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案例详细
标题钢铁过程自动化技术的应用及发展动向
技术领域工控机
行业电梯
简介
内容 任德祥 （1941-）
教授级高工，中国自动化学会常务理事、过程控制专业委员会副主任委员、仪表与装置专业委员会常务理事。教育部流程工业综合自动化重点实验室学术委员会委员及工程专业教育论证专家委员会委员。先后在冶金部西南钢铁研究院、鞍钢、宝钢工作。长期从事IT自动化领域系统的研究、开发、设计与工程投运工作，历任项目组长、自动化部副部长、自动化研究所所长及宝信软件顾问专家等职；主持领导过宝钢一期、二期国家重点工程的自动化系统的设计、调试、投运、功能考核、投运工作；以及宝钢若干重大信息管理系统、自动化技术创新的研发项目的规划、决策与领导工作。曾为”九五”国家863流程工业CIMS主题专家组成员。

1 引言

    进入21世纪以来，随着经济发展需求的变化以及激烈的市场竞争格局，我国正经历从一个高速增长期到以科学发展观统领钢铁工业发展的转轨过程。转变增长方式、结构优化调整成为了行业中心，任务特别是在面临世界金融危机的形势下，加速淘汰落后生产能力，加快提升科技开发与创新能力，发展循环经济，降低消耗，降低成本，生产适销对路、市场急需的产品已成为发展的重要特征。正是基于这种特定变化的市场环境的压力，以及发展的技术环境驱使，近年来，作为钢铁业发展重要技术支柱的自动化系统，也有许多变化与提高。在钢铁过程自动化系统的技术组成中，包含的内容很多，这里就检测技术、控制技术、传动技术、系统化技术等方面展开，它们是钢铁过程自动化系统的基础和核心，从而也映射了系统总体的现状与发展动向。

2 应用现状与发展动向

2.1 检测技术

2.1.1 应用现状

    生产过程的检测传感技术的发展，源于生产过程质量、能耗、环境和安全等的需求推动，而应用的检测技术也给钢铁生产过程的控制和产品质量提供了坚实的技术保障。毋用置疑，给予检测技术推动的发展有很大影响的是市场对生产过程需求的变化。近年来，除了原来用于过程控制的检测外，很明显地加强了对产品（包括中间产品）的缺陷等质量的检测、原材料的检测、环境安全检测，其中大部分以信息反馈的方式进入了自动化系统。钢铁生产过程中过程检测技术在系统中所起的作用与地位示意如图1所示。粗线箭头代表现在主要的信息流向，细线箭头为辅助流向而虚线箭头为今后传感信息。

                       图1   钢铁生产的过程检测技术作用与地位

    （1）过程控制检测

    钢铁过程检测有许多对象，其绝对量检测有：温度、位置、位移、速度、尺寸（长度、宽度、厚度）、形状、重量、流量、浓度等，这些量的检测虽然是“老生常谈”，但随着时代的技术，进步其内涵或精度、稳定性都有很大变化和提高，并且对应于各工序单元有重点检测内容，如表1所示。

    过程检测以基本状态量的检测为基础。它体现了系统对象的能观性，也对应了系统的能控性。因此，检测技术对控制系统有很强的制约，它直接关系到系统能够实现的自动化水平。换句话说现代的钢铁产品制造水平与自动化系统的最基础技术— 检测技术的水平是密不可分的。系统对象的检测，考虑了两个部分，即被控对象及其环境。如：轧制过程在线连续测量轧件尺寸的能力和水准，决定了轧制可控程度和质量。热轧过程测量是在相对高的振动和高温、水流、氧化层粉层等干扰下实现的。钢材轧制过程中红外温度扫描和成像，CCD钢板宽度测量和板头尾形状测量技术的开发极大提高了轧制过程的自动化水平。而轧制过程热轧板形控制和控轧控冷技术将温度测量要求在恶劣的环境下扩展到多点、动态、高速和高精度水准。

                       表1   工序过程重点检测对象一览表

    （2）关于表面、内部缺陷检测

    钢铁生产过程涉及到产品质量方面。从表面缺陷、甚至是表面微细缺陷的检测到内部缺陷的检测。如：铸坯表面缺陷检测识别、板材的平直度、凸度检测，涂镀产品覆层检测到管、线、型材等产品表面缺陷的在线检测和各种新型的高分辨率的表面缺陷检测和针孔检测，进而到以δ值测量仪为代表的钢材内部质量检测技术的应用过程，充分反映了对产品质量检测要求的深化。

    （3）关于在线的原材料质量检测

    钢铁生产的过程控制，既要考虑原材料是正常质量的情况，又要防止不能应对或无法预期的原材料变化和缺陷的发生。因此，除具备了烧结矿、煤、焦水份的红外、微波、中子射线检测、煤灰份检测、铁水硅、硫成份分析检测外，作为在线的原材料质量检测，最引人注目的是硅钢板的硅素含有率的检测等。

    （4）关于环境安全的检测

    钢铁生产过程，严格控制有碍于环境安全的有害物质的泄漏与排放。避免造成不良甚至于严重后果。因此，关于环境安全的检测是必须的。目前有:烧结过程粉尘排放量、成份检测、高炉GAS回收量和成份检测、焦炉GAS回收量和成份检测、冶炼过程粉尘排放量和GAS成份检测、加热炉排放废气成份检测、酸洗涂镀等废液排放检测、水循环和排放的水质检测等。

2.1.2 发展动向

    （1）从使产品质量稳定化发展到使产品高质量化

    这是持续性开展的方向。伴随IT技术的进展、传感器的高性能化、数据处理的高速化，对应于检测需求的高层次化，使以往不能达到的检测水准现在则有可能达到。其中，引人注目的是广泛应用图象化处理方法。

    （2）从宏检测到微检测

    目前，传感器的大部分是用所发现的有关要求指标的确切可代用指标作为目标值嵌入到微系统。而代用指标多数是黑匣子的宏参数，只有获得更多具有更深、更正确的信息或知识才有利于明确判断。因此，使检测手段的发展转向取得微参数，旨在通过把握现象本质的应对，使产品更具有确实的质量与可靠性。

    （3）从点检测到多维检测

    事物具有全息性。但目前有关质量的认识，往往是感性的东西很多。而如内部组成之类的现象自身，往往是复杂的，存在好多无法用单一的物理量表现的情况。即如光、超声波、电磁。那样检测手段一般也限定感度和性能所能够达到的范围。因而，补充它们测定的界限则是物理的、数理的模型和积累的经验和知识，就是说，要力求从多个视角来补充或综合，这样会对质量的认识更全面、更深入，如能自如地应用图象信息处理等手段则必然会促进它们的应用：如声波CT技术应用于高炉内的温度分布检测以及通过感知数据的重构实现炉况可视化，通过多点检测进行的复杂形状的热区在线检测等。

    （4）传感检测网络化

    迄今为止的质量管理仅限于生产线或工厂之中，而通过传感检测网络化能实现对用户使用中的产品实施质量管理，进行劣化检测等事项逐步成为可能。无论使用者还是生产者，这些信息都能得到应用反馈。另外，资源重用化时，利用持续把握的使用数据，使进行高可靠性的再利用、再循环也成为可能。传感检测网络使检测手段能得到及时推广，并使得到的信息普及知识库化达到灵活应用。

2.2 控制技术

2.2.1 应用现状

    在钢铁过程自动化中，除了顺序控制外，最广泛采用的基础控制是作为经典控制的前馈（FF）/反馈（FB）或其组合方式的实用控制和以模型为基础的高级控制术在钢铁过程的控制中起着极其重要的作用。

    根据不同工艺过程的不同用途有不同类型的选择。以建模的信息类型分，则有：实体驱动型模型及数据驱动型模型及混合型模型三类。而以软测量、预测控制、智能控制、多变量自适应、解耦控制等为代表的先进控制与智能控制技术和在解决钢铁过程的非线性、不稳定方面得到了成功的应用。有关钢铁过程控制特性及分类示意图，如图2所示。以下，就按该分类的三大工序过程进行阐述。

    （1）前工序过程

    由于能控性受制于能观性的原因，目前，高炉、转炉的模型均多为操作指导模型，特别是高炉为大规模非线性系统，应用控制理论的建模工作极其困难。大致经历了两个阶段：首先，通过从过程机收集的数据，借助于数学模型，计算出反映高炉炉况的指标，从而为高炉炉长提供高炉运行状态指导高炉操作的Go-Stop系统；其次，综合了专家的实践经验和有关理论研究，通过AI技术与信息处理来对炉况的现状、未来趋势作出预报、给出最佳操作方针以达到指导高炉炉长对高炉冶炼过程的控制。如今，已普遍采用专家系统进行高炉的生产支持系统和借助于经验的智能型炉况诊断系统。炼钢过程以转炉吹炼为中心，通过吹炼模型的高级化，提高了钢水温度、成分命中率和缩短处理时间。

    （2）轧钢工序过程

    线性近似的轧制压力与轧机刚度静态模型与近似电气、液压系统及张力发生机构动特性的动态模型的组合来描述。板厚及张力控制可通过应用最优控制、鲁棒控制等技术来实现。多变量控制技术应用于热轧活套器存在的板张力与活套量（活套高度）的变量耦合情况以及应用于冷轧板形的轧制力变化补偿、轧辊温度凸度补偿及辊磨损补偿的情况。另外，模型预测控制也应用于热轧薄板的蛇行控制，而基于混合系统（HBS）模型技术用来改善热轧板的宽度控制等。

    （3）连续处理线工序

    除连续涂镀线实现了全线的速度与张力控制外，还进行把控制技术与操作诀窍结合的涂层智能（AI）的应用等。即由于实际生产中，存在炉内辐射热使带钢温度测量困难且又无法测定合金状态的情况下，建立并应用融合以操作人员的诀窍（Know –how）为准则的智能控制提高了成品收得率。

2.2.2 发展动向

    （1）以实现高质量、多品种、短交货期、稳定化生产为目标需求的控制技术开发仍是主线。

    主要特点为：

    ① 通过控制与操作经验（KNOW HOW）结合来克服过程非线性问题。

    为克服非线性，考虑与操作经验诀窍的结合问题。即以控制理论为核心的控制技术不仅通过调整系统的动态特性取得提高质量和收得率的实效，而且还把操作技能（诀窍）纳入技术体系，这给新产品的量产化带来了希望。与相关领域的合作，不仅要有系统控制技术与检测领域的合作，而且要在计算机能力不断提高的背景下，通过与智能技术、过程解析技术、材料科学等多领域的合作，来开创自动化的新局面。

    （2）以“在线最优化”为核心的过程控制

    鉴于大量数据的在线实时处理已成为现实，钢铁业正着力研究基于大规模数据的高水准建模技术及控制技术来实现在线最优化。由于IT技术的高速发展，不仅使原来高速响应困难的模型预测控制等最新控制理论在钢铁业的应用出现了转机。经由网络大规模采集的现场数据挖掘的知识发现，为结构优化创造了条件。

    以过程稳定、技术经济指标为目标，对关键工艺参数在线连续检测基础上，综合利用预测技术及在线仿真来进行多变量最优化及实现工序间最优化，而基于可视化技术与基于大量数据的信息趋势引导技术支持稳定化生产。

    （2）期盼突破高炉过程自动化的难点

    高炉是钢铁过程自动化的最难点，国内外正着力沿着从操作指导→半自动化→全自动的途径缓缓前进。虽然炉顶装入物控制及热风炉燃烧控制等也能部分自动化，但把握高炉整体的生产控制关键是高炉整体过程模型及基于检测高炉底部反应状况及现象解析的传感器与模型的开发。而通过智能控制与实用控制结合等手段，来实现广义的钢铁生产过程的高性能闭环控制则也是可实施途径。即基于用户知识库的闭环控制系统，以实现配料、焦比、碱度、喷吹等目标的在线控制。它将进一步降低人为因素对高炉操作的负面影响，使高炉运行更加科学合理。

    （3）节能降排对控制技术的需求

    高炉进行高效率生产（包含环境对策）、余压发电控制技术的开发；转炉进行面向节能、再循环的控制技术开发。通过吹炼模型的高级化削减合金铁、副原料成本，减少渣量；通过转炉炉压的适正化，提高工厂内再循环转炉CO煤气的回收量。诸如：根据外扰推定观察器的应用来降低炉压变动量，或从生产数据分析建立最佳炉压设定值模式方法等。

    （4）轧钢控制重心转移向材质性能控制

    轧钢控制重心，从以往的外部尺寸规格控制逐渐转移到关心生产好材质的控制系统来。当然，关于尺寸规格控制也会要求愈来愈严，仍需要持续性不断改善。另一方面，更要关注材质的生产问题。试用基于模型的最优化和数据库等直接控制材料的耐力与强度等机械特性。例如：包括在线冶金模型、与基于材质性能预测的钢板材质控制系统等，而以热轧带钢力学性能预报模型及其在线应用技术广受关注。它不仅对有效余材充当满足客户需求，缩短交货期，降低库存、加快资金周转有积极意义，而且为更灵活地组织生产提供了崭新的手段，被认为是实现动态生产控制的关键技术之一。

2.3 传动技术

    作为执行机构的传动系统在钢铁过程自动化中具有重要的意义。其功能直接作用于被控对象。它是控制行为的最终执行者。同时，也是系统效用性的关键归结者之一。钢铁自动化系统的执行情况机构有许多种，诸如：调节阀及其驱动、液压伺服系统、电气传动系统。其中电气传动系统占有最突出的地位。

2.3.1 应用现状

    由于以电力电子器件为基础的电气传动技术的进步，使AC传动系统控制的精度、响应性、可维护性等方面的处于轧机主传动的绝对优势。传动技术的进步，包括电力电子技术、交流变频技术、矢量控制技术等涉及执行机构的系列化进步和发展，以及作为执行机构的电气传动系统与控制器、传感器的有效紧密配合，极大地提高了轧制过程的快速响应性和控制精度。严格地说，作为一个执行机构整体来考虑的传动系统，实际上包括有：轧机的轧辊传动机构和轧机电机以及供给电能并实现转换的控制装置。如：轧机主传动的机械结构采用双电机传动形式，还是单电机传动形式等会对某些性能有影响。又如：尽管轧机电机单体能具备高速响应的性能，但在与轧辊及传动轴组成系统后，由于传动轴的扭拧，会产生由装置动力学结构与轧钢过程本身的相互作用而出现的自激振动，从而使其响应速度只能达到电机单体性能的几分之一。然而，若进行了轴振减弱控制，则能达到与电机单体性能相近的效果。可见作为执行机构的传动系统在作为系统行为的最终行为的执行者，要考虑的技术细节是很多的。例如轧钢设备对传动设备有明确的性能要求，如表2所示。            

    主规格

    低速：100rpm以下；中速：600rpm左右；高速：1000rpm程度以上。

    小容量：75kW以下；中容量：500kW程度；大容量：1000kW程度以上。

    √代表重要性能项目

    而AC传动技术的应用，涉及功率开管器件的选择与主回路组成及其控制方式的确定，除了在速度响应、速度控制精度、转矩平滑程度等性能指标方面，都要满足要求外，还有作为用户方面的约束即要考虑：高次谐波的约束、功率的约束、运行效率约束、维护的约束。

    在钢铁生产中占重要地位的热轧机、冷轧机的主传动均采用AC传动技术大大提高了执行机构的响应性和控制精度。

    而电力电子器件的发展，对AC传动有重要影响。厂家在应用产品的同时，不断推行控制的新技术。

2.3.2 发展动向

    集中体现在电力电子器件及其控制应用方式上。它们的发展概况如图2所示。

    （1）高性能、多功能化

    如提高速度和转矩的控制响应，速度传感的省略，控制参数的自动调整等。

    （2）高可靠性化

    变换器的高可靠性。要求即使发生部件故障，仍然继续运行的可能的冗余系统。

                       图2   电力电子器件及驱动系统发展概况示意图

    （3）小型化、高效率化、整合化

    电力电子器件的小型化、低损耗化。以及进一步将功率控制等电力电子装置与电机整合一起。

    （4）低噪声化

2.5 系统化技术

    如何选择系统构成要素：计算机、控制器、网络、传感器、执行器、信息软件/控制软件、人机界面等，集成构建成自动化系统才能达到所期望的目标要求？这就是系统化技术面临的任务。

    系统的组成涉及：要素、连接、结构、功能、环境。其中，由于构成要素的产品多样性，以及组成的系统结构形态的多样性，也带来功能分担的合理性、多样性。既要把握资源的有效利用率，还要考虑H/W、S/W更新会带来的问题。“集成”虽提高了系统构建的灵活性、效率性，但如何确保系统构成要素配置的优化和功能/性能的兼顾性以及使系统总体的性能/价格比的相对最优？这也是系统化技术所要解决的问题。

2.5.1 应用现状

    根据钢铁过程的对象类别及处理方法要点确定功能分配的原则，并按照系统构成所必须遵循的效用性、经济性、安全性、可靠性、开放性、实时性、人机性等方面具体目标要求进行综合考虑。

    目前，钢铁生产过程的自动化系统，基本按工艺流程不同特点（即过程结构、过程特征、控制特点、功能要求、信息处理类型）的差异决定相对成熟的系统结构类型的选择（如有下述四种类型）。

    （1）层次型功能分散系统：若干计算机经由通信网络结合成层次型结构，分担功能、负荷。

    （2）网型功能分散系统：经由通信线路或网络协调若干计算机，分担系统的功能、负荷。

    （3）网络化自治分散系统：是作为模拟生理细胞的自治性以达到自治可控性与自治可协调性的经由网络若干计算机系统。

    （4）WEB型三层双重化系统：系统基本由边界服务器、应用服务器、数据服务器的三层双重化系统构成。

    而对应钢铁过程自动化系统的系统结构有如下选择。

    ① 以上工序自动化系统构成的具体应用类型有:阶层型功能分散系统和WEB型三层双重化系统。

    ②轧钢工序的自动化系统构成的具体应用类型有：阶层型功能分散系统和网络型自治分散系统。

    ③处理线自动化系统的具体应用类型有：阶层型功能分散系统；网络型自治分系统以及WEB型三层双重化系统。

2.5.2 发展动向

    系统化技术在进一步深化发展，它紧随IT技术进步及系统对象的迫切需求而变化，其中柔性、自治性、实时性、安全性为主要趋势。

    目前，系统技术的发展，正处于一个重大变革的时代。无论是网络(工业以太网、现场总线)、控制器(PLC、DCS)、计算机（服务器）传感器、执行器、信息软件/控制软件等，其本身的内在结构与功能都在不断的发展与变化，而它们之间的结构如何整合更合理？更由于传感器与执行器智能化的发展牵动了控制技术与系统技术之间的关系，因此，未来的变数很大。近期看，总的发展动向表现在以下几个方面。

    （1）各种控制器、网络向集成化、标准化的方向发展

    控制器在强化平台综合集成的同时进一步推进开放化、国际标准化以及工业以太网，进一步与现场总线的融合，对系统技术的发展有很大影响。

    （2）自治分散的系统技术仍在延续和变异

    目前，钢铁企业自动化系统的主流，仍然是自治分散型系统。即类似生物体细胞自治性，即以自治可控性和自治协调性为目标，经由网络连接的多计算机系统。

    （3）基于WEB技术应用的系统技术正在发展

    由于IT技术的进步和普及，现在因特网的使用者达到很高的比例。而支持构成因特网系统的，则是称之为WEB服务器及数据库服务器(DB服器)的各种服务器群，构成该硬件与软件的技术统称之为“WEB技术”。以降低系统的建设费用为目标，不仅采用通用化的PC服务器，而且使分担功能的各层分别冗余化以提高可靠性。这样，在成本降低的同时，使信息开放化，软件可实现再利用，功能的高独立性。双重化结构也提高了系统可靠性。目前，在钢铁业的应用正在不断深化。

3 小结

    自动化技术是“潜在的技术”。正是钢铁业的需求推动了它的应用，而它的发展又促进钢铁业的技术进步。表3归结了自动化技术在钢铁工业过程不同类型的应用状况。

                        表3   不同过程的相关自动化技术应用特点比较