我國已連續(xù)4年成為世界鋼材產(chǎn)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(fā)揮著越來越重要的作用?；仡櫸覈苯鹱詣踊〉镁薮蟪删偷耐瑫r，應清楚地看到我們的差距和問題，按照我國走新型工業(yè)化道路的要求，結合我國冶金工業(yè)發(fā)展需求，制訂我國冶金自動化技術的戰(zhàn)略規(guī)劃。

　　冶金自動化技術作為自動化在冶金行業(yè)的應用技術，其發(fā)展軌跡既遵從自動化學科自身的發(fā)展規(guī)律，也與鋼鐵工業(yè)的發(fā)展，包括工藝路線演化、制造裝備的更迭、生產(chǎn)流程和組織方式、企業(yè)運營模式的改革和進步等密切關聯(lián)。


　　一、冶金自動化技術現(xiàn)狀和差距


　　按照目前流行的自動化體系結構，典型的冶金自動化系統(tǒng)按功能層次可分為過程控制系統(tǒng)、生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)、企業(yè)信息化系統(tǒng)3個層面。


　?。ㄒ唬┻^程控制系統(tǒng)


　　在基礎控制方面，以PLC、DCS、工業(yè)控制計算機為代表的計算機控制取代了常規(guī)模擬控制，已在冶金企業(yè)全面普及。據(jù)最近中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的調查結果，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%。近年發(fā)展起來的現(xiàn)場總線、工業(yè)以太網(wǎng)等技術逐步在冶金自動化系統(tǒng)中應用，分布控制系統(tǒng)結構替代集中控制成為主流。在控制算法上，回路控制普遍采用PID算法，智能控制、先進控制技術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(chǎn)、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(xù)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(jié)能的交流變頻技術普遍采用；國產(chǎn)大功率交、直流傳動裝置在軋線上得到成功應用。


　　在過程建模和優(yōu)化方面，計算機配置率有較大幅度提高，根據(jù)最近中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的調查結果，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%。但是，應當清醒地看到，過程計算機更多地起到了數(shù)據(jù)匯總、過程監(jiān)視和打印綜合報表的作用，由于冶金過程的復雜性，數(shù)學模型的適應性很差，過程優(yōu)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(tǒng)充分發(fā)揮作用的也不多。近年來，把工藝知識、數(shù)學模型、專家經(jīng)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(yōu)化方面取得了一定的成果，如高爐煉鐵過程優(yōu)化與智能控制系統(tǒng)、有副槍轉爐動態(tài)數(shù)學模型、電爐供電曲線優(yōu)化、智能鋼包精煉爐控制系統(tǒng)、連鑄二冷水優(yōu)化設定、軋機智能過程參數(shù)設定等等，但如何保證其長期穩(wěn)定運行并推廣普及還需進一步做工作。


　?。ǘ┥a(chǎn)管理控制系統(tǒng)


　　根據(jù)最近中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會的調查結果，按冶金工序劃分，生產(chǎn)管理控制系統(tǒng)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%。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(tài)管理控制作用沒有發(fā)揮出來。近年來，冶金企業(yè)逐步認識到MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的重要性，在綜合應用運籌學、專家系統(tǒng)和流程仿真等技術，協(xié)調生產(chǎn)線各工序作業(yè)，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(yè)發(fā)揮作用并結合各企業(yè)現(xiàn)狀進行推廣還需做大量細致務實的工作。


　?。ㄈ┢髽I(yè)信息化系統(tǒng)


　　隨著企業(yè)管理水平的不斷提高，"信息化帶動工業(yè)化"在冶金企業(yè)成為共識，企業(yè)信息化方興未艾，受到企業(yè)領導高度重視，各企業(yè)紛紛開始信息化規(guī)劃和建設，很多企業(yè)已經(jīng)構造了企業(yè)信息網(wǎng)，為企業(yè)信息化奠定了良好的基礎。漆永新在"解讀鋼鐵企業(yè)信息化"的報告中指出:"我國鋼年產(chǎn)量500萬t以上的8家企業(yè)100%上了信息化的項目，鋼年產(chǎn)量50萬ｔ以上的58家企業(yè)中有45家上了企業(yè)信息化的項目，占77.6%"。從功能角度講，企業(yè)資源計劃（ERP）成為熱點，以德國SAP為代表的ERP通用產(chǎn)品和韓國浦項、臺灣中鋼為代表的定制系統(tǒng)都在冶金企業(yè)找到了落腳點。此外，供應鏈管理系統(tǒng)（SCM）、客戶關系管理（CRM）、企業(yè)流程重組（BPR）等概念也被冶金企業(yè)所熟悉。企業(yè)信息化工作是企業(yè)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(fā)揮效益，避免掉入信息化投入的"黑洞"。


二、鋼鐵行業(yè)未來發(fā)展對冶金自動化技術的需求


　?。ㄒ唬╀撹F行業(yè)未來發(fā)展及制約因素


　　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(chǎn)總值比2000年翻兩番。要實現(xiàn)新型工業(yè)化的目標，離不開鋼鐵工業(yè)強有力的支持，中國鋼鐵工業(yè)將繼續(xù)保持穩(wěn)定發(fā)展態(tài)勢。根據(jù)中國鋼鐵工業(yè)協(xié)會2003年組織的市場調查結果，預計2005年國內(nèi)實際鋼材消耗量達到2.5億ｔ，2010年達到3.1億ｔ，要求國內(nèi)鋼鐵產(chǎn)能有較大幅度的提高。目前我國仍有近2/3的優(yōu)質鋼材需要進口，國內(nèi)鋼鐵企業(yè)在品種質量方面還需要做艱苦的努力。鋼鐵行業(yè)未來在數(shù)量和質量兩方面的發(fā)展都存在著很多制約因素。在產(chǎn)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(xiàn)有冶金礦產(chǎn)資源將很難保證本世紀內(nèi)生產(chǎn)的需求；其次，能源結構不合理，二次能源利用還很不充分，能耗高；第三，推行高效、低耗、優(yōu)質、污染少的綠色清潔生產(chǎn)雖已有了初步成效，但從總體上看還處于初始階段。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(yōu)化和工藝裝備的進一步優(yōu)化還受各種條件的制約，大型設備依賴進口，特別是薄板連鑄連軋生產(chǎn)線等基本全套引進；其次，在新品種開發(fā)方面， 原創(chuàng)性自主創(chuàng)新不多，產(chǎn)品質量的技術保障體系尚需完善。


　?。ǘ┮苯鹦袠I(yè)技術進步以及對冶金自動化技術的需求


　　以上問題的解決，最終必須依靠冶金行業(yè)技術創(chuàng)新能力的增強，同時，對冶金自動化技術提出了新的挑戰(zhàn)。


　　煉鐵系統(tǒng)（鐵、焦、燒）是高爐-轉爐流程降低成本和提高環(huán)境質量的瓶頸，目前現(xiàn)狀和國際煉鐵發(fā)展目標有相當?shù)牟罹?，要向渣?50～300 kg/t、焦比240～300 kg/t、噴煤250～300 kg/t、風溫1250～1300℃、壽命大于20年的21世紀國際先進目標努力。對自動化技術的需求主要有:（1）開發(fā)更多的專用儀表，特別是直接在線檢測質量的儀表，采用數(shù)據(jù)融合技術；（2）針對高爐冶煉大滯后系統(tǒng)特點，前饋控制和反饋控制相結合，采用預測控制等先進控制技術；（3）數(shù)學模型、專家系統(tǒng)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(tǒng)工程技術相結合，不斷優(yōu)化操作工藝，提高技術性能指標；（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(chǎn)流程對自動化技術的新需求。


　　煉鋼是鋼鐵生產(chǎn)的重要工序，對降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質量，擴大產(chǎn)品范圍，具有決定性影響：（1）目前，國內(nèi)絕大多數(shù)鋼鐵廠（轉爐或電爐）均采用人工經(jīng)驗控制煉鋼終點，效率低，穩(wěn)定性差，無法滿足潔凈鋼或高品質鋼生產(chǎn)的質量要求，需要完善動態(tài)數(shù)學模型，并與爐氣分析等技術結合，提高煉鋼終點的自動控制水平。（2）煉鋼采取了很多綜合節(jié)能工藝技術，要求針對工藝的變化，建立能量/物料綜合優(yōu)化模型，確定合理化學能輸入比例、頂?shù)妆壤?、?yōu)化電功率曲線和廢鋼/鐵水比例，以提高冶煉強度，縮短冶煉周期，提高生產(chǎn)效率，達到節(jié)能降耗的目的。（3）鐵水預處理和爐外精煉的發(fā)展要求建立化學成分、純凈度、鋼水溫度全線高精度預報模型，并對合金化、造渣、成分調節(jié)進行優(yōu)化控制。（4）繼續(xù)優(yōu)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(fā)接近凝固溫度、高均質、高等軸晶化的優(yōu)化澆鑄技術和鑄坯質量保障系統(tǒng)；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。


　　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飛躍，AGC的廣泛推廣應用就是例證，以后的板形自動控制、中厚板的平面形狀自動控制、自由規(guī)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。今后，軋鋼生產(chǎn)工藝流程將更加緊湊，趨于鑄軋一體化生產(chǎn)和柔性化生產(chǎn)，對自動化提出新的要求:（1）要求先進的高精度、多參數(shù)在線綜合測試技術與高響應速度的控制系統(tǒng)相結合，保證軋鋼生產(chǎn)的高精度、高速度以及產(chǎn)品的高質量。（2）數(shù)學模型和人工智能相結合，軋鋼工藝控制和管理相結合，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的優(yōu)化和高品質化。

（3）計算力學與數(shù)值模擬相結合，由軋制尺寸形狀預報和力學模擬轉到金屬組織性能預報和控制。（4）擴展控軋控冷技術與"超級鋼"技術相結合，在自由規(guī)程軋制基礎上實現(xiàn)真正的柔性化生產(chǎn)，即用同一化學成分的鋼坯，在軋機上通過工藝過程參數(shù)的控制，生產(chǎn)出不同級別性能的鋼材，大大提高軋制效率。


　　現(xiàn)代化鋼鐵廠，無論是以高爐-轉爐為代表的聯(lián)合企業(yè)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(chǎn)品為目標，以生產(chǎn)物流、能量流和信息流為紐帶，將幾個相對獨立的生產(chǎn)單元有機地結合起來，形成高效化生產(chǎn)線。由于鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)效率高，物資、能源消耗、運輸、供應與銷售量大，使企業(yè)與外部市場、社會和環(huán)境建立起錯綜復雜的聯(lián)系。因此，對鋼鐵廠的生產(chǎn)與管理進行計算機控制，要求適應以下發(fā)展趨勢:


　?。?）生產(chǎn)過程隨著鋼鐵生產(chǎn)技術特別是連鑄與熱軋熱送的發(fā)展日趨連續(xù)化，高效化的連續(xù)生產(chǎn)，要求鋼廠計劃控制和管理系統(tǒng)對整個生產(chǎn)過程中的各工序間的物流、能流和生產(chǎn)時序進行準確預報，實現(xiàn)快速信息反饋，及時準確和靈活地調整生產(chǎn)工藝和產(chǎn)品方案。


　?。?）目前，產(chǎn)品萬能化的傳統(tǒng)鋼鐵廠正在消亡，代之而起的是產(chǎn)品專業(yè)化、生產(chǎn)集成化的新型鋼鐵廠。集成化鋼廠的基本特征是生產(chǎn)工序少，生產(chǎn)設備單機匹配，生產(chǎn)中的各種緩沖能力或緩沖容量逐漸減少，產(chǎn)品生產(chǎn)周期大幅度縮短，這要求計算機系統(tǒng)能對整個復雜的鋼鐵生產(chǎn)過程實現(xiàn)集中統(tǒng)一的生產(chǎn)管理、信息追蹤和決策調整。


　?。?）產(chǎn)品質量是鋼鐵企業(yè)的生命線。和傳統(tǒng)鋼鐵廠相比，現(xiàn)代化鋼鐵廠的主要特點是不再單純依賴某一單一的生產(chǎn)工序控制產(chǎn)品質量，而必須從原料開始對每一工序都實現(xiàn)嚴格的質量控制與管理，才能保證最終產(chǎn)品的質量。這就要求鋼鐵企業(yè)自動化系統(tǒng)應具備對產(chǎn)品進行質量預報、在線監(jiān)測和智能控制的功能。


三、冶金自動化技術發(fā)展趨勢


　　冶金自動化技術在自動化技術的推動和冶金行業(yè)技術需求的拉動的雙重機制作用下，必將取得更大進展。


　?。ㄒ唬┻^程控制系統(tǒng)


　　冶金流程在線連續(xù)檢測和監(jiān)控系統(tǒng)。采用新型傳感器技術、光機電一體化技術、軟測量技術、數(shù)據(jù)融合和數(shù)據(jù)處理技術、冶金環(huán)境下可靠性技術，以關鍵工藝參數(shù)閉環(huán)控制、物流跟蹤、能源平衡控制、環(huán)境排放實時控制和產(chǎn)品質量全面過程控制為目標，實現(xiàn)冶金流程在線檢測和監(jiān)控系統(tǒng)，包括鐵水、鋼水、熔渣成分和溫度的檢測和預報，鋼水純凈度檢測和預報，鋼坯和鋼材的溫度、尺寸、組織、缺陷等參數(shù)檢測和判斷，全線廢氣和煙塵的監(jiān)測等。


　　冶金過程關鍵變量的高性能閉環(huán)控制?；跈C理模型、統(tǒng)計分析、預測控制、專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經(jīng)元網(wǎng)絡、支撐矢量機（SVM）等技術，以過程穩(wěn)定、提高技術經(jīng)濟指標為目標，在上述關鍵工藝參數(shù)在線連續(xù)檢測基礎上，建立綜合模型，采用自適應智能控制機制，實現(xiàn)冶金過程關鍵變量的高性能閉環(huán)控制，包括高爐順行閉環(huán)專家系統(tǒng)、鋼水成分和溫度閉環(huán)控制、鑄坯和鋼材尺寸及組織性能閉環(huán)控制等。


　?。ǘ┥a(chǎn)管理控制系統(tǒng)


　　冶金流程的全息集成。實現(xiàn)鐵-鋼-軋橫向數(shù)據(jù)集成和相互傳遞，實現(xiàn)管理-計劃-生產(chǎn)-控制縱向信息集成，同時，整合生產(chǎn)實時數(shù)據(jù)和關系數(shù)據(jù)庫為數(shù)據(jù)倉庫，采用數(shù)據(jù)挖掘技術，提供生產(chǎn)管理控制的決策支持。


　　計算機全流程模擬，實現(xiàn)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，從而實現(xiàn)生產(chǎn)組織優(yōu)化、生產(chǎn)流程優(yōu)化、新生產(chǎn)流程設計和新產(chǎn)品開發(fā)。


　　提升鋼鐵生產(chǎn)制造智能。在生產(chǎn)組織管理方面，基于事例推理、專家知識的生產(chǎn)計劃與運籌學中網(wǎng)絡規(guī)則技術，提供快速調整作業(yè)計劃的手段和能力，以提高生產(chǎn)組織的柔性和敏捷化程度；根據(jù)各工序參數(shù)，自動計算各工序的生產(chǎn)順序計劃及各工序的生產(chǎn)時間和等待時間，實現(xiàn)計劃的全線跟蹤和控制，并能根據(jù)現(xiàn)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(xié)同動態(tài)生產(chǎn)調度。在質量管理方面，基于數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計計算與神經(jīng)網(wǎng)絡分析技術，對產(chǎn)品的質量進行預報、跟蹤和分析；根據(jù)生產(chǎn)過程數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)，判定在生產(chǎn)中發(fā)生的品質異常。在設備管理方面，采用生產(chǎn)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(xiàn)預測維護。在成本控制方面，采用數(shù)據(jù)挖掘與預報技術，建立動態(tài)成本模型預測生產(chǎn)成本；利用動態(tài)跟蹤控制技術，優(yōu)化原材料的配比、能源介質的供應、產(chǎn)線定修制度、生產(chǎn)的調度管理，動態(tài)核算成本，以降低生產(chǎn)成本。


　?。ㄈ┢髽I(yè)信息化系統(tǒng)


　　企業(yè)信息集成到行業(yè)信息集成。信息化的目的之一是實現(xiàn)信息共享，在有效競爭前提下趨利避害，在企業(yè)信息系統(tǒng)的編碼體系標準化、企業(yè)異構數(shù)據(jù)/信息集成基礎上，進一步實現(xiàn)協(xié)作制造企業(yè)信息集成，全行業(yè)信息網(wǎng)絡建設及宏觀調控信息系統(tǒng)，直至全球行業(yè)信息網(wǎng)絡建設及宏觀調控信息系統(tǒng)。


　　管控一體化，實現(xiàn)實時性能管理（Real Performance Management）。協(xié)調供產(chǎn)銷流程，實現(xiàn)從訂貨合同到生產(chǎn)計劃、制造作業(yè)指令、產(chǎn)品入庫、出廠發(fā)運的信息化。生產(chǎn)與銷售連成一個整體，計劃調度和生產(chǎn)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(huán)體系；成本管理在線覆蓋生產(chǎn)流程，資金控制實時貫穿企業(yè)全部業(yè)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(yè)智能。利用企業(yè)信息化積累的海量數(shù)據(jù)和信息，按照各種不同類型的決策主題分別構造數(shù)據(jù)倉庫，通過在線分析和數(shù)據(jù)挖掘，實現(xiàn)有關市場、成本、質量等方面數(shù)據(jù)-信息-知識的遞階演化，并將企業(yè)常年管理經(jīng)驗和集體智慧形式化、知識化，為企業(yè)持續(xù)發(fā)展和生產(chǎn)、技術、經(jīng)營管理各方面創(chuàng)新，奠定堅實的核心知識和規(guī)律性的認識基礎。


　　四、小結


　　我國冶金自動化技術取得了很大的進步，為鋼鐵工業(yè)的發(fā)展做出了貢獻，但與國際先進水平相比，還有相當大的差距。鋼鐵工業(yè)在數(shù)量和質量方面的發(fā)展為冶金自動化技術的發(fā)展既提供了機遇，也提出了新的挑戰(zhàn)。面對冶金企業(yè)花巨資大量引進的國外軟硬件產(chǎn)品、先進技術和自動化系統(tǒng)，我國冶金自動化工作者任重道遠。


　　冶金自動化技術發(fā)展應緊密關注冶金行業(yè)技術發(fā)展動態(tài)和企業(yè)需求，在保障功能的前提下注重提升性能，加強過程工藝、工裝設備、企業(yè)管理、生產(chǎn)組織、自動化等多專業(yè)的產(chǎn)學研聯(lián)合攻關，以提高冶金企業(yè)經(jīng)濟效益、增強企業(yè)綜合競爭力為主要目標，制定科學、合理的研究開發(fā)計劃，走消化吸收、自主開發(fā)相結合，原始創(chuàng)新、集成創(chuàng)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(chǎn)權的綜合自動化軟件和硬件產(chǎn)品，全面提高我國冶金工業(yè)經(jīng)濟效益和綜合競爭力，促進我國冶金自動化軟硬件產(chǎn)業(yè)的跨越式發(fā)展。