冶金行業的自動化與信息化

1 引言

我國已連續四年景為世界鋼材產量的第一大國，同時鋼材品種結構調整正在卓有成效地加速進行，冶金自動化也發揮越來越重要的作用。

冶金自動化技術，作為自動化在冶金行業的應用技術，其發展軌跡既遵從自動化學科自身的發展規律，也與鋼鐵產業的發展，包括工藝路線演化、制造裝備的更迭、生產流程和組織方式、企業運營模式的改革和進步等密切關聯。文中首先先容了國內冶金自動化現狀及與國際先進水平的差距，然后分析了鋼鐵行業發展對冶金自動化技術的需求，最后給出了冶金自動化技術可能發展趨勢。

2 冶金自動化中的三個功能層

2.1 過程控制系統

(1) 計算機控制取代了常規模擬控制

·按冶金工序劃分，計算機控制的采用率分別為高爐100%，轉爐95.43%，電爐95.9%,連鑄99.42%,軋機99.68%[1]。
·在控制算法上，回路控制普遍采用PID算法，智能控制。
·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。
·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。

(2) 在過程建模和優化方面，計算機配置率有較大幅度進步
根據最近中國鋼鐵產業協會的調查結果[1], 在過程建模和優化方面，計算機配置率有較大幅度進步。

· 按冶金工序劃分，計算機配置率分別為高爐57.54%，轉爐56.39%，電爐58.56%,連鑄60.08%,軋機74.5%。
· 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未幾。

2.2 生產治理控制系統

· 按冶金工序劃分，生產治理控制系統計算機配置率分別為高爐5.97%，轉爐23.03%，電爐26.12%,連鑄20.64%,軋機41.68%[1]。
· 從功能上來講，信息集成和事務處理的層面多一些，決策支持和動態治理控制作用沒有發揮出來。

2.3 企業信息化系統

隨著企業治理水平的不斷進步，“信息化帶動產業化”在冶金企業成為共叫，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。具體情況如下：
(1) “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%”[2]。
(2) 從功能角度講，企業資源計劃（ERP）成為熱門，以德國SAP為代表的ERP通用產品和韓國浦項、臺灣中鋼為代表的定制系統都在冶金企業找到了落腳點，此外，供給鏈治理系統（SCM）、客戶關系治理（CRM）、企業流程重組（BPR）等概念也被冶金企業所熟悉。
(3) 企業信息化工作是企業治理的一場革命，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的支撐，從觀念轉變、治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, 避免掉進信息化投進的“黑洞”。

3 鋼鐵行業的發展目標及存在的題目

黨的十六大提出了全面建設小康社會的宏偉目標，2020年國民生產總值比2000年翻兩翻。要實現新型產業化的目標，離不開鋼鐵產業強有力的支持，中國鋼鐵產業將繼續保持穩定發展態勢。根據中國鋼鐵產業協會2003年組織的市場調查結果[3],預計2005年國內實際鋼材消耗量達到2.5億噸,2010年達到3.1億噸，要求國內鋼鐵產能有較大幅度的進步。目前我國仍有近三分之二的優質鋼材需要進口，國內鋼鐵企業在品種質量方面還需要做艱苦的努力。
鋼鐵行業未來在數目和質量兩方面的發展存在的題目：

(1) 在產能增加方面

首先是資源缺乏的矛盾日益突出，例如按目前的消耗水平，現有冶金礦產資源將很難保證本世紀內生產的需求；其次，能源結構不公道，二次能源利用還很不充分，能耗高；第三，推行高效、低耗、優質、污染產生少的綠色清潔生產雖已有了初步成效，但從總體上看還處于初始階段。

(2) 在品種質量方面

首先是淘汰落后工藝裝備的任務還未完成，流程的全面優化和工藝裝備的進一步優化還受各種條件的制約，大型設備依靠進口，特別是薄板連鑄連軋生產線等基本全套引進；其次，在新品種開發方面，原創性自主創新未幾，產品質量的技術保障體系尚需完善。

4 冶金自動化存在的題目及解決措施

以上題目的解決，終極必須依靠冶金行業技術創新能力的增強[4][5][6][7][8], 同時, 對冶金自動化技術提出了新的挑戰。

4.1 冶金自動化存在的題目

(1) 煉鐵系統(鐵、焦、燒)是高爐-轉爐流程降低本錢和進步環境質量的瓶頸，目前現狀和國際煉鐵發展目標有相當的差距，要向渣量150～300kg/t、焦比240～300 kg/t、噴煤250～300 kg/t、風溫1250～1300。C、壽命大于20年的21世紀國際先進目標努力。

(2) 煉鋼是鋼鐵生產的重要工序，對降低生產本錢，進步產品質量，擴大產品范圍，具有決定性影響。目前，國內盡大多數鋼鐵廠(轉爐或電爐)均采用人工經驗控制煉鋼終點，效率低，穩定性差，無法滿足潔凈鋼或高品質鋼生產的質量要求。

(3) 軋鋼技術
20世紀軋鋼技術取得重大技術進步的主要特征是自動化技術的應用， 如計算機自動控制在連軋機上首先應用，使板帶材的尺寸精度控制得到了奔騰，AGC的廣泛推廣應用就是例證，以后的板形自動控制、中厚板的平面外形自動控制、自由規程軋制等，無一不是以計算機為核心的高新技術應用的結果。

4.2 對冶金自動化技術的需求對自動化技術的需求主要有：
(1) 開發更多的專用儀表，特別是直接在線檢測質量的儀表，采用數據融合技術；
(2) 針對高爐冶煉大滯后系統特點，前饋控制和反饋控制相結合，采用猜測控制等先進控制技術；
(3) 數學模型、專家系統和可視化技術相結合，保證冶煉過程順行；
(4) 信息技術與系統工程技術相結合，不斷優化操縱工藝，進步技術性能指標；
(5) 應當關注直接還原和熔融還原(HISmelt、Corex、Finex技術)等新一代煉鐵生產流程對自動化技術的新的需求。

4.3 主要的解決措施

(1) 煉鐵系統
需要完善動態數學模型，并與爐氣分析等技術結合，進步煉鋼終點的自動控制水平；

(2) 煉鋼系統
·煉鋼采取了很多綜合節能工藝技術，要求針對工藝的變化，建立能量/物料綜合優化模型，確定公道化學能輸進比例、頂底比例、優化電功率曲線和廢鋼/鐵水比例，以進步冶煉強度，縮短冶煉周期，進步生產效率，達到節能降耗的目的；
·鐵水預處理和爐外精煉的發展要求建立化學成分、純凈度、鋼水溫度全線高精度預告模型，并優化合金化、造渣、成分調節控制；
· 繼續優化高效連鑄和近終型連鑄技術，要求提升電磁連鑄自動控制技術；開發接近凝固溫度、高均質、高等軸晶化的優化澆鑄技術和鑄坯質量保障系統；同時考慮薄板坯連鑄、薄帶連鑄(Strip-Casting)等新工藝的自動化需求。

(3) 軋鋼技術
·要求先進的高精度、多參數在線綜合測試技術與高響應速度的控制系統相結合，保證軋鋼生產的高精度、高速度以及產品的高質量；
· 數學模型和人工智能相結合，軋鋼工藝控制和治理相結合，實現生產過程的優化和高品質化；
·計算力學與數值模擬相結合，由軋制尺寸外形預告和力學模擬轉到金屬組織性能預告和控制；
· 擴展控軋控冷技術與“超級鋼”技術相結合，在自由規程軋制基礎上實現真正的柔性化生產，即用同一化學成分的鋼坯，在軋機上通過工藝過程參數的控制，生產出不同級別性能的鋼材，大大進步軋制效率。

4.4 現代化鋼鐵廠的發展趨勢

現代化鋼鐵廠，無論是以高爐-轉爐為代表的聯合企業還是以廢鋼為原料的電爐短流程鋼廠，都具有一個明顯的特征：即以產品為目標，以生產物流、能量流和信息流為紐帶，將幾個相對獨立的生產單元有機地結合起來，形成高效化生產線。由于鋼鐵企業生產效率高，物資、能源消耗、運輸、供給與銷售量大，使企業與外部市場、社會和環境建立起錯綜復雜的聯系。計算機控制的發展趨勢：

(1) 鋼鐵生產過程日趨連續化
生產過程日益隨著鋼鐵生產技術特別是連鑄與熱軋熱送的發展，鋼鐵生產過程日趨連續化，高效化的連續生產，要求鋼廠計劃控制和治理系統對整個生產過程中的各工序間的物流、能流和生產時序進行正確預告，實現快速信息反饋，及時正確和靈活地調整生產工藝和產品方案。

(2) 產品專業化、生產集成化新型鋼鐵廠
目前，產品萬能化的傳統鋼鐵廠正在消亡，代之而起的是產品專業化、生產集成化的新型鋼鐵廠。集成化鋼廠的基本特征是生產工序少，生產設備單機匹配，生產中的各種緩沖能力或容量逐漸減少，產品生產周期大幅度縮短，這要求計算機系統能對整個復雜的鋼鐵生產過程實現集中同一的生產治理、信息追蹤和決策調整。

(3) 產品質量是鋼鐵企業的生命線
和傳統鋼鐵廠相比，現代化鋼鐵廠的主要特點是不再單純依靠某一單一的生產工序控制產品質量，而必須從原料開始對每一工序都實現嚴格的質量控制與治理，才能保證終極產品的質量。這就要求鋼鐵企業自動化系統應具備對產品進行質量預告、在線監測和智能控制的功能。

5 冶金行業的自動化與信息化

冶金自動化技術在自動化技術的推動和冶金行業技術需求的拉動雙重機制作用下，必將取得更大進展[2][9][10][11]。

5.1 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、軟丈量技術、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告，鋼水純凈度檢測和預告，鋼坯和鋼材溫度、尺寸、組織、缺陷等參數檢測和判定，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、猜測控制、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、進步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。

5.2 生產治理控制系統

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，實現治理-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治理控制的決策支持。

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，以實現生產組織優化、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。在生產組織治理方面，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，以進步生產組織的柔性和靈敏化程度；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。在質量治理方面，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告、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。在設備治理方面，采用生產設備的故障診斷與預告技術，建立設備故障、壽命預告模型，實現猜測維護。在本錢控制方面，采用數據挖掘與預告技術，建立動態本錢模型猜測生產本錢；利用動態跟蹤控制技術，優化原材料的配比、能源介質的供給、產線定修制度、生產的調度治理，動態核算本錢，以降低生產本錢。

5.3 企業信息化系統

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，在有效競爭條件下趨利避害，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，實現實時性能治理(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、到產品進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；質量設計進進制造，質量控制跟蹤全程，完善PDCA質量循環體系；本錢治理在線覆蓋生產流程，資金控制實時貫串企業全部業務活動，通過預算、預警、猜測等手段，達到事前和事中的控制。

知識治理和貿易智能。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、本錢、質量等方面數據-信息-知識的遞階演化，并將企業常年治理經驗和集體聰明形式化、知識化，為企業持續發展和生產、技術、經營治理各方面創新奠定堅實的核心知識和規律性的熟悉基礎。

6 結束語

我國冶金自動化技術取得了很大的進步，為鋼鐵產業的發展做出了貢獻，但與國際先進水平相比，還有相當大的差距。鋼鐵產業在數目和質量方面的發展為冶金自動化技術的發展即提供了機遇，也提出了新的挑戰。面對冶金企業花巨資大量引進的國外軟硬件產品、先進技術和自動化系統，我國冶金自動化工作者任重道遠。

冶金自動化技術發展，應緊密關注冶金行業技術發展動態和企業需求，在保障功能的條件下注重提升性能，加強過程工藝、工裝設備、企業治理、生產組織、自動化等多專業的產學研聯合攻關，以進步冶金企業經濟效益、增強企業綜合競爭力為主要目標，制定科學、公道的研究開發計劃，走消化吸收、自主開發相結合，原始創新、集成創新相結合的技術路線，不斷推出新的冶金自動化技術成果，形成一批具有自主知識產權的綜合自動化軟件和硬件產品，全面進步我國冶金產業經濟效益和綜合競爭力，促進我國冶金自動化軟硬件產業的跨越式發展。