我國已連續(xù)4年成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(fā)揮著越來越重要的作用。回顧我國冶金自動化取得巨大成就的同時，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)、生產管理控制系統(tǒng)、企業(yè)信息化系統(tǒng)3個層面。


　　（一）過程控制系統(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、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。


　　（二）生產管理控制系統(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。


　　（三）企業(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:"我國鋼年產量500萬t以上的8家企業(yè)100%上了信息化的項目，鋼年產量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


　　（一）鋼鐵行業(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，要求國內鋼鐵產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)有冶金礦產資源將很難保證本世紀內生產的需求；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，產品質量的技術保障體系尚需完善。


　　（二）冶金行業(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)牟罹啵蛟?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）等新一代煉鐵生產流程對自動化技術的新需求。


　　煉鋼是鋼鐵生產的重要工序，對降低生產成本，提高產品質量，擴大產品范圍，具有決定性影響：（1）目前，國內絕大多數(shù)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(wěn)定性差，無法滿足潔凈鋼或高品質鋼生產的質量要求，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，軋鋼生產工藝流程將更加緊湊，趨于鑄軋一體化生產和柔性化生產，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，保證軋鋼生產的高精度、高速度以及產品的高質量。（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，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(yè)生產效率高，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，對鋼鐵廠的生產與管理進行計算機控制，要求適應以下發(fā)展趨勢:


　　（1）生產過程隨著鋼鐵生產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，要求鋼廠計劃控制和管理系統(tǒng)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工藝和產品方案。


　　（2）目前，產品萬能化的傳統(tǒng)鋼鐵廠正在消亡，代之而起的是產品專業(yè)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緩沖容量逐漸減少，產品生產周期大幅度縮短，這要求計算機系統(tǒng)能對整個復雜的鋼鐵生產過程實現(xiàn)集中統(tǒng)一的生產管理、信息追蹤和決策調整。


　　（3）產品質量是鋼鐵企業(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工序控制產品質量，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，才能保證最終產品的質量。這就要求鋼鐵企業(yè)自動化系統(tǒng)應具備對產品進行質量預報、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。


　　（一）過程控制系統(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。基于機理模型、統(tǒng)計分析、預測控制、專家系統(tǒng)、模糊邏輯、神經元網(wǎng)絡、支撐矢量機（SVM）等技術，以過程穩(wěn)定、提高技術經濟指標為目標，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。


　　（二）生產管理控制系統(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-控制縱向信息集成，同時，整合生產實時數(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)生產組織優(yōu)化、生產流程優(yōu)化、新生產流程設計和新產品開發(fā)。


　　提升鋼鐵生產制造智能。在生產組織管理方面，基于事例推理、專家知識的生產計劃與運籌學中網(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順序計劃及各工序的生產時間和等待時間，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)計計算與神經網(wǎng)絡分析技術，對產品的質量進行預報、跟蹤和分析；根據(jù)生產過程數(shù)據(jù)和實際數(shù)據(jù)，判定在生產中發(fā)生的品質異常。在設備管理方面，采用生產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、產線定修制度、生產的調度管理，動態(tài)核算成本，以降低生產成本。


　　（三）企業(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)調供產銷流程，實現(xiàn)從訂貨合同到生產計劃、制造作業(yè)指令、產品入庫、出廠發(fā)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、技術、經營管理各方面創(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、生產組織、自動化等多專業(yè)的產學研聯(lián)合攻關，以提高冶金企業(yè)經濟效益、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權的綜合自動化軟件和硬件產品，全面提高我國冶金工業(yè)經濟效益和綜合競爭力，促進我國冶金自動化軟硬件產業(yè)的跨越式發(fā)展。