21世纪初叶冶金自动化装备技术发展和对策

　　摘要：阐述了下世纪初叶冶金自动化装备在系统技术、检测仪表、人工智能应用和电力电子技术等方面的发展趋势，提出了发展和促进我国冶金自动化装备技术和工程承包能力的对策。

　　关键词：21世纪　冶金自动化　发展　对策

　　自本世纪60年代冶金自动化装备问世以来，取得了极其迅猛的发展。特别是80年代种类繁多的PLC和DCS的出现，冶金自动化装备的可靠性和实时性，可操作性和可维护性都得到极大的改善。方便的软件编制和友好的人机界面，不断提高的性能价格比使冶金自动化装备技术得到极快的推广和使用。从单元控制装置、单体设备自动化以至于全线的自动化系统和全厂全公司的生产管理的控制系统遍布冶金工业的各个工艺流程。冶金自动化装备技术的发展与应用推广，使冶金产品的质量和冶金生产线的作业率获得极大的提高，新产品、新工艺的开发周期大为缩短，获得了极其显著的经济效益。在我国冶金工业产量已基本满足，主要是增加品种和改善质量的发展期，冶金自动化就变得更为重要，并且提出了更高要求。我国冶金自动化行业也从普及发展阶段进入提高阶段，要加强适应于冶金自动化需求的软硬件产品的开发，着力发展具有自主产权的产品和成套工程应用技术为主的高技术产业，减少对国外技术的依赖性。

　　自90年代以来，随着电子技术、计算机技术、电力电子技术和检测技术的不断发展和普及，冶金工艺和自动化更加密切的结合，冶金自动化装备技术必将得到进一步的发展和提高。

　　1　自动化系统技术发展

　　纵观自动化系统的发展方向是集成化和彻底的开放。70年代PLC和DCS系统问世以来，有了极其迅猛的发展，已经成为自动化系统的主流产品，但是各个厂家的PLC产品和DCS产品都属于专用的系统，有各自的总线标准和通信标准及系列产品，编程软件和运行支持软件，开放性较差，致使用户长期依赖某一厂家的产品，这严重损害了用户的利益，用户要求是开放的、多厂家产品的集成。在这种形热下，以PC(个人计算机)为基础的分布式控制系统及现场总线正在崭露头角，进军工业自动化的领域。

　　在开放和集成这两个方面，目前流行的PLC和DCS系统同以PC为基础的分布式控制系统是无法相比的，PC开放的体系结构和无与伦比的市场占有率，使之吸引了全世界几乎所有著名的电子产品制造商和计算机软件制造商，形成了产值达上百亿美元PC机制造业和几百亿美元的软件产业，形成了极其强大的市场产品支持和技术支持。

　　近几年来，PC机技术迅速地渗透到工业控制领域，PC机在工控领域的角色已由最初的人机界面工业过渡到已可以覆盖从现场设备的I／O、基础自动化、过程控制直至生产控制和生产管理的全部工厂自动化领域。美国最早引入PLC进行生产过程控制的通用汽车公司从1994年起采用基于PC技术的控制系统逐步淘汰其PLC系统，这也表明以PC为基础的控制系统已经得到了用户的认可。

　　开放的PC总线导致了丰富多采的种类繁多的硬件模板的产生，用于数据采集与控制的板级产品已几乎可以覆盖所有用户需求。新一代PC的总线如PCI、EISA、微通道等提供了更高性能，并为一些小型计算机厂商所采用，如DEC公司的α机。开放的PC总线的产品是以通用商品OEM的方式向市场供货，因而它比专用性的PLC或DCS产品有更高的性能价格比。

　　PC开放的软件结构和日趋标准化的软件生产方式，使得高性能多用户的软件产品层出不穷，如动态数据交换DDE，对象的链接和嵌入PLE。开放的数据库结ODBC、远程过程调用RPC、32位机的多用户多任务操作系统等已为系统集成提供了可供充分选择的基础软件。

　　在工程工具一级，越来越多的第3方软件公司为工业控制提供了控制算法、控制器编程手段、组态工具和数据管理、专家系统直到CIMS等不同层次的软件产品，这些软件大都具有开放的软件结构，为二次开发与软件系统集成提供极其便捷的途径，同OEM硬件产品一样，第3方软件产品较某一硬件设备厂家提供的专用软件有着更高的性能价格比。

　　PC机大受欢迎的另一个重要原因是开放的联结，进入90年代后，PC的联网已成为PC的最基本能力之一，基于PC的网络产品极大地丰富，为用户使用多家的产品集成自己的系统提供了可靠保证。

　　当然PC本身也在吸收PLC和DCS产品的特点，在框架结构、防尘、抗干扰等方面不断改进和提高，在用户强烈要求开放和集成的推动下，以PC为基础的分布式控制系统逐步取代目前流行的PLC和DCS成为发展趋势。

　　支持集成和开放发展的另一个重要方向是现场总线。现场总线是一种彻底开放的现场设备网络，它试图用数字化通信代替4～20mA的连接标准，现场总线下连接的检测控制装置对于工艺设备具有控制、报警等多种功能。

　　通过两根网络线能把来自不同厂家的数量庞大的传感器、执行器、回路调节器和其它仪表连接起来，实现数据交互，极大地简化了集中式控制系统的走线，降低了系统造价，提高了工程进度和系统的可靠性。

　　由于基于现场总线的控制系统是一种更加分散的控制结构，连接现场总线上的多个厂家产品具有互操作性，导致控制系统的结构发生重大变革，如图1、图2所示。

　　

　　以PC为基础的分布式控制系统，不仅可以取代PLC或DCS实现基础自动化级控制，而且由于客户和服务器结构模式的出现，各种档次PC机既可以作为服务器也可以作为客户机，形成按区域或流程的PC机群，通过网络构成管理和控制一体化的信息系统，不仅实现企业内部的互连和信息交换，而且可以同客户、管理部门、金融业等信息系统互连形成广泛化的信息系统。

　　2　检测仪表的发展

　　检测仪表的种类不断增加，特别是用于质量检测的仪表如铁水定硅、定硫探头，钢水的定碳、定磷、定氧、定氮探头，型钢尺寸检测仪，钢板涂油层厚度仪，钢板表面缺陷检测仪，板、管超声探伤仪，线棒椭圆度仪，激光测厚仪等专用仪表增加较快。新一代的检测仪表主要特点是智能和数字。这些检测仪表均是以微型计算机为核心，可以自动校零、线性化、补偿环境因素变化，配置图形显示装置，直观表达测量的结果。存储瞬变信息和历史数据，自测试、自诊断甚至包括模型运算和人工智能的应用，如测量冷轧钢板表面缺陷的检测仪采用了BP神经元网络技术。在一次检测技术方面，超声波、微波、激光等新技术大量被采用。这些新型的仪表被采用，使自动控制的精度得到进一步提高，如采用激光测速仪可以实测轧制过程的前滑量，用激光测速仪检测平整机的延伸率可以获得很高精度，使延伸率控制性能得到极大的改善。

　　检测仪表的智能化、数字化，使检测仪表同控制装置可以实现网络的连接，采用现场总线，实现多方向、多变量的数据通信，替代传统的单变量、单方向的直接输入、直接输出的模拟或离散的装置，实现EIC(电控、仪表、计算机)一体化是发展的必然趋势。

　　3　人工智能技术的应用

　　本世纪末和下世纪初在自动控制理论和方法方面主要的发展方向是人工智能技术的应用。

　　人工智能技术主要是神经元网络、模糊控制、专家系统及其相结合的智能控制系统，近年来已在冶金自动化中得到了多方面的应用。仅日本应用的实例就超过百件，德国Krupp-Hoesch钢铁公司的Westfaien钢厂应用神经元网络改进数学模型，取得了明显的经济效益，尺寸偏差减少12%。如在轧制过程自动化方面，传统的轧制过程数学模型是以轧制力为中心，以一组数学物理方程描述轧制过程。轧制工况是多样化的，影响轧件质量的因素众多，并且有些工况参数不能直接地或连续地检测，具有边界约束条件的数学物理方程虽然对轧制过程有一个相当近似的描述，但还不能完整精确地表达轧制过程，存在着固有的误差。采用人工智能技术如人工神经元网络，通过采集实测数据来观察工艺过程，积累经验，并且将以前只有人才能掌握的经验融入计算过程，就能弥补常规数学模型的不足，它的学习功能不断适应设备的实时状态。单纯的采用人工智能技术为基础的的数学模型有点像魔术师的黑盒子，采用人工智能同传统数学模型相结合的组合模型侧重于工艺过程内的各种分析关系式，易于操作者和工艺技术人员接受和使用。来自常规数学模型中先前的经验不是丢弃，而是通过算法模型和神经元网络之间的协作关系全部并入组合模型之中，通过这种方法使设定精度得到了提高。在厚板质量工程设计中，以订单为基础制定轧制过程中生产工艺和工艺参数的专家系统，轧机液压压下故障在线实时诊断的专家系统，连轧机组负荷分配的专家系统都得到了应用。采用模糊逻辑对于实测数据进行评价和判断，对于传感器的状态进行在线实时诊断都取得了良好的效果，人工神经元网络还应用于轧件板形识别，多辊轧机的板形控制等。

　　在焦化、烧结、炼铁、炼钢各个工艺流程同轧制过程相比，物理化学的变化更为复杂。连续有效的直接过程检测仪表也不如轧制过程的检测齐全。因此，在冶炼过程控制数学模型方面还远达不到板带轧制过程数学模型的精度。在这些工艺流程方面应用人工智能技术更加迫切和必要，在国外已进行了有益的尝试。

　　4　电力电子的技术发展

　　由于大规模和超大规模集成电路的迅猛发展，使微细加工技术和高电压、大电流技术相结合，产生了新一代的电力电子器件，如IGBT、IGCT等。功率半导体技术同计算机技术相结合，将为电能的产生、运输、分配、消费等各个环节提供优化的设计与应用。作为冶金自动化最重要和最广泛使用，以电机为中心的电气传动执行机构是电力电子应用技术的核心装置，正在朝着节能、节电、一体化及智能化的方向发展。

　　电气产品的体积、重量随着供电频率的增加，与供电频率平方根成反比地减少。如果将传统的整流设备更新换代为高频的“开关电源”式整流器，其主要材料可节约90%以上，还可以节电30%以上。由于同样功率的交流电机比直流电机体积小，重量轻，转动惯量小，电机结构简单，极易维护，因而电气传动装置的交流化，电力电子应用技术的高频化是发展的趋势。

　　电力电子产品的集成度不断提高，硬件的结构模块化，如瑞士ABB半导体公司将GTO功率元件同其触发电路组合在一个模块之上形成IGCT产品，使器件之间不再有传统的引线连接，不仅缩小了体积，而且可以进行灵活的设计和组合配置。

　　传统的模拟信号由数字信号来代表，模拟硬件电路控制由数字控制的软件来代替，实现数字化。数字信号稳定，没有时漂和温漂，使用软件编程可以容易实现各种控制功能和功能组合，参数修改方便，具有自诊断的能力，通过计算机网络很方便地实现同其它控制装置和信息管理系统进行数字信息的交换。

　　许多用电设备包括电气传动装置可能会给电网造成污染，向电网注入高次谐波，使功率因数下降。正在发展的电力电子技术可以减少和消除对电网的污染，实现所谓“绿色化”。正是因为这一点交交变频交流调速技术败给了交直交变频调速技术。

　　应用技术高频化，硬件结构模块化，控制功能数字化，产品性能绿色化，以及新出现的扇片定子电机和无刷双馈电机，直流高压输电的直流电网会给下个世纪的电工领域带来巨大的变化。

　　除了上述几个方面之外，在设备诊断、机器人使用等方面，下个世纪也将会获得更大的发展。检测技术同多媒体技术的结合，也会使许多冶金过程更具有“可视化”。直接从生产线上采集实测数据，通过计算机仿真，可以为新产品、新工艺的开发提供强有力的工具。随着冶金自动化装备技术的发展，必将促进冶金工业的生产朝高效、节能、优质的方向进一步发展。

　　5　我国冶金自动化装备技术发展和对策

　　我国各类冶金设备已经引进了不少相当先进的自动化系统，但是总体自动化水平还比较落后。今后我们的任务是消化吸收国外引进的技术，自主开发自有技术，减少对国外技术的依赖程度(我国对国外的技术依赖程度在50%以上，而韩国为22%，日本只有6.6%，美国仅为1.6%)，在综合引进技术和自主开发技术的基础上实现大部分冶金自动化工程的国产化。

　　5.1　冶金自动化系统的技术开发

　　在冶金自动化的公共基础技术方面，应加快以PC为基础的分布式控制系统和现场总线的产品开发，形成国内的硬件产品系列。执行冶金自动化工程设计规范，开发和建立适应于冶金自动化四级系统的软件开发平台，以便实现应用软件的工程化生产。

　　在冶金自动化的应用技术方面，我们已经制定了各个流程的自动化功能技术规范。要根据冶金工艺现场主体设备的情况，配置适合的自动化系统，特别注重有利于节能降耗的自动化功能的实现。对于质量控制环节如轧制过程的自动宽度控制、自动厚度控制、自动板形控制，要消化吸收引进的各家公司的装置，博采众长，加强研究和实践应用，形成软硬件配套，包括在线调整和参数优化的成套技术。选择易于实现的突破口，进行人工智能的应用实践。在有条件的企业实现控制管理一体化的综合自动化系统。作为自动化功能实现基础的检测仪表和各种电气、液压、气动的执行机构，不仅要根据发展的方向研究新型仪表和执行机构，而且要在工程化上下功夫，提供经得起现场考验、能长期运转的仪表和装置。

　　自从冶金自动化装置问世以来，冶金自动化始终与冶金工艺紧密结合，是为了满足冶金工艺的要求而不断发展的，工艺和自动化是密不可分的，每一种新的工艺出现都要求自动化系统增加相应功能。也正是因为现今的自动化系统可以提供高速计算、丰富的存储量和简捷的编程开发使用手段的控制装置，方便地实现离线模拟和在线控制的功能，促进了新工艺的发展，缩短了新工艺的开发成熟周期。80年代开始发展起来的短流程、连铸连轧、热装热送、板形控制技术就是这样的成功相结合的实例。因而自动化的技术人员必须同工艺装备的技术人员密切结合，才能创造出功能完善，装备先进，具有自主产权的冶金自动化系统和装置。

　　5.2　冶金自动化工程国产化大有可为

　　我国各类冶金设备已具备相当生产规模，但总体装备水平比较落后。为采用先进工艺，优化品种结构，节约能源和提高效益，冶金设备的技术改造是必然的要求。而冶金自动化系统的技术改造是其中极其重要的、不可缺少的环节之一。主要依靠国内的力量，引进必要的设备和技术，更节省和更自主地实现冶金自动化系统的技术改造是必要的，也是可行的。

　　5.2.1　国内外冶金自动化工程能力的比较

　　我国自改革开放以来，在消化吸收引进的冶金自动化技术和同国外著名电气公司的技术合作中，冶金自动化技术有了长足的进步。除板形控制、薄板坯连铸连轧中某些新技术外，在成熟技术方面国内冶金自动化的工程能力同国外著名电气公司相比主要有3个差距。第1个差距是国外电气公司实施冶金自动化工程都有一个工程规范，规定一个冶金自动化工程分成几个阶段来完成，每个阶段要完成的任务和要形成的技术文本，这些技术文本的内容和格式都有详细的规定。而我们国内单位承担这种工程往往由各工程组根据自己的工程和人员情况自行确定。现在已由国家冶金自动化工程技术研究中心根据国家制定的有关规范，参考国外多家著名电气公司的自动化工程规范制定了我国的冶金自动化工程设计规范，这一差距已基本弥补。第2个差距是国外电气公司对各类冶金自动化系统都有成套的技术，不仅包括自动化系统的结构、配置、功能，各阶段的参考技术文本，还包括与自动化系统相关的一些技术说明和技术要求，如检测仪表和执行机械的选型及安装要求，技术指标对轧机主体机械设备的要求等。近几年来国内的单位也已积累了大量的各类冶金自动化系统的成套技术。第3个差距是国外电气公司都有自己的专用硬件设备和基本软件及开发的平台。由于国内尚不具备自制的PLC和DCS系统，到目前为止硬件都是以引进为主，国内完成应用系统的设计、编程、安装和调试。这就使得我们不能在一个固定的硬件和软件平台上进行应用开发和系统集成，随着国内硬件设备的开发的制造能力不断增强，经过几年的努力这个差距也可以得到缩小和弥补。

　　5.2.2　国内单位工程总承包是最佳选择

　　如上节所述，国内承担冶金自动化工程的专业院所和一些大企业的自动化部门，在成熟技术方面除了自己不能独立制造用于自动化系统的硬件装置以外，同国外著名电气公司的工程能力已无多大差距。在引进必要的硬件设备的基础上由国内单位实施工程总承包需要两个能力，第一是系统集成的能力，第二是对于所承包的工程的成套技术有很好的掌握和理解。

　　由于用户强烈要求系统的开放和多厂家产品的集成，近几年来国外PLC和DCS的制造商在产品的开放性和互连性方面有显著的改进，越来越多的第3方软件公司为工业控制开发的各种支持软件具有很强的通用性，几乎可以在世界上所有知名厂家的产品上运行，国内也可以提供部分经得住考验的硬件产品。国内单位在长期使用这些国外产品的过程中积累了丰富的经验和对产品性能有深刻的理解，对于从事冶金自动化系统技术的国内专业人员来说，集成国内外的优质产品，组成性能价格比高的系统是完全有能力的，并且国内工业控制设备的生产也具备了一定的基础，正在进入成熟期。由于技术的规一化和开放性导致了系统结构的范式性，系统集成已经变得越来越容易。近年来国内引进的许多工程项目的系统集成是由外国驻华机构招聘的中国雇员来完成的，这些中国雇员大部分是从科研院所和大企业出去的技术人员，既然这些人能承担这些工作，我们也勿需怀疑留在科研院所和大企业的技术精英们是否有这个能力，关于工程成套技术除个别先进技术外，国内已经掌握。况且国内许多冶金设备的技术改造并不要求最先进的国外技术，绝大部分属于成熟技术的范围。在成熟技术方面国外著名电气公司正在软件固化，而国内单位已经积累了各家著名公司的技术文本，实施了不少样板工程。对某些实施经验尚不足或对实现技术细节尚未完全掌握的技术，可分交给外商来完成，这并不影响工程总承包的实施能力。

　　由国内有能力的单位实施工程承包，采用开放式的方法联合国内有实力的单位，将某些国内尚未有把握承担的技术和装备分包给国外厂商，不仅可以节约资金，而且又可确保工程的质量和水平，无疑是一种最佳选择。近几年来，在国内许多重大工程中实施这种方案，获得了丰硕的成果。

　　从长远来看，许多冶金自动化工程在建设期内由于试验的品种和规格有限，不可能调到最佳，在长期生产过程中需要不断的精调和改进。我们引进的不少成套的冶金设备，不能迅速达产或达到国外同类设备的使用效果，就是因为在安装调试结束后，外国专家撤走，我们又没有完全掌握和消化引进的技术设备，工艺人员提出的要求，机械和电气自动化人员在未完全掌握引进的装备条件下难以配合工艺人员进行及时的改进和精调。如果采用国内单位总承包，国内技术人员就会很快掌握消化了整个系统和技术细节包括引进的部分。这些国内工程技术人员可以随时同工艺技术人员相配合，充分发挥引进设备的作用。由国外引进的模型和软件也不一定完全适合我国的具体情况，这部分的改进更需要国内自动化工程技术人员同工艺技术人员密切配合才能解决。

　　5.2.3　实施冶金自动化工程国产化的原则

　　实施冶金自动化工程国产化，我们提出两个基本原则：第1个原则是不能因为国产化而失去先进性，也就是说我们不能开发和应用国外已经淘汰的技术装备。第2个原则是国产化要实事求是，凡是国内确实有把握完成的任务就由国内来承担，国内尚无把握承担的可以通过技术合作或技术引进的方式来实现，因为工程项目不同于科研项目，只准成功，不能失败，而且有严格的时间进度要求，技术和装备的成熟是第1位，但是也应避免和杜绝国内已经完全能承担的冶金自动化项目仍然花大价钱由国外引进。

　　近年来在宝钢、武钢、鞍钢、太钢等许多单位仅引进硬件，全部工程都由国内单位承包的重大冶金自动化项目已经完成了多个。冶金部自动化研究院等单位在重大自动化工程项目同国外著名电气厂商竞争获胜已不鲜见。在大型转炉和轧机的技术改造中实现了“不减产改造”，出现了鼓舞人心的技术改造成果。许多企业已经体会到全部引进的一些不良后果，对于自动化系统的国产化寄于厚望。作为从事冶金自动化工程的专业院所，一定要加倍努力，不辜负企业的希望，为冶金自动化事业的发展贡献力量。

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