21世纪初钢铁工业自动化发展趋势、进展和对策

(1) 遵循和满足钢铁工业发展的趋势和需要

在市场经济体系下，钢铁工业面临激烈的市场竞争(产品竞争、质量竞争、成本竞争和服务竞争)，为了提高企业竞争能力，采用新工艺、新流程、新设备、新技术(自动化是其主要的一环)和新思想是当代钢铁工业的主要趋向，因而也使钢铁价格自1974年至今保持不变(其他如塑料、铝、水泥价格均直线上升)，而保持强大的竞争力。钢铁工业自动化是为钢铁工业服务的，自然其发展趋势是既遵从自动化科学发展趋势，也遵从钢铁工业发展趋势。

(2) 利用有关自动化的国内外资源、先进技术、运行经验等来组成自动化系统

在开放环境下，世界各国都是互相借鉴，参照发达国家如西门子、ABB、施耐德、阿尔斯通、GE、日立、三菱、安萨尔多等电气公司的装备、解决方案以及日德英法美芬兰各钢铁公司和奥钢联的经验、先进系统、数学模型等，经过创新而组成先进的和本国自主知识产权的监控系统与装备是当前各国钢铁工业自动化发展的另一趋向。

(3) 继续开发更多的钢铁工业自动化专用技术

包括检测方法和仪表传感器、电控装置和技术、包括智能控制的先进自动化系统、数学模型以至无人车间与工厂等，特别是提高质量的系统是另一趋向。

(4) 不同类型的一体化装备成为钢铁工业自动化的当前发展趋向

在市场经济规律下，导致国内外的钢铁公司、电气公司除了生产各种不同类型的自动化装备外，还生产各种不同类型的一体化装备和IT(产品)。包括：

-从单体的自动化装备趋向于多个并组成专用功能的系统：如美国Allegany公司的适合于连铸的中间包称重和液位测量以及其他过程的电子秤系统，北京中远通科技公司的摄像仪非接触式连铸定尺切割控制系统、轧钢用的非接触式冷床辊道集群自动控制系统、非接触式中厚板自动长宽测量系统等；美国Ronan公司、国内镭目公司、武钢计控公司、红河谷公司的连铸结晶器液位控制仪，冶金自动化研究院的高炉静压测量系统、北京科技大学的烧结机尾图象仪等；

-机电一体化装备，如仪表类型的有：德国DDS公司的高炉微波料面计、日本NEC的高炉料面热成象温度仪、国内的高炉料面热成象温度及观测仪、钢板测厚、测宽、板形仪等；设备类型的有：方坯连铸的打号机、板坯连铸喷印机、连铸的火焰切割机、型钢的飞剪、钢材打捆机等；

-机-电-工艺一体化：大规模的如国内北京凤凰公司、神雾公司等的轧钢加热炉包括机-电-工艺和数学模型的成套设备等；泰龙公司的轧钢的八辊轧机包括机-电-工艺和数学模型的成套设备；小规模的如线材的控轧控冷包括机-电-工艺和数学模型的成套设备、液压站成套设备、润滑站成套设备等)；

-数学模型、技术诀窍软件包化：如奥钢联的烧结生产率控制模型、高炉专家系统、转炉的基于副枪模型、连铸的包括漏钢预报的结晶器专家系统、动态冷却DYNASC、动态铸坯锥度控制ASTC等；

-平台和IT产业，如模糊控制、专家系统、神经元网罗的平台；ERP及MES供货商的有关这些系统的开发平台，如德国PSI(SMS-DEMAG/ALSTOM)公司提供的钢铁MES系统的全套开发平台PPS-METAL，韩国POSDATA公司的钢铁MES集成解决方案STEELPIA，英国BRONER公司的钢铁工业企业供应链和生产计划排程方面的通用开发平台PPS，国内宝信的MES中间软件产品Plature99、Xcom和Multilink等；先进控制软件包有：法国Adersa公司的AdvanTrol-Hiecon多变量预测软件包、AdvanTrol-PFC预测函数控制软件包等，美国AspenTech公司生产的IDCOM-M、CyboSoft公司的CyboCon软件(适用于无模型自适应控制的软件)、Honeywell Profimatics生产的RMPCT多变量预测控制软件包等)。

钢铁工业自动化的进展

钢铁工业自动化的进展大致可以分为如附表所示的五个阶段。

1 自动化与信息化相结合

钢铁工业自动化从简单的热管理和单参数自动控制系统开始，经历了初期的EIC一体化系统、1964年英国人D.H.Kelley提出的分层计算机系统、1969年日本钢铁公司(新日铁)君津厂的AOL系统及70年代新日铁的把其下属的9个钢铁联合企业的多级计算机系统与其东京总部的计算机系统相连成为当时世界最大规模的多级计算机系统、80年代的CIMS化等几个阶段；现代工业自动化系统都是按照图1所示CIMS(计算机集成制造系统，我国亦有称之为管理控制一体化系统)结构的多级分层计算机系统。

流程工业的CIMS体系结构按ISO(国际标准化组织)是如图1(a)所示分成6级的，后来又有5级、3级之分。虽然5级体系结构在流程工业CIMS的发展过程中起过很大的推动作用，但它忽视了生产过程中的物耗、能耗及设备在线控制与管理，难以推广。因此，近来提出BPS/MES/PCS 3级结构。其中BPS(Business planning system)级是单纯考虑企业经营管理问题，近来应用ERP(企业资源规划)，它主要是利用以财务分析决策为核心的整体资源优化技术；MES(Manufacturing execution system，即制造执行系统)级是考虑生产与管理结合问题的中间层制造执行系统，主要利用以产品质量和工艺要求为指标的先进控制技术和以生产综合指标为目标的生产过程优化运行、优化控制与优化管理技术，使CIMS中原本难以处理的具有生产与管理双重性质的信息问题得到了解决。

近年来由于要适应激烈的市场竞争需要，互联网和信息技术的发展，全球化的趋势，钢铁公司的自动化已从公司内部到顾客和社会。实行生产－物流－销售一体化，不仅内部联网，且与最终用户(汽车、机电制造等工厂)以至税务部门和海关联网，使信息更广域化和高效化，甚至通过卫星监视船舶到达地点，以向用户报告使之作接受准备。此外，电子商务的发展等等，这就要求自动化系统能适应这些进展。为此，出现如图2所示的WIMS(网络集成制造系统)。WIMS是以Web和智能技术为基础，能充分利用互联网的资源，能实现全球化供销链、远程技术支持和远程诊断等，M2-N2是常规控制和智能控制等，M3-N3可进行监控、复杂的数学模型和人工智能等运算，M4-N4以上是智能信息处理系统，M4-N5服务器将运行生产经营管理软件如ERP、MES等，M5-N5是电子商务，运行其软件的服务器与互连网相连。

信息化发展主要有： 企业内部信息化、企业与外部有关部门信息化和全球化的电子商务。

企业内部信息系统包括企业内部的计划、生产、采购、库存、运输、销售、供应、人力资源、财务、质量、设备运行和维修、工程等内容的涵盖整个企业的管理信息系统。目前国际大企业主要实行企业资源计划(简称ERP)，该系统是在企业已有的供销管理、制造管理、质量管理等基础上发展起来的，由计算机网络把相互独立的各个管理的系统连接起来，在共同的信息平台上，对内实行企业设计、制造、销售、服务等方面所涉及的人力、资金、物料、信息资源的统一规划、管理、配置和协调，通过对管理业务流程的整合，提高了企业管理效率。对外实行公开的原材料、零配件的网上招标采购，利用互联网进行产品交易，大大降低了采购成本和销售成本，提高了企业的市场竞争能力。企业信息化是数据源及其集成、管理和应用。近来发展的重要技术是数据挖掘系统，其功能包括数据收集、数据采样、数据预处理、可视化探索、聚类分析、模型建立、数据预报、优化设计、趋势分析以及规范管理等。

2 检测技术与仪表的进步

检测技术与仪表的进步主要表现在：

(1) 虚拟化

在自动化领域中，用硬件与软件组成的虚拟仪器仪表，因便宜、高效、灵活使得应用日益广泛。虚拟仪器仪表最重要的应用是软测量领域。软测量的基本概念是通过数学模型、状态估计等方法通过运算来对无法在线测量的参数进行在线估计。在钢铁工业如高炉的软熔带形状与位置、高炉炉缸渣铁液位，转炉熔池钢水含碳量和温度的连续测量(用数学模型及神经元网络)，连铸的结晶器钢坯拉漏预报(用数学模型及神经元网络)等都采用软测量方法并嵌入工业控制系统及监视器中来解决的。

(2) 网络化

通过Ethernet(以太网)或现场总线可把各种不同类型的网络化仪器仪表与计算机连接在同一网络上，其优点是：可使各自的潜力和资源得以充分发挥以及合理配置、可使有关部门数据共享、能使远方部门进行监控和诊断以及远距离调整(甚至洲际)、可节省大量人力和降低成本。因此许多大型和复杂的仪表都数字化并设有通信接口，可把数据送到相应分厂的计算机系统供监控或数学模型使用。生产科和技术科也通过网络直接下载这些数据或表格。

(3) 智能化

除了传统的使用电脑执行各种运算(如自动校零、线性化、补偿环境影响、量程切换、自诊断等)外，主要是人工智能的利用，例如利用人工神经元网络的自适应、自学习、联想记忆、反馈求精、黑箱映射、权值平衡、动态逼近和全息容错防失等技术以及模糊逻辑、专家系统、遗传算法、仿人智能、模式识别、混沌理论、物元可拓法、小波分析、分形系统等等使仪器仪表智能水平大大提高，从而提高精度和解决过去难以解决的问题。钢铁工业的例子有：利用逻辑树或统计式模式识别、BP神经元网络以及自学习功能好、调整时间短的概率法神经元网络来识别冷轧板表面缺陷，基于Beckman理论的在线钢板表面粗度测量仪，利用图象处理技术显示并定量测量烧结焦粒粒度及分布的仪表，为解决高合金钢的板管探伤问题使用SSP法，即把频谱分离并分别滤波，放大后再合成以提高信噪比，并利用超声波传播频率特性与结晶晶粒有关的特点等，采用最优频率方法以提高探伤精度等等。

(4) 高精度化

钢铁生产中，一台150t转炉装入铁水称量误差为1％时，出钢温度将差5℃，石灰称量误差5％时，出钢温度将差7℃；高炉炼铁时，如要将铁水温度控制在±10℃以内，就要求高炉煤气中N2的分析精度高于0.1%，因而要求检测和控制的精确度要高。在钢铁工业除了提高传感器及仪表的测量精确度外，还注意安装方法和环境条件，特别是周围温度超过允许范围时会带来误差，因而先进的冷却设备是很重要的一环。两类冷却装置值得注意。其一是按流体力学和热传导理论制成的热管，它比最良好的导热物质—铜所制成的同样尺寸的管子，其导热要快几倍，把成组的热管装在大型仪表箱子或晶闸管箱子外壁将大大提高其散热性，它特别适用于要求密封防尘的场合。另一种冷却设备是致冷旋涡管(Cool Sure Vortex Tube)，国外如美国的Transonix、EXAIR等公司均生产，是一种小型致冷器。它是根据Ranque-Hisch管原理制作的，把一般压缩空气引进一个小型旋涡管中，气体在旋涡管中转动前进并分离成两股不同温度的旋涡气流分别输出，一股比气源温度高11~38.9℃，另一股则远比气源温度低，甚至达-61℃。这种小型致冷器只需压缩空气即可。这种致冷旋涡管在国外钢铁工业已广泛应用，国内的引进工程和设备(如宝钢，成都无缝钢管厂的连铸机)也在使用。特别适合于难以引进冷却水的场合和使用水会引起安全问题的场合，前者如行走吊车的连续测量铁水或钢水重量的电子吊钩秤(虽用挡板来隔热，但最好有冷却)，后者如监视高炉铁水沟出铁状态的工业电视(使用水冷，不仅水套笨大，且会结垢和漏水，水漏到铁水中更会出现爆炸事故，用风冷效果不佳)等冷却问题。其他如测量连续铸钢的中间包液位所用的压头，测量连铸坯表面温度、测量热轧钢板带温度等所用的传感器，跟踪热物料的热金属探测器等等都已使用这种致冷旋涡管。

(5) 机电一体化与在线化

在钢铁工业中典型的机电一体化多功能化检测仪表有：高炉软融带形状探测器，高炉水平探测器，高炉垂直探测器，高炉微波料面形状测量仪，炉外精炼，H2含量在线分析，铁水含硅量在线分析，转炉测温定碳副枪，连铸多功能辊缝测量仪、结晶器锥度测量仪，钢板形状测量仪，冷热轧钢带板形测量仪，钢管质量多功能检测仪，线材直径及椭园度测量仪等等。

(6) 全球卫星定位等高技术的应用

近年来则用于测量移动物体的位置，其典型的例子是在铁水调度过程中测量铁水车的位置。如宝钢铁水运输动态监测系统，由中心站(内设接收装置即DGPS基准接收机、无线通讯机、计算机以及16.5m2大屏幕显示装置)、车载设备(包括DGPS接收机、无线通讯机、导航工控机、工位车号发送装置等)和工位车号接收机组成。接收天空中可见的DGPS卫星信号，车辆定位是将卫星在基准点实测位置与预先精确测量的位置值进行比较，得出偏差并成为差分量，并通过数传发送到各个车载的DGPS接收机，中心站的计算机将车辆定位信号经过处理(包括坐标变换)显示在大屏幕上。

3 自动化装备的进步

包括现代工业控制装备的进展，主要是PLC、DCS的进一步发展、FCS的出现与IPC应用的扩展、现场总线的出现与以太网应用的扩展。

过去PLC主要是适宜于开关量和顺序控制以及不是特大规模的回路控制与数据采集。分散控制系统DCS是集通信、计算、控制与显示(CRT)4C技术于一体的控制装置。FCS(现场控制系统)是由PLC和DCS发展而来的，它是全数字化、智能化和多功能的取代模拟式单功能仪表和控制器的装置，它本质上是信息处理现场化的装置与系统。其特点是比较便宜，适宜于中规模的回路控制、数据采集以及量不大的开关量和顺序控制。由于新型的PLC和DCS都有向对方靠拢的趋势，即PLC加强了回路控制的功能，DCS也有很强的顺序控制功能。至于选哪一种系统还需看具体情况而定，但由于方便连网、设备统一、减少备件，故钢铁工业EIC系统已由过去的回路控制采用DCS、顺序控制采用PLC，而变为IE一体化系统，也有用全PLC系统(如上海宝钢集团梅山冶金公司高炉、本钢一铁厂高炉等)的，由于价格原因近来趋向于全PLC系统，如新建的小高炉、甚至大型高炉如天铁2000m3高炉(2003年投产)都是全PLC系统。

随着PC机的进展，主频已超过了1GB，硬盘已超过20GB，内存也可达256MB，且可以使用更通用的、价格较低廉的系统软件，如Windows-NT以及各种开发工具等，在工业控制中越来越多采用。工业控制计算机(IPC)就是加固的个人计算机(即PC机)硬件与控制软件的组合。

(1) 目前IPC的三个趋势

l IPC采用通用的I/O装置(如采用西门子公司S7系列PLC的S7-200、S7-300、ET200等I/O装置)及监视器，嵌入通用的、商品化的支持软件(如控制和数据处理软件以及双机热备和冗余配置软件、监视软件等)组成自动化系统，而且可连网组成大规模分布式系统、多级计算机系统等。有许多公司生产这种软件，如美国的Entivity、Think & Do、Steeplechase等公司。PC-based的基础自动化系统已在许多领域中应用。重庆钢铁公司这样的大企业，几乎全部大型加热炉也拆除了原来的DCS或单回路数字式调节器，而改用PC-based工控机来组成控制系统，并采用模糊控制算法而获得良好效果，节约了大量投资、方便了维护和取得了显著经济效益；

-在增加可靠性方面，IPC机也可借助于软件(如美国的Entivity公司的软件)而作到CPU冗余配置，过去冗余配置只是CPU、网络及其通信器，但很少有冗余配置I/O，而事实上CPU更可靠，I/O却经常出毛病，目前不仅I/O可冗余，而且可使I/O部分即只是重要的某些点冗余，这就大大节省投资；

-IPC机也作为过程计算机代替传统的VAX型过程计算机或Alpha系列的小型机，甚至MES级的计算机。近来也已在钢铁工业采用，如宝钢集团公司上海第一钢铁厂的2500m3高炉(过程自动化级采用IPC为核心的工作站)、上海宝钢集团梅山冶金公司的1250m3高炉(基础自动化使用西门子S5-155H型PLC，过程自动化级采用两台工控机)、宝钢集团公司上海第一钢铁厂新建不锈钢生产线，采用德国SMS-DEMAG推荐系统包括超高功率电弧炉、AOD炉和VOD炉各一座，后配连铸机。自动化由西门子承包的其过程自动化级包括4台PC机，每台设奔腾处理器，10GB硬盘，256MB内存，CD-ROM驱动器，内部键盘和鼠标，系统总线接口板，软件为Windows-NT，分别作为中央数据库系统、EAF(电弧炉)/AOD炉/VOD炉的过程计算机、开发试验计算机和供技术专家使用的开发计算机。其功能相当复杂，包括电弧炉、AOD炉和VOD炉的复杂数学模型及在线控制。该系统的特点还有无论是操作员终端还是过程计算机、OS服务器都全部使用PC机，系统软件也是通用的，因而造价低廉，但功能强大。

4 控制策略与先进控制的进步

随着工艺优化，用户要求高质量、多品种、小批量且价格合理的产品，要求开发更多高精度、适应性更强的系统。经典自控理论难以适应多参数、非线性和高度不确定的对象。过去由于快速计算机、CAD环境、数值计算法等不具备，使现代控制理论构成的系统应用不多，80年代后，上述问题相继得到解决，使现代控制理论得以实用化。

(1) 先进的控制策略

-复合或改进PID算法(这在钢铁工业使用较多，如连铸结晶器钢水液面控制等等)；

-H∞控制理论以及构成鲁棒控制方法。按此理论构成比较成功的有：连铸结晶器钢水液面控制、板带热连轧厚度自动控制(AGC)和轧机传动系统轴承振动控制等系统；

-预测控制。预测控制有多种形式，如：模型预测控制、综合预测控制、receding horizon预测控制、模型预测启发控制、广义预测控制、多参量预测控制等；

-自适应控制。在钢铁工业生产工程中，不少过程是时变的，若采用的结构与参数是固定的，则在过程参数改变时，调节品质将恶化，甚至失控，这就需要使用自适应控制。目前流行的有：自整定控制器及其他简单的自适应控制器(最常见的是自整定PID参数的控制器，目前大多数DCS或数字式传动系统的电子控制器都有这种功能)、带有参考模型的自适应控制系统(由于建模困难，目前出现“无模型控制算法”，这种方法其实也是有模型的，不过不需要用户自己建立而是由自适应算法来建立，这种无模型控制算法(NMACA)已有商品化的软件，据报道使用NMACA算法比之PID算法控制结果精度高得多，波动减小到一半以上)、自校正控制(它在理论上是很完善的，但在钢铁工业实践中，如在退火炉群控制和高炉热风炉控制中效果不理想，且没有商品化的软件)；

-协调控制。它的基本概念是整个生产管理综合协调，包括人机协调、人与人协调、机与机协调、现场与办公室的协调以及管理与控制的协调，全盘考虑以获得最大的经济效益，协调控制已在日本的连铸生产中使用；

-多输入多输出控制。在钢铁工业应用也日益增多，如日本住友金属公司鹿岛钢铁厂3号高炉的热风炉优化模型。为了保证送风温度和控制硅砖接缝温度不低于耐火砖相变点温度，采用了热风炉动态模型，把热并联的热风炉动态特性格式化，用积分式最佳调节器多变量控制法来构成无论热并联送风或低温送风都适合的投入热量控制系统；

-智能控制。主要有3种方式：即：模糊控制(已成功用于高炉热风炉燃烧、加热炉燃烧、烧结的配料、炉外精炼的钢包炉加热和搅拌、连铸的结晶器钢水液面，冷轧板形等控制，无论调节时间和波动幅度都比PID控制好得多)、神经元网络控制(已用于电弧炉炼钢以及炉外精炼钢包炉的电极升降控制、优化设定、电参数预测和智能PID控制，热轧板带连轧机的优化设定等)、专家系统(它是一种基于专家知识及其推理方法对被控对象进行控制的技术，过去是单项(如高炉异常炉况诊断、炉热诊断等)或少数功能(高炉的炉热预报和炉况预报，以及短、中、长期诊断、突发性异常预报、休风指导及设备故障指导等功能)仅作为操作指导的专家系统，近来的进展是综合化(多目标或全面的专家系统，如芬兰罗德洛基-日本川崎专家系统并为我国武钢、本钢和首钢引进，它对炉温、炉型、顺行、炉缸中渣铁平衡进行监控与管理，它除了使用知识和产生式规则外，还使用数学模型运算)与闭环化(如奥钢联的高炉VAIRON自动化系统，其专家系统是闭环控制的，是世界上第1个实行闭环控制的的高炉专家系统。它直接按炉子状况，闭环控制炉料及其装入和分布、焦比、碱度、喷煤和喷蒸汽等)。

(2) 数学模型的进展

现在在生产过程中应用的模型已包括一般模型和模拟模型以及控制模型。一般模型是指带有技术计算性质的模型如配料优化模型等，模拟模型是指模拟对象动态行为包括工艺过程和设备性能仿真等，控制模型主要供实时控制或操作指导之用。如高炉过程数学模型已由只有控制模型转而为包括：

-一般模型：配料模型及质量预测、配料优化模型等。

-模拟模型：热化学模型(操作线图、碳-直接还原图即C-DRR图等)、风口循环区模型、炉底侵蚀推断模型、软熔带位置推断模型、高炉操作预测模型、热风炉操作预测模型；其他模型还有研究高炉行为的一维、二维和三维模型等。

-控制模型：热风炉燃烧模型、无料钟布料控制模型、炉热判定模型、多目标综合控制模型等等。

5 设备诊断技术的进步与人工免疫系统

上世纪50年代以前发达国家的设备管理都是发生故障后停车检修，50年代开始使用预防性维护(TBM)，即安排定期检修，60年代增加了生产维护，70年代又引入全员生产维护(TPM)，80年代发展为预报维护(CBM)。预报维护主要的基础是状态检测技术与分析技术，近年的进展有：

(1) 电脑化与大规模信息网络

设备诊断近来使用大规模包括有分析模型的全厂性设备诊断网络和计算机系统，如日本钢铁公司八幡厂的热轧分厂的从加热炉至卷取设有设备诊断专用的多个工作站，进行全厂设备监测、评价、分析和预报，连铸生产也使用类似的系统。

(2) 使用模型进行故障诊断与预报近来使用数学模型进行诊断，主要有两类模型：

-基于解析方法的模型。如参数估计法、状态估计法、等价空间法等，由于大多数系统都是非线性的，故近来更多研究基于非线性模型，如基于区间参数模型、基于有不确定环节模型等，但大都很复杂，多科学技术的交叉，使用观测器、知识工程、自适应、鲁棒控制技术等甚至混合技术，故在钢铁工业成功并商品化的不多；

-基于知识方法的模型。如专家系统、模糊技术、神经网络、peri网、符号有向图、模式识别等。在钢铁工业主要是使用专家系统，它使没有经验的人员借此也可以达到专家水平而大受欢迎，它可以是单项的商品化的专家系统，例如旋转机械故障诊断专家系统、电机故障诊断专家系统等，也可以是实现在线计算机系统中的一个功能的专家系统，如冷轧计算机系统中的轧机液压压下设备故障诊断专家系统，还可以是更大的专门机组的AI系统，如高炉余压发电故障诊断专家系统等。模式识别也广泛使用，因为某些记录曲线，专家一看就知道是会出现故障，例如连铸钢包回转台轴承故障诊断和预报是很关键的，特别是回转台转到中间但未到位，如果轴承出故障，停车更换要很长时间，那钢水会冻住凝结，损失就很大，而回转台是旋转极慢(0.7rpm)，一般方法无法预报故障，但可用比较其振动时序曲线的方法解决，专家很容易识别正常与将破损的曲线。

(3) 大力发展过程诊断技术。设备诊断与过程诊断密切相关，如轧钢产品尺寸不良，有操作原因，有设备劣化原因，冷轧机监视系统包括过程诊断与设备诊断，前者主要是监视钢带尺寸、质量数据以及如轧制压力等操作数据，后者监视设备状态，并有分析支持功能以便进行设备和过程的综合分析。

(4) 人工免疫系统。是研究生物免疫系统发展起来的一门科学，包括免疫系统模型(如独特型免疫网络模型、多值网络免疫模型、免疫联想记忆模型等）、免疫学习算法(如反向选择算法、免疫遗传算法、克隆选择算法、基于疫苗的免疫算法、基于免疫网络的免疫算法等)等。它已开始用于设备诊断。

6 机器人的应用

机器人早已进入钢铁工业，特别是在钢铁冶炼的高温、粉尘大等恶劣环境，用于渣铁槽中取样、更换风口和打出铁口、铁水罐车喷浆等。日本住友金属工业公司用作高炉泥泡投入泥浆、铁水沟取样等，但多为机械手或重演式机器人，采用顺序控制方式。近来主要发展是智能机器人，并与工厂控制网相连，甚至作为CIMS的一部分，如日本钢铁公司的连铸机器人，它使用专业机器人制造厂生产的SCARA型机器人，进行应用开发，该机器人包括眼睛(两个CCD摄像机及一个图象处理机)、大脑(内含专家系统)、手(六轴负载传感器和执行器)，它能辨别结晶器内钢水液位，保护渣是否不足并加入和分布保护渣，除去边渣和渣壳，防止反流卷渣等。除了连铸机器人外，近来还有砌炉拆炉的机器人，用于拆砌转炉和电炉的耐火砖，不仅省力而且可以使人免除在尘埃环境下工作。

7 综合管理控制系统的发展与MES系统的广泛化

CIMS(流程工业称CIPS，国内在钢铁工业有学者称为综合管理控制系统)过去主要是6级或5级结构，近来使3级结构。国外如美钢联、德国的蒂森、英钢联、日本五大钢铁公司均已在80年代中、末实现CIMS了。国内80年代末在个别厂(如引进的宝钢热连轧厂、无缝钢管厂)实现了CIMS的生产控制级，其后宝钢和外商合作建成了全公司的CIMS。

近来CIMS体系结构主要是3级体系结构。其中以MES为关键，MES起着将从生产过程产生的信息和从经营管理活动中产生的信息，以及生产管理活动中产生的信息进行转换、加工、传递的作用，是生产活动与管理活动信息集成的重要桥梁和纽带。据美国ARC公司(Automation Research Corp.)调查，在采用以BPS/MES/PCS三级结构为基础的MES技术后，可获得的效益为：质量提高19.2%，劳动生产率提高13.5%，产量提高11.5%。因此， MES已成为钢铁工业信息化的热门。近年来钢铁工业信息化，国内已有许多厂矿在建设并应用ERP，为了使ERP更有效和各分厂连接并获得MES系统的效益，纷纷完善PCS和建立MES，例如唐钢烧结厂的MES、江阴锡澄钢铁公司的炼钢MES(含电炉、炉外精炼等)、南钢炼钢-中板的MES、涟钢的炼铁MES、济钢的炼钢-中板及其一体化MES、济钢焦化MES等。

8 可视化技术的出现和监控系统的革新

高炉是密闭的，只能靠仪表检测数据进行推测，连铸过程表面看是敞开的，但其内部冷却过程、渣的影响仍然靠推断，故长期以来技术的发展，主要是靠试验、失败、再试验直到成功而取得。近来由于测试技术、计算技术、图象处理技术、工艺理论、特别是模型化的进步，使人们能了解过程的进展，并实行定量控制。利用上述技术并结合多媒体虚拟技术，把本来模糊的过程，变成透明化、可视化以方便操作，例如日本名古屋钢铁厂开发的连铸结晶器可视化系统便是一例。它把传感器群的数据送入专门的可视化用的计算机，在那里经数据处理和模型运算得出显示中间品质指标数据，并与预设定钢种中每个铸坯消除缺陷所需的适宜作业比较，然后直接成为可视化画面，并提出保证铸坯品质的作业和动作建议。近代高炉重大技术之一是利用传感器群的数据，经多个模型综合，并利用多媒体虚拟技术，把密封的、不可窥视的高炉内部情况变成开放的、可视化高炉，将内部情况用不同颜色的三维画面显示，并使用大尺寸投背式屏幕使操作者一目了然，便于操作。

9 优化、无人化与准无人化工厂的进展

(1) 优化生产

-公司性的优化生产。例如芬兰罗得洛基钢铁集团公司的钢铁厂管理决策系统，它包括3个模型：生产能力模型(包括铁、钢、坯、轧制过程，估算事故和维修停顿持续时间分布因数，亦即每个工序生产多少，是否需满负荷，是否需减产、是否需停产，要考虑整体效益)、费用模型(按各过程阶段计算出物料平衡和能耗平衡来建立)以及优化模型(按产品类别分组，按价格分组，按市场分组，亦即按集团公司下的各厂、国内用户、出口等分组来建立模型，以利润为目标函数)。该系统投入使用后，效果良好，在市场不景气的情况下，工厂利润在最低费用和最高利润之差值是每年为1500万芬兰马克，市场好转情况下每年为5500万芬兰马克；

-生产工序的优化生产。例如在高炉到转炉的成本优化中(包括高炉、铁水脱硫脱硅、转炉炼钢3个过程)，关于硅的最佳分配及各工序主要工艺指标如何分配才能使生产成本最低问题，在国外同样是以建立优化模型来解决的；

-辅助工序的优化生产。例如维护方式的选择优化系统，由于随着维护深入，可能使设备故障造成的产量和质量的损失减少，但维护费用增加，因此可用计算机建立维护费用曲线和故障造成的损失曲线，并求出两者合成曲线的费用最低点，以进行科学决策。

(2) 无人化与准无人化工厂

在国外为了降低成本、正在发展准无人化、局部无人化和全无人化工厂。第1种如日本钢铁公司的实现出铁过程一人控制。第2种如上述的使用连铸机器人，使连铸平台无人化。第3种是高度自动化的无人化工厂.，如日本川崎钢铁公司千叶厂1995年5月投产的第3热连轧厂，已实现全车间无人化，只在中控室有3人监视操作，生产管制中心；另外，日本钢管公司的福山厂4＃烧结机，面积400m2，年产量为650万吨，也于1996年2月实现无人化作业，仅保留3人当班。

对策

(1) 钢铁工业自动化发展很迅速，差距较大，要完全自行解决是困难的，在开放环境下，为加快取得经济效益，引进还是必要的，主要是有效管理，以便尽量减少重复引进，使引进发挥作用和作为技术来源，经过创新成为有自主知识产权的技术，甚至化进口为出口。因此要有一系列政策进行调控，政策要建立过去成功经验和现在问题所在上，例如过去的“一家引进，万家受益”方针使宝钢技术得以成功地推广应用，而现在强调企业自筹而防止转移，往往还有是许多技术压在某单位而替外国人保密，还有是许多既重复引进，又未挥作用。

(2) 加强开发但不必完全仿效西方国家系统且有创新。为节约开支而需有重点的解决生产重大问题的项目，如高炉长寿的必要监控、热风炉无波动换炉与协调控制、中小高炉的操作支持系统，转炉的在线钢水温度和成份预测，连铸的漏钢预报，轧钢的热连轧轧制力神经元网络模型，炼铁、炼钢、轧钢等的质量预测及制造执行系统等。

(3) 对热门技术建立标准化软件，便于推广。这种标准化并非象产品一样，拿来就可用，而为可剪贴，稍加更改就可应用，例如MES，功能基本相同，只是对象不同，例如设备管理，无论那个厂都类似只是名称、数量、规格不同，而表格是相同的，人工填入不同内容就可。专家系统也是这样。

(4) 对引进量大的或昂贵的自动化产品要设法立足国内，包括如人工智能等各类平台、PLC、全数字电气传动的电子控制器等，要讲究方法，如PLC应从小规模系统开始，台湾也是这样发展的。