我国冶金自动化技术进展和发展趋势分析
发布时间：2011-07-27 16:21:33
本文介绍了国内十一五期间冶金自动化技术主要进展，总结了目前存在的问题，分析了冶金自动化技术可能的发展趋势。
孙彦广（1964 －）
工学博士，教授级高级工程师，博士生导师。冶金自动化研究设计院副院长，国家冶金自动化工程技术中心主任。主要从事冶金过程建模和优化控制、钢铁企业信息化方面研发工作。
摘要：本文介绍了国内十一五期间冶金自动化技术主要进展，总结了目前存在的问题，分析了冶金自动化技术可能的发展趋势。
关键词：冶金自动化技术；发展趋势
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 我国冶金自动化发展状况
1.1 基础自动化和过程控制系统
在基础控制方面，以PLC、DCS、工业控制计算机为代表的计算机控制取代了常规模拟控制，在冶金企业全面普及。近年发展起来的现场总线、工业以太网等技术逐步在冶金自动化系统中应用，分布控制系统结构替代集中控制成为主流。
在控制算法上，重要回路控制普遍采用PID算法，智能控制、先进控制在电炉电极升降控制、连铸结晶器液位控制、加热炉燃烧控制、轧机轧制力控制等方面有了初步应用，取得了一定成果。
在检测方面，与回路控制、安全生产、能源计量等相关的流量、压力、温度、重量等信号的检测仪表的配备比较齐全；高炉的软熔带形状与位置、高炉炉缸渣铁液位、炼钢过程的熔池钢水含碳量和温度、连续铸钢过程的结晶器钢坯拉漏预报、钢材质量和机械性能预报等软测量技术取得了初步成果。
在电气传动方面，用于节能的交流变频技术普遍采用；国产大功率交、直流传动装置在轧线上得到成功应用。
在过程控制方面，计算机过程控制系统普及率有较大幅度提高，根据最近中国钢铁工业协会的调查结果，按冶金工序划分，57.54%的高炉、56.39%的转炉、58.56%的电炉、 60.08%的连铸、 74.5%的轧机采用计算机过程控制系统。把工艺知识、数学模型、专家经验和智能技术结合起来，在炼铁、炼钢、连铸、轧钢等典型工位的过程模型和过程优化方面取得了一定的成果，如高炉炼铁过程优化与智能控制系统、有副枪转炉动态数学模型、电炉供电曲线优化、智能钢包精炼炉控制系统、连铸二冷水优化设定、轧机智能过程参数设定等等。
1.2 信息化
根据中国钢铁工业协会的调查结果，10%左右的炼铁工序、25%左右的炼钢工序、50%左右的轧钢工序采用了生产管理计算机系统。冶金企业逐步认识到MES（制造执行系统）的重要性，在综合应用运筹学、专家系统和流程仿真等技术，协调生产线各工序作业，进行全线物流跟踪、质量跟踪控制、成本在线控制、设备预测维护等方面取得了初步成果。
随着企业管理水平的不断提高，“信息化带动工业化”在冶金企业成为共识，企业信息化方兴未艾，受到企业领导高度重视，各企业纷纷开始信息化规划和建设，很多企业已经构造了企业信息网，为企业信息化奠定了良好的基础。根据中国钢铁工业协会报告，“我国钢年产量500万吨以上的8家企业100%上了信息化的项目，钢年产量50万吨以上的58家企业中有45家上了企业信息化的项目，占77.6%”。
宝钢股份、武钢、宝钢集团不锈钢分公司等企业建成了主要产线的MES和产销一体化系统。宝钢集团不锈钢分公司在钢铁企业率先建成了企业生产指挥驾驶舱。钢铁企业信息化已经从信息的整合深入到知识的挖掘。宝钢在建立生产经营数据仓库和知识获取方面走在了国内同行的前列，开发了综合数据挖掘系统、基于数据挖掘的质量分析技术、基于数据仓库的客户服务知识库，创建了智能质量设计知识库，取得了显著的成果。
2 “十五”期间我国冶金自动化技术进展
2.1 检测
“十五”期间，我国钢铁工业在金属原位分析、钢水连续测温、轧制力智能监测、冶金反应过程中气体成分的动态分析、热风炉烟气中的氧含量(残氧量) 连续监测等方面取得了突破。
冶金反应过程炉气成分分析系统。以具有快速响应的小分子飞行时间质谱为检测器，结合高温、高粉尘和高流速条件下的工业气体取样技术，集成成套的单体自动化设备，用于自动、在线、实时分析钢铁冶炼过程中产生的炉气的成分。
热风炉烟气氧量在线分析系统。由氧检测探头和电子学变送器及实际测量数学方程等几部分组成，应用于炼铁工艺中的热风炉燃烧，可在线、即时、快速、准确监测热风炉烟气中的氧含量(残氧量)，结合执行机构调控空／燃比可达到提高风温、节能降耗、减少环境污染的目的。
黑体空腔式钢水连续测温技术与系统。在国内外首次提出黑体空腔式钢水连续测温方式，融合了接触式测温准确可靠和非接触式测温成本低的优点。用相当于现行的消耗型热电偶间断测温成本实现了钢水连续测温。
附着式轧制力智能监测系统研制与应用。由附着式传感器、工控机柜、智能仪表、数码显示器、报警装置、UPS电源、系统电源和监测软件等构成。重点解决如何利用智能监测仪表、工控机和监测软件对产生的干扰信号进行识别与处理，消除对测量精度和稳定性产生的严重影响。
2.2 电气传动
“十五”期间，我国钢铁工业在大功率交交变频调速系统、智能化高压变频装置的研究方面取得了新进展。
大功率交交变频调速系统及推广应用。研制了我国第一套热连轧机主传动交流调速装备，攻克了高精度、高动态响应、多套交交变频对电网的无功冲击及谐波污染的治理和轧机主传动机电振动的抑制等技术难关，在攀钢1450热连轧厂投入使用。其静态精度与动态响应等各项技术性能指标达到国际先进水平。扭转了大功率变频调速装备依赖进口的局面，实现了国产大功率交流调速装备的产业化。
智能化高压变频装置的研究及推广应用。在冶金行业中，大型风机和泵类驱动普遍应用高压电机，高压变频是大中型风机、泵类高压电机调速的关键技术。AriVert_智能化高压变频装置通过了国家电控配电设备质量监督检验中心按照国际标准IEC61800-4进行的型式试验，其主要技术指标达到国际先进水平。在攀钢、凌钢等钢铁企业推广高压变频调速装置10余套。
2.3 铁钢轧区自动控制与优化
2.3.1 铁区自动控制与优化
“十五”期间，我国钢铁工业在炼焦配煤优化系统、焦炉加热计算机控制及管理系统、烧结过程智能控制管理系统、烧结终点判断与智能控制系统、炼铁优化专家系统、高炉人工智能系统等方面取得了丰硕成果。
炼焦配煤优化系统。通过最优决策和专家知识库，在保证焦炭质量、现有煤种和库存限量等条件下，优化选择适合于炼铁生产需求的最佳配煤模型。
烧结过程智能控制管理系统。将烧结配料、混合、加水、布料、点火、烧成等生产工序的过程控制进行模型化处理，合理解决配料、加水、布料、烧成等模型之间的关系和内部关键技术，实现烧结全过程大闭环优化智能控制。
炼铁优化专家系统。以高炉“高产、优质、低耗、长寿”的炼铁目标和“安全、稳定、顺行、均衡”的操作方针作为建立成套“多目标系统优化”数学模型的工艺理论依据，创建了描述冶炼过程非线性变动规律的“变频数理统计”算法，建立了“样本空间模型”、“系统分析表”和“系统优化图”等数学模型，数量化地描述了重要生产规律。采用计算机软件工程学原理设计软件系统，实现了高炉冶炼过程优化操作。
2.3.2 钢区自动控制与优化
“十五”期间，我国钢铁工业在转炉计算机控制炼钢技术、钢包精炼炉控制系统、精炼炉控制系统综合自动化、全连铸计算机生产组织动态控制模型等方面取得了新进展。
转炉控制系统。综合冶金反应机理、现场操作经验和数值计算方法，建立炼钢过程数学模型，达到冶炼过程的计算、预测和优化。实行对冶炼全过程的参数计算和优化、质量跟踪、生产顺序控制和管理，实现了转炉炼钢全过程自动控制。
精炼炉控制系统。采用智能技术开发了系列精炼过程模型，包括热平衡计算和钢水温度预报、功率设定点优化、电极升降智能控制、成分微调和齿轮钢淬透性预报模型、钢中总氧含量预报模型、吹氩搅拌模型、喂线模型等。
全连铸计算机生产组织动态控制模型。在引进的三级管理计算机工序GANTT图模型基础上开发适合工艺需要、简单明晰的“生产时刻表”动态调整控制模型，并经过工艺管理人员不断优化工序过程参数，实现了计算机管理的生产组织模式。
2.3.3 轧区自动控制与优化
“十五”期间，我国钢铁工业在无缝钢管热轧生产线上加热炉计算机优化控制、加热炉燃烧模糊控制系统、现代化步进式加热炉的模糊控制、燃烧过程优化技术与计算机控制、中厚板轧钢厂四辊精轧机液压AGC 、3500mm中厚板轧机核心轧制技术和关键设备、带钢热连轧计算机控制系统、张减机三电改造及壁厚控制、冷连轧机轧制过程动态仿真及控制优化取得了丰硕成果。
燃烧过程优化技术与计算机控制。以工业炉、加热炉、锅炉等热工与热力设备的燃烧过程为研究对象，应用数学模型、计算机模拟与优化技术对上述设备的燃烧过程进行数学模型的建立、数值计算、计算机模拟与过程优化，从理论到生产过程中给出热工与热力设备最佳燃烧过程的技术参数，应用专家系统与数据库知识把燃烧过程优化参数输入计算机控制模块中，对燃烧过程实现动态计算机优化控制，达到热力与热工设备生产过程的节能降耗与无污染运行的目的。
中厚板轧机核心轧制技术。建立了高精度控轧控冷数学模型，开发了相应的控制软件，实现了TMCP工艺；开发出热轧钢材组织性能预报技术，并首次应用于中厚板的在线力学性能预报；自主开发了具有厚度自动控制、板形自动控制、平面形状控制、全自动轧钢等先进功能的中厚板轧机计算机控制系统；开发的高精度、智能化系列数学模型用于中厚板轧机的厚度控制、板形控制、平面形状控制，效果良好。
带钢热连轧计算机控制系统。针对热连轧这类快速过程要求高速控制及高速通讯的特点，开发了包括L3生产控制级，L2过程自动化级及从连铸机出口到成品卷取机全线L1基础自动化级的全部应用软件，实现了不同板坯厚度交叉轧制的动态调度，厚度设定数学模型，电动－液压混合厚度控制(AGC)，板形设定数学模型，前馈板形控制，平辊窜辊控制及窜辊策略，卷取温度控制(CTC)，并成功地将智能控制应用于AGC，CTC及人－机界面HMI系统。
2.4 信息化
“十五”期间，我国钢铁工业在板带钢集成制造执行系统、现代化不锈钢企业综合自动化系统、铁水运输计算机仿真系统研究、设备诊断技术在武钢“万点受控”工程应用等方面取得了丰硕成果。
2001-2005年钢铁行业一批重点企业信息化建设项目新建上线。宝钢股份、武钢、衡阳钢管、通化钢铁、天津钢管、江阴兴澄特钢、湘钢、马钢、承钢、新兴铸管、涟钢、石钢、邢钢、杭钢、首钢、济钢、宝钢集团不锈钢分公司（原上海一钢）、宝钢集团特殊钢分公司（原上海五钢）、宝钢集团梅钢公司、昆钢、攀钢、重钢、东北特钢、广钢等共计24个钢铁企业项目和一个钢铁物流贸易企业中钢集团项目在信息化方面取得阶段性成果。上述24个钢铁企业占全国钢产量的34.2%。
宝钢、武钢、首钢、马钢、湘钢、济钢、攀钢、通钢、石钢、涟钢等先期实施信息化单位，按照分步实施原则，先后启动了集团信息化二期、三期工程，向管理业务和工艺流程纵横两个方向拓展，进一步开发了人力资源管理系统、设备管理系统、项目管理系统、能源管理系统、计量质量系统、电子商务及不同产线的生产制造执行系统等，各企业实施的范围和进度各有不同。
目前，钢铁企业信息化已经从信息的整合深入到知识的挖掘。宝钢在建立生产经营数据仓库和知识获取方面走在了国内同行的前列。他们开发了综合数据挖掘系统、基于数据挖掘的质量分析技术、基于数据仓库的客户服务知识库，创建了智能质量设计知识库，取得了显著的成果。通钢、济钢、湘钢、新兴铸管、武钢等企业也在KMS方面开始了有益的探索。他们把信息资源的深度开发提高到企业竞争力的地位，有力的提高了我国企业信息化的水平。
3 差距和问题
“十五”期间，我国钢铁工业在信息化、自动化方面取得了巨大进步。但总体水平与国外先进水平相比还有很大差距。
3.1 基础自动化和过程控制
在基础控制方面，控制设备主要依靠国外引进，特别是高性能控制器，国外大公司处于相对垄断的地位。而我国在高性能控制器设计开发能力与实力雄厚的国外大公司还有一定的差距，需要加大力度，开发自主知识产权的高性能控制装备，并采用智能控制等先进控制方法，形成性能优异的高性能冶金自动化系统。
检测方面：国内冶金特殊检测仪表的原理样机方面取得了很多成果，但在充分考虑冶金现场环境特殊要求下，提高检测仪表的可靠性、易维护性等方面需要进一步研究开发，同时软测量、性能预报等技术需要进一步研究。
电气传动方面：传统的晶闸管元件正逐步让位于新型可关断电力半导体器件，大功率交直交传动装置是大型冷轧、电机节能等领域替代交交变频的新一代大功率传动技术。国外ABB公司和美国GE公司已研制成功采用4500V/4000A IGCT元件的大功率三电平PWM变频器用于轧机主传动。国内需要在这方面有一定技术储备，但需要加大力度，研制出国产化冷轧传动交直交变频样机，树立国产化大功率交直交变频的样板。
过程建模和优化方面：过程计算机更多地起到了数据汇总、过程监视和打印综合报表的作用，由于冶金过程的复杂性，数学模型的适应性很差，过程优化方面的功能大打折扣，即使高价从国外引进的过程控制系统充分发挥作用的也不多。如何把工艺知识、数学模型、专家经验和智能技术结合起来，实现炼铁、炼钢、连铸、轧钢等典型工位的过程模型和过程优化方面，并保证其长期稳定运行并推广普及还需进一步做工作。
3.2 信息化
综合应用运筹学、专家系统和流程仿真等技术，协调生产线各工序作业，进行全线物流跟踪、质量跟踪控制、成本在线控制、设备预测维护等方面取得了初步成果，但如何真正在冶金企业发挥作用还需做大量细致务实的工作。
企业信息化工作是企业管理的一场革命，不可能毕其功于一役，需要对其本质意义的深刻理解和方方面面条件的支撑，从观念转变、管理机制变革到信息的上通下达，还有相当长的路要走，才能真正发挥效益。主要问题有：
一些企业信息化的目标、任务和关键点不明确；企业中缺乏既懂管理又懂信息化的复合人才；缺乏合理的信息化规划或投资方案；有的企业信息化目标定得过高，忽视了管理现状和基础自动化现状，效果与目标差距较大。
一些企业没有把信息化作为管理创新的工具和载体，不重视流程的梳理和优化；系统建设者与使用者沟通结合不够，手工系统与计算机系统长期并行，信息化的效果没有充分发挥。
部分企业信息及自动化技术研发和持续改进的能力较薄弱；信息资源利用差；信息安全缺乏保障;多数中小企业技术装备和自动化水平落后，信息技术应用水平差距大。
4 冶金自动化发展趋势
冶金自动化技术在信息化、自动化技术的推动和冶金行业可持续发展需求的拉动双重机制作用下，必将取得更大进展，主要发展趋势体现在以下方面：
4.1 基础自动化和过程控制系统
冶金流程在线连续检测和监控系统。采用新型传感器技术、光机电一体化技术、软测量技术、数据融合和数据处理技术、冶金环境下可靠性技术，以关键工艺参数闭环控制、物流跟踪、能源平衡控制、环境排放实时控制和产品质量全面过程控制为目标，实现冶金流程在线检测和监控系统，包括铁水、钢水及熔渣成分和温度检测和预报，钢水纯净度检测和预报，钢坯和钢材温度、尺寸、组织、缺陷等参数检测和判断，全线废气和烟尘的监测等。
冶金过程关键变量的高性能闭环控制。基于机理模型、统计分析、预测控制、专家系统、模糊逻辑、神经元网络、支撑矢量机（SVM）等技术，以过程稳定、提高技术经济指标为目标，在上述关键工艺参数在线连续检测基础上，建立综合模型，采用自适应智能控制机制，实现冶金过程关键变量的高性能闭环控制。包括高炉顺行闭环专家系统、钢水成分和温度闭环控制、铸坯和钢材尺寸和组织性能闭环控制等。
大功率高性能电气传动。采用新型电力电子元件，大功率高性能的交直交变频传动、高中压变频传动和超大功率交交变频传动。
4.2 信息化
冶金流程的全息集成。实现铁-钢-轧横向数据集成和相互传递，实现管理-计划-生产-控制纵向信息集成，同时，整合生产实时数据和关系数据库为数据仓库，采用数据挖掘技术提供生产管理控制的决策支持。
计算机全流程模拟，实现以科学为基础的设计和制造。采用计算机仿真技术、多媒体技术和计算力学技术，基于各种冶金模型，进行流程离线仿真和在线集成模拟，生成一个分布式、网络化、集成的“虚拟工厂”软件系统环境，通过人机交互和协同计算，模拟钢铁工业产品生产全过程。支持生产组织优化、生产流程优化、新生产流程设计和新产品开发优化。
提升钢铁生产制造智能。在生产组织管理方面，基于事例推理、专家知识的生产计划与运筹学中网络规则技术，提供快速调整作业计划的手段和能力，以提高生产组织的柔性和敏捷化程度；根据各工序参数，自动计算各工序的生产顺序计划及各工序的生产时间和等待时间，实现计划的全线跟踪和控制，并能根据现场要求和专家知识，进行灵活的调整；异常情况下的重组调度技术以及在多种工艺路线情况下，人机协同动态生产调度。在质量管理方面，基于数据挖掘、统计计算与神经网络分析技术，对产品的质量进行预报、跟踪和分析；根据生产过程数据和实际数据，判定在生产中发生的品质异常。在设备管理方面，采用生产设备的故障诊断与预报技术，建立设备故障、寿命预报模型，实现预测维护。在成本控制方面，采用数据挖掘与预报技术，建立动态成本模型预测生产成本；利用动态跟踪控制技术，优化原材料的配比、能源介质的供应、产线定修制度、生产的调度管理，动态核算成本，以降低生产成本。
能源管理和优化系统。针对新一代可循环钢铁制造流程， 采用能源介质和主要能效设备在线监测、能源负荷预测和能源供需平衡分析、能源结构和调度优化等关键技术，形成能源在线监测装置、能效分析工具和企业级能源优化系统。
企业信息集成到行业信息集成。信息化的目的之一是实现信息共享，在有效竞争前提下趋利避害，在企业信息化编码体系标准化、企业异构数据/信息集成基础上，进一步实现协作制造企业信息集成，全行业信息网络建设及宏观调控信息系统，直至全球行业信息网络建设及宏观调控信息系统。
管控一体化，实现实时性能管理（Real Performance Management）。协调供产销流程，实现从订货合同到生产计划、制造作业指令、到产品入库出厂发运的信息化。生产与销售连成一个整体，计划调度和生产控制有机衔接；质量设计进入制造，质量控制跟踪全程，完善PDCA质量循环体系；成本管理在线覆盖生产流程，资金控制实时贯穿企业全部业务活动，通过预算、预警、预测等手段，达到事前和事中的控制。
知识管理和商业智能。利用企业信息化积累的海量数据和信息，按照各种不同类型的决策主题分别构造数据仓库，通过在线分析和数据挖掘，实现有关市场、成本、质量等方面数据—信息—知识的递阶演化，并将企业常年管理经验和集体智慧形式化、知识化，为企业持续发展和生产、技术、经营管理各方面创新奠定坚实的核心知识和规律性的认识基础。
