冶金自动化技术现状和发展趋势
来源: 发表时间:2008-9-9 15:49:36
我国已连续4年成为世界钢材产量的第一大国，同时钢材品种、结构调整正在卓有成效地加速进行，冶金自动化也发挥着越来越重要的作用。回顾我国冶金自动化取得巨大成就的同时，应清楚地看到我们的差距和问题，按照我国走新型工业化道路的要求，结合我国冶金工业发展需求，制订我国冶金自动化技术的战略规划。
冶金自动化技术作为自动化在冶金行业的应用技术，其发展轨迹既遵从自动化学科自身的发展规律，也与钢铁工业的发展，包括工艺路线演化、制造装备的更迭、生产流程和组织方式、企业运营模式的改革和进步等密切关联。
一、冶金自动化技术现状和差距
按照目前流行的自动化体系结构，典型的冶金自动化系统按功能层次可分为过程控制系统、生产管理控制系统、企业信息化系统3个层面。
（一）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，已在冶金企业全面普及。据最近中国钢铁工业协会的调查结果，按冶金工序划分，计算机控制的采用率分别为高炉100%，转炉95.43%，电炉95.9%，连铸99.42%，轧机99.68%。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，回路控制普遍采用PID算法，智能控制、先进控制技术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。
在过程建模和优化方面，计算机配置率有较大幅度提高，根据最近中国钢铁工业协会的调查结果，按冶金工序划分，计算机配置率分别为高炉57.54%，转炉56.39%，电炉58.56%，连铸60.08%，轧
机74.5%。但是，应当清醒地看到，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。近年来，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，但如何保证其长期稳定运行并推广普及还需进一步做工作。
（二）生产管理控制系统
根据最近中国钢铁工业协会的调查结果，按冶金工序划分，生产管理控制系统计算机配置率分别为高炉5.97%，转炉23.03%，电炉26.12%，连铸20.64%，轧机41.68%。从功能上来讲，信息集成和事务处理的层面多一些，决策支持和动态管理控制作用没有发挥出来。近年来，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，但如何真正在冶金企业发挥作用并结合各企业现状进行推广还需做大量细致务实的工作。
（三）企业信息化系统
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。漆永新在\"解读钢铁企业信息化\"的报告中指出:\"我国钢年产量500万t以上的8家企业100%上了信息化的项目，钢年产量50万ｔ以上的58家企业中有45家上了企业信息化的项目，占77.6%\"。从功能角度讲，企业资源计划（ERP）成为热点，以德国SAP为代表的ERP通用产品和韩国浦项、台湾中钢为代表的定制系统都在冶金企业找到了落脚点。此外，供应链管理系统（SCM）、客户关系管理（CRM）、企业流程重组（BPR）等概念也被冶金企业所熟悉。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，避免掉入信息化投入的\"黑洞\"。
二、钢铁行业未来发展对冶金自动化技术的需求
（一）钢铁行业未来发展及制约因素
党的十六大提出了全面建设小康社会的宏伟目标，2020年国民生产总值比2000年翻两番。要实现新型工业化的目标，离不开钢铁工业强有力的支持，中国钢铁工业将继续保持稳定发展态势。根据中国钢铁工业协会2003年组织的市场调查结果，预计2005年国内实际钢材消耗量达到2.5亿ｔ，2010年达
到3.1亿ｔ，要求国内钢铁产能有较大幅度的提高。目前我国仍有近2/3的优质钢材需要进口，国内钢铁企业在品种质量方面还需要做艰苦的努力。钢铁行业未来在数量和质量两方面的发展都存在着很多制约因素。在产能增加方面，首先是资源缺乏的矛盾日益突出，例如按目前的消耗水平，现有冶金矿产资源将很难保证本世纪内生产的需求；其次，能源结构不合理，二次能源利用还很不充分，能耗高；第三，推行高效、低耗、优质、污染少的绿色清洁生产虽已有了初步成效，但从总体上看还处于初始阶段。在品种质量方面，首先是淘汰落后工艺装备的任务还未完成，流程的全面优化和工艺装备的进一步优化还受各种条件的制约，大型设备依赖进口，特别是薄板连铸连轧生产线等基本全套引进；其次，在新品种开发方面，原创性自主创新不多，产品质量的技术保障体系尚需完善。
（二）冶金行业技术进步以及对冶金自动化技术的需求
以上问题的解决，最终必须依靠冶金行业技术创新能力的增强，同时，对冶金自动化技术提出了新的挑战。
炼铁系统（铁、焦、烧）是高炉-转炉流程降低成本和提高环境质量的瓶颈，目前现状和国际炼铁发展目标有相当的差距，要向渣量150～300kg/t、焦比240～300kg/t、喷煤250～300kg/t、风温1250～1300℃、寿命大于20年的21世纪国际先进目标努力。对自动化技术的需求主要有:（1）开发更多的专用仪表，特别是直接在线检测质量的仪表，采用数据融合技术；（2）针对高炉冶炼大滞后系统特点，前馈控制和反馈控制相结合，采用预测控制等先进控制技术；（3）数学模型、专家系统和可视化技术相结合，保证冶炼过程顺行；（4）信息技术与系统工程技术相结合，不断优化操作工艺，提高技术性能指标；（5）应当关注直接还原和熔融还原（HISmelt、Corex、Finex技术）等新一代炼铁生产流程对自动化技术的新需求。
炼钢是钢铁生产的重要工序，对降低生产成本，提高产品质量，扩大产品范围，具有决定性影响：（1）目前，国内绝大多数钢铁厂（转炉或电炉）均采用人工经验控制炼钢终点，效率低，稳定性差，无法满足洁净钢或高品质钢生产的质量要求，需要完善动态数学模型，并与炉气分析等技术结合，提高炼钢终点的自动控制水平。（2）炼钢采取了很多综合节能工艺技术，要求针对工艺的变化，建立能量/物料综合优化模型，确定合理化学能输入比例、顶底比例、优化电功率曲线和废钢/铁水比例，以提高冶炼强度，缩短冶炼周期，提高生产效率，达到节能降耗的目的。（3）铁水预处理和炉外精炼的发展要求建立化学成分、纯净度、钢水温度全线高精度预报模型，并对合金化、造渣、成分调节进行优化控制。（4）继续优化高效连铸和近终型连铸技术，要求提升电磁连铸自动控制技术；开发接近凝固温度、高均质、高等轴晶化的优化浇铸技术和铸坯质量保障系统；同时考虑薄板坯连铸、薄带连铸（StripCasting）等新工艺的自动化需求。
20世纪轧钢技术取得重大技术进步的主要特征是自动化技术的应用，如计算机自动控制在连轧机上首先应用，使板带材的尺寸精度控制得到了飞跃，AGC的广泛推广应用就是例证，以后的板形自动控制、中厚板的平面形状自动控制、自由规程轧制等，无一不是以计算机为核心的高新技术应用的结果。今后，轧钢生产工艺流程将更加紧凑，趋于铸轧一体化生产和柔性化生产，对自动化提出新的要求:（1）要求先进的高精度、多参数在线综合测试技术与高响应速度的控制系统相结合，保证轧钢生产的高精度、高速度以及产品的高质量。（2）数学模型和人工智能相结合，轧钢工艺控制和管理相结合，实现生产过程的优化和高品质化。（3）计算力学与数值模拟相结合，由轧制尺寸形状预报和力学模拟转到金属组织性能预报和控制。（4）扩展控轧控冷技术与\"超级钢\"技术相结合，在自由规程轧制基础上实现真正的柔性化生产，即用同一化学成分的钢坯，在轧机上通过工艺过程参数的控制，生产出不同级别性能的钢材，大大提高轧制效率。
现代化钢铁厂，无论是以高炉-转炉为代表的联合企业还是以废钢为原料的电炉短流程钢厂，都具有一个明显的特征，即以产品为目标，以生产物流、能量流和信息流为纽带，将几个相对独立的生产单元有机地结合起来，形成高效化生产线。由于钢铁企业生产效率高，物资、能源消耗、运输、供应与销售量大，使企业与外部市场、社会和环境建立起错综复杂的联系。因此，对钢铁厂的生产与管理进行计算机控制，要求适应以下发展趋势:
（1）生产过程随着钢铁生产技术特别是连铸与热轧热送的发展日趋连续化，高效化的连续生产，要求钢厂计划控制和管理系统对整个生产过程中的各工序间的物流、能流和生产时序进行准确预报，实现快速信息反馈，及时准确和灵活地调整生产工艺和产品方案。
（2）目前，产品万能化的传统钢铁厂正在消亡，代之而起的是产品专业化、生产集成化的新型钢铁厂。集成化钢厂的基本特征是生产工序少，生产设备单机匹配，生产中的各种缓冲能力或缓冲容量逐渐减少，产品生产周期大幅度缩短，这要求计算机系统能对整个复杂的钢铁生产过程实现集中统一的生产管理、信息追踪和决策调整。
（3）产品质量是钢铁企业的生命线。和传统钢铁厂相比，现代化钢铁厂的主要特点是不再单纯依赖某一单一的生产工序控制产品质量，而必须从原料开始对每一工序都实现严格的质量控制与管理，才能保证最终产品的质量。这就要求钢铁企业自动化系统应具备对产品进行质量预报、在线监测和智能控制的功能。
三、冶金自动化技术发展趋势
冶金自动化技术在自动化技术的推动和冶金行业技术需求的拉动的双重机制作用下，必将取得更大进展。
（一）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、熔渣成分和温度的检测和预报，钢水纯净度检测和预报，钢坯和钢材的温度、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、铸坯和钢材尺寸及组织性能闭环控制等。
（二）生产管理控制系统
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，从而实现生产组织优化、生产流程优化、新生产流程设计和新产品开发。
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。
（三）企业信息化系统
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
企业信息系统的编码体系标准化、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（RealPerformanceManagement）。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、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。
四、小结
我国冶金自动化技术取得了很大的进步，为钢铁工业的发展做出了贡献，但与国际先进水平相比，还有相当大的差距。钢铁工业在数量和质量方面的发展为冶金自动化技术的发展既提供了机遇，也提出了新的挑战。面对冶金企业花巨资大量引进的国外软硬件产品、先进技术和自动化系统，我国冶金自动化工作者任重道远。
冶金自动化技术发展应紧密关注冶金行业技术发展动态和企业需求，在保障功能的前提下注重提升性能，加强过程工艺、工装设备、企业管理、生产组织、自动化等多专业的产学研联合攻关，以提高冶金企业经济效益、增强企业综合竞争力为主要目标，制定科学、合理的研究开发计划，走消化吸收、自主开发相结合，原始创新、集成创新相结合的技术路线，不断推出新的冶金自动化技术成果，形成一批具有自主知识产权的综合自动化软件和硬件产品，全面提高我国冶金工业经济效益和综合竞争力，促进我国冶金自动化软硬件产业的跨越式发展。
