃和建設，很多企業已經構造了企業信息網，為企業信息化奠定了良好的基礎。根據中國鋼鐵工業協會報告，“我國鋼年產量500萬噸以上的8家企業100%上了信息化的項目，鋼年產量50萬噸以上的58家企業中有45家上了企業信息化的項目，占77.6%”。

    寶鋼股份、武鋼、寶鋼集團不銹鋼分公司等企業建成了主要產線的MES和產銷一體化系統。寶鋼集團不銹鋼分公司在鋼鐵企業率先建成了企業生產指揮駕駛艙。鋼鐵企業信息化已經從信息的整合深入到知識的挖掘。寶鋼在建立生產經營數據倉庫和知識獲取方面走在了國內同行的前列，開發了綜合數據挖掘系統、基于數據挖掘的質量分析技術、基于數據倉庫的客戶服務知識庫，創建了智能質量設計知識庫，取得了顯著的成果。

2 “十五”期間我國冶金自動化技術進展

    2.1 檢測

    “十五”期間，我國鋼鐵工業在金屬原位分析、鋼水連續測溫、軋制力智能監測、冶金反應過程中氣體成分的動態分析、熱風爐煙氣中的氧含量(殘氧量) 連續監測等方面取得了突破。

    冶金反應過程爐氣成分分析系統。以具有快速響應的小分子飛行時間質譜為檢測器，結合高溫、高粉塵和高流速條件下的工業氣體取樣技術，集成成套的單體自動化設備，用于自動、在線、實時分析鋼鐵冶煉過程中產生的爐氣的成分。

    熱風爐煙氣氧量在線分析系統。由氧檢測探頭和電子學變送器及實際測量數學方程等幾部分組成，應用于煉鐵工藝中的熱風爐燃燒，可在線、即時、快速、準確監測熱風爐煙氣中的氧含量(殘氧量)，結合執行機構調控空／燃比可達到提高風溫、節能降耗、減少環境污染的目的。

    黑體空腔式鋼水連續測溫技術與系統。在國內外首次提出黑體空腔式鋼水連續測溫方式，融合了接觸式測溫準確可靠和非接觸式測溫成本低的優點。用相當于現行的消耗型熱電偶間斷測溫成本實現了鋼水連續測溫。
附著式軋制力智能監測系統研制與應用。由附著式傳感器、工控機柜、智能儀表、數碼顯示器、報警裝置、UPS電源、系統電源和監測軟件等構成。重點解決如何利用智能監測儀表、工控機和監測軟件對產生的干擾信號進行識別與處理，消除對測量精度和穩定性產生的嚴重影響。

    2.2 電氣傳動

    “十五”期間，我國鋼鐵工業在大功率交交變頻調速系統、智能化高壓變頻裝置的研究方面取得了新進展。

    大功率交交變頻調速系統及推廣應用。研制了我國第一套熱連軋機主傳動交流調速裝備，攻克了高精度、高動態響應、多套交交變頻對電網的無功沖擊及諧波污染的治理和軋機主傳動機電振動的抑制等技術難關，在攀鋼1450熱連軋廠投入使用。其靜態精度與動態響應等各項技術性能指標達到國際先進水平。扭轉了大功率變頻調速裝備依賴進口的局面，實現了國產大功率交流調速裝備的產業化。

    智能化高壓變頻裝置的研究及推廣應用。在冶金行業中，大型風機和泵類驅動普遍應用高壓電機，高壓變頻是大中型風機、泵類高壓電機調速的關鍵技術。AriVert_智能化高壓變頻裝置通過了國家電控配電設備質量監督檢驗中心按照國際標準IEC61800-4進行的型式試驗，其主要技術指標達到國際先進水平。在攀鋼、凌鋼等鋼鐵企業推廣高壓變頻調速裝置10余套。 

    2.3 鐵鋼軋區自動控制與優化
        
    2.3.1  鐵區自動控制與優化

    “十五”期間，我國鋼鐵工業在煉焦配煤優化系統、焦爐加熱計算機控制及管理系統、燒結過程智能控制管理系統、燒結終點判斷與智能控制系統、煉鐵優化專家系統、高爐人工智能系統等方面取得了豐碩成果。

    煉焦配煤優化系統。通過最優決策和專家知識庫，在保證焦炭質量、現有煤種和庫存限量等條件下，優化選擇適合于煉鐵生產需求的最佳配煤模型。

    燒結過程智能控制管理系統。將燒結配料、混合、加水、布料、點火、燒成等生產工序的過程控制進行模型化處理，合理解決配料、加水、布料、燒成等模型之間的關系和內部關鍵技術，實現燒結全過程大閉環優化智能控制。

    煉鐵優化專家系統。以高爐“高產、優質、低耗、長壽”的煉鐵目標和“安全、穩定、順行、均衡”的操作方針作為建立成套“多目標系統優化”數學模型的工藝理論依據，創建了描述冶煉過程非線性變動規律的“變頻數理統計”算法，建立了“樣本空間模型”、“系統分析表”和“系統優化圖”等數學模型，數量化地描述了重要生產規律。采用計算機軟件工程學原理設計軟件系統，實現了高爐冶煉過程優化操作。
        
    2.3.2  鋼區自動控制與優化

    “十五”期間，我國鋼鐵工業在轉爐計算機控制煉鋼技術、鋼包精煉爐控制系統、精煉爐控制系統綜合自動化、全連鑄計算機生產組織動態控制模型等方面取得了新進展。

    轉爐控制系統。綜合冶金反應機理、現場操作經驗和數值計算方法，建立煉鋼過程數學模型，達到冶煉過程的計算、預測和優化。實行對冶煉全過程的參數計算和優化、質量跟蹤、生產順序控制和管理，實現了轉爐煉鋼全過程自動控制。

    精煉爐控制系統。采用智能技術開發了系列精煉過程模型，包括熱平衡計算和鋼水溫度預報、功率設定點優化、電極升降智能控制、成分微調和齒輪鋼淬透性預報模型、鋼中總氧含量預報模型、吹氬攪拌模型、喂線模型等。 

    全連鑄計算機生產組織動態控制模型。在引進的三級管理計算機工序GANTT圖模型基礎上開發適合工藝需要、簡單明晰的“生產時刻表”動態調整控制模型，并經過工藝管理人員不斷優化工序過程參數，實現了計算機管理的生產組織模式。

    2.3.3  軋區自動控制與優化

    “十五”期間，我國鋼鐵工業在無縫鋼管熱軋生產線上加熱爐計算機優化控制、加熱爐燃燒模糊控制系統、現代化步進式加熱爐的模糊控制、燃燒過程優化技術與計算機控制、中厚板軋鋼廠四輥精軋機液壓AGC 、3500mm中厚板軋機核心軋制技術和關鍵設備、帶鋼熱連軋計算機控制系統、張減機三電改造及壁厚控制、冷連軋機軋制過程動態仿真及控制優化取得了豐碩成果。

    燃燒過程優化技術與計算機控制。以工業爐、加熱爐、鍋爐等熱工與熱力設備的燃燒過程為研究對象，應用數學模型、計算機模擬與優化技術對上述設備的燃燒過程進行數學模型的建立、數值計算、計算機模擬與過程優化，從理論到生產過程中給出熱工與熱力設備最佳燃燒過程的技術參數，應用專家系統與數據庫知識把燃燒過程優化參數輸入計算機控制模塊中，對燃燒過程實現動態計算機優化控制，達到熱力與熱工設備生產過程的節能降耗與無污染運行的目的。

    中厚板軋機核心軋制技術。建立了高精度控軋控冷數學模型，開發了相應的控制軟件，實現了TMCP工藝；開發出熱軋鋼材組織性能預報技術，并首次應用于中厚板的在線力學性能預報；自主開發了具有厚度自動控制、板形自動控制、平面形狀控制、全自動軋鋼等先進功能的中厚板軋機計算機控制系統；開發的高精度、智能化系列數學模型用于中厚板軋機的厚度控制、板形控制、平面形狀控制，效果良好。

    帶鋼熱連軋計算機控制系統。針對熱連軋這類快速過程要求高速控制及高速通訊的特點，開發了包括L3生產控制級，L2過程自動化級及從連鑄機出口到成品卷取機全線L1基礎自動化級的全部應用軟件，實現了不同板坯厚度交叉軋制的動態調度，厚度設定數學模型，電動－液壓混合厚度控制(AGC)，板形設定數學模型，前饋板形控制，平輥竄輥控制及竄輥策略，卷取溫度控制(CTC)，并成功地將智能控制應用于AGC，CTC及人－機界面HMI系統。

    2.4 信息化

    “十五”期間，我國鋼鐵工業在板帶鋼集成制造執行系統、現代化不銹鋼企業綜合自動化系統、鐵水運輸計算機仿真系統研究、設備診斷技術在武鋼“萬點受控”工程應用等方面取得了豐碩成果。

    2001-2005年鋼鐵行業一批重點企業信息化建設項目新建上線。寶鋼股份、武鋼、衡陽鋼管、通化鋼鐵、天津鋼管、江陰興澄特鋼、湘鋼、馬鋼、承鋼、新興鑄管、漣鋼、石鋼、邢鋼、杭鋼、首鋼、濟鋼、寶鋼集團不銹鋼分公司（原上海一鋼）、寶鋼集團特殊鋼分公司（原上海五鋼）、寶鋼集團梅鋼公司、昆鋼、攀鋼、重鋼、東北特鋼、廣鋼等共計24個鋼鐵企業項目和一個鋼鐵物流貿易企業中鋼集團項目在信息化方面取得階段性成果。上述24個鋼鐵企業占全國鋼產量的34.2%。

    寶鋼、武鋼、首鋼、馬鋼、湘鋼、濟鋼、攀鋼、通鋼、石鋼、漣鋼等先期實施信息化單位，按照分步實施原則，先后啟動了集團信息化二期、三期工程，向管理業務和工藝流程縱橫兩個方向拓展，進一步開發了人力資源管理系統、設備管理系統、項目管理系統、能源管理系統、計量質量系統、電子商務及不同產線的生產制造執行系統等，各企業實施的范圍和進度各有不同。

    目前，鋼鐵企業信息化已經從信息的整合深入到知識的挖掘。寶鋼在建立生產經營數據倉庫和知識獲取方面走在了國內同行的前列。他們開發了綜合數據挖掘系統、基于數據挖掘的質量分析技術、基于數據倉庫的客戶服務知識庫，創建了智能質量設計知識庫，取得了顯著的成果。通鋼、濟鋼、湘鋼、新興鑄管、武鋼等企業也在KMS方面開始了有益的探索。他們把信息資源的深度開發提高到企業競爭力的地位，有力的提高了我國企業信息化的水平。

3 差距和問題

    “十五”期間，我國鋼鐵工業在信息化、自動化方面取得了巨大進步。但總體水平與國外先進水平相比還有很大差距。

    3.1 基礎自動化和過程控制

    在基礎控制方面，控制設備主要依靠國外引進，特別是高性能控制器，國外大公司處于相對壟斷的地位。而我國在高性能控制器設計開發能力與實力雄厚的國外大公司還有一定的差距，需要加大力度，開發自主知識產權的高性能控制裝備，并采用智能控制等先進控制方法，形成性能優異的高性能冶金自動化系統。

    檢測方面：國內冶金特殊檢測儀表的原理樣機方面取得了很多成果，但在充分考慮冶金現場環境特殊要求下，提高檢測儀表的可靠性、易維護性等方面需要進一步研究開發，同時軟測量、性能預報等技術需要進一步研究。

    電氣傳動方面：傳統的晶閘管元件正逐步讓位于新型可關斷電力半導體器件，大功率交直交傳動裝置是大型冷軋、電機節能等領域替代交交變頻的新一代大功率傳動技術。國外ABB公司和美國GE公司已研制成功采用4500V/4000A IGCT元件的大功率三電平PWM變頻器用于軋機主傳動。國內需要在這方面有一定技術儲備，但需要加大力度，研制出國產化冷軋傳動交直交變頻樣機，樹立國產化大功率交直交變頻的樣板。

    過程建模和優化方面：過程計算機更多地起到了數據匯總、過程監視和打印綜合報表的作用，由于冶金過程的復雜性，數學模型的適應性很差，過程優化方面的功能大打折扣，即使高價從國外引進的過程控制系統充分發揮作用的也不多。如何把工藝知識、數學模型、專家經驗和智能技術結合起來，實現煉鐵、煉鋼、連鑄、軋鋼等典型工位的過程模型和過程優化方面，并保證其長期穩定運行并推廣普及還需進一步做工作。

    3.2 信息化

    綜合應用運籌學、專家系統和流程仿真等技術，協調生產線各工序作業，進行全線物流跟蹤、質量跟蹤控制、成本在線控制、設備預測維護等方面取得了初步成果，但如何真正在冶金企業發揮作用還需做大量細致務實的工作。

    企業信息化工作是企業管理的一場革命，不可能畢其功于一役，需要對其本質意義的深刻理解和方方面面條件的支撐，從觀念轉變、管理機制變革到信息的上通下達，還有相當長的路要走，才能真正發揮效益。主要問題有：

    一些企業信息化的目標、任務和關鍵點不明確；企業中缺乏既懂管理又懂信息化的復合人才；缺乏合理的信息化規劃或投資方案；有的企業信息化目標定得過高，忽視了管理現狀和基礎自動化現狀，效果與目標差距較大。

    一些企業沒有把信息化作為管理創新的工具和載體，不重視流程的梳理和優化；系統建設者與使用者溝通結合不夠，手工系統與計算機系統長期并行，信息化的效果沒有充分發揮。

    部分企業信息及自動化技術研發和持續改進的能力較薄弱；信息資源利用差；信息安全缺乏保障;多數中小企業技術裝備和自動化水平落后，信息技術應用水平差距大。

4 冶金自動化發展趨勢

    冶金自動化技術在信息化、自動化技術的推動和冶金行業可持續發展需求的拉動雙重機制作用下，必將取得更大進展，主要發展趨勢體現在以下方面：

    4.1 基礎自動化和過程控制系統

    冶金流程在線連續檢測和監控系統。采用新型傳感器技術、光機電一體化技術、軟測量技術、數據融合和數據處理技術、冶金環境下可靠性技術，以關鍵工藝參數閉環控制、物流跟蹤、能源平衡控制、環境排放實時控制和產品質量全面過程控制為目標，實現冶金流程在線檢測和監控系統，包括鐵水、鋼水及熔渣成分和溫度檢測和預報，鋼水純凈度檢測和預報，鋼坯和鋼材溫度、尺寸、組織、缺陷等參數檢測和判斷，全線廢氣和煙塵的監測等。

    冶金過程關鍵變量的高性能閉環控制。基于機理模型、統計分析、預測控制、專家系統、模糊邏輯、神經元網絡、支撐矢量機（SVM）等技術，以過程穩定、提高技術經濟指標為目標，在上述關鍵工藝參數在線連續檢測基礎上，建立綜合模型，采用自適應智能控制機制，實現冶金過程關鍵變量的高性能閉環控制。包括高爐順行閉環專家系統、鋼水成分和溫度閉環控制、鑄坯和鋼材尺寸和組織性能閉環控制等。

    大功率高性能電氣傳動。采用新型電力電子元件，大功率高性能的交直交變頻傳動、高中壓變頻傳動和超大功率交交變頻傳動。

    4.2 信息化

    冶金流程的全息集成。實現鐵-鋼-軋橫向數據集成和相互傳遞，實現管理-計劃-生產-控制縱向信息集成，同時，整合生產實時數據和關系數據庫為數據倉庫，采用數據挖掘技術提供生產管理控制的決策支持。

    計算機全流程模擬，實現以科學為基礎的設計和制造。采用計算機仿真技術、多媒體技術和計算力學技術，基于各種冶金模型，進行流程離線仿真和在線集成模擬，生成一個分布式、網絡化、集成的“虛擬工廠”軟件系統環境，通過人機交互和協同計算，模擬鋼鐵工業產品生產全過程。支持生產組織優化、生產流程優化、新生產流程設計和新產品開發優化。

    提升鋼鐵生產制造智能。在生產組織管理方面，基于事例推理、專家知識的生產計劃與運籌學中網絡規則技術，提供快速調整作業計劃的手段和能力，以提高生產組織的柔性和敏捷化程度；根據各工序參數，自動計算各工序的生產順序計劃及各工序的生產時間和等待時間，實現計劃的全線跟蹤和控制，并能根據現場要求和專家知識，進行靈活的調整；異常情況下的重組調度技術以及在多種工藝路線情況下，人機協同動態生產調度。在質量管理方面，基于數據挖掘、統計計算與神經網絡分析技術，對產品的質量進行預報、跟蹤和分析；根據生產過程數據和實際數據，判定在生產中發生的品質異常。在設備管理方面，采用生產設備的故障診斷與預報技術，建立設備故障、壽命預報模型，實現預測維護。在成本控制方面，采用數據挖掘與預報技術，建立動態成本模型預測生產成本；利用動態跟蹤控制技術，優化原材料的配比、能源介質的供應、產線定修制度、生產的調度管理，動態核算成本，以降低生產成本。

    能源管理和優化系統。針對新一代可循環鋼鐵制造流程， 采用能源介質和主要能效設備在線監測、能源負荷預測和能源供需平衡分析、能源結構和調度優化等關鍵技術，形成能源在線監測裝置、能效分析工具和企業級能源優化系統。

    企業信息集成到行業信息集成。信息化的目的之一是實現信息共享，在有效競爭前提下趨利避害，在企業信息化編碼體系標準化、企業異構數據/信息集成基礎上，進一步實現協作制造企業信息集成，全行業信息網絡建設及宏觀調控信息系統，直至全球行業信息網絡建設及宏觀調控信息系統。

    管控一體化，實現實時性能管理（Real Performance Management）。協調供產銷流程，實現從訂貨合同到生產計劃、制造作業指令、到產品入庫出廠發運的信息化。生產與銷售連成一個整體，計劃調度和生產控制有機銜接；質量設計進入制造，質量控制跟蹤全程，完善PDCA質量循環體系；成本管理在線覆蓋生產流程，資金控制實時貫穿企業全部業務活動，通過預算、預警、預測等手段，達到事前和事中的控制。

    知識管理和商業智能。利用企業信息化積累的海量數據和信息，按照各種不同類型的決策主題分別構造數據倉庫，通過在線分析和數據挖掘，實現有關市場、成本、質量等方面數據—信息—知識的遞階演化，并將企業常年管理經驗和集體智慧形式化、知識化，為企業持續發展和生產、技術、經營管理各方面創新奠定堅實的核心知識和規律性的認識基礎。