（1）遵循和滿足鋼鐵工業(yè)發(fā)展的趨勢和需要 在市場經(jīng)濟(jì)體系下，鋼鐵工業(yè)面臨激烈的市場競爭（產(chǎn)品競爭、質(zhì)量競爭、成本競爭和服務(wù)競爭），為了提高企業(yè)競爭能力，采用新工藝、新流程、新設(shè)備、新技術(shù)（自動化是其主要的一環(huán)）和新思想是當(dāng)代鋼鐵工業(yè)的主要趨向，因而也使鋼鐵價格自1974年至今保持不變（其他如塑料、鋁、水泥價格均直線上升），而保持強(qiáng)大的競爭力。鋼鐵工業(yè)自動化是為鋼鐵工業(yè)服務(wù)的，自然其發(fā)展趨勢是既遵從自動化科學(xué)發(fā)展趨勢，也遵從鋼鐵工業(yè)發(fā)展趨勢。

（2）利用有關(guān)自動化的國內(nèi)外資源、先進(jìn)技術(shù)、運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)等來組成自動化系統(tǒng) 在開放環(huán)境下，世界各國都是互相借鑒，參照發(fā)達(dá)國家如西門子、ABB、施耐德、阿爾斯通、GE、日立、三菱、安薩爾多等電氣公司的裝備、解決方案以及日德英法美芬蘭各鋼鐵公司和奧鋼聯(lián)的經(jīng)驗(yàn)、先進(jìn)系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型等，經(jīng)過創(chuàng)新而組成先進(jìn)的和本國自主知識產(chǎn)權(quán)的監(jiān)控系統(tǒng)與裝備是當(dāng)前各國鋼鐵工業(yè)自動化發(fā)展的另一趨向。

（3）繼續(xù)開發(fā)更多的鋼鐵工業(yè)自動化專用技術(shù)包括檢測方法和儀表傳感器、電控裝置和技術(shù)、包括智能控制的先進(jìn)自動化系統(tǒng)、數(shù)學(xué)模型以至無人車間與工廠等，特別是提高質(zhì)量的系統(tǒng)是另一趨向。

（4）不同類型的一體化裝備成為鋼鐵工業(yè)自動化的當(dāng)前發(fā)展趨向

在市場經(jīng)濟(jì)規(guī)律下，導(dǎo)致國內(nèi)外的鋼鐵公司、電氣公司除了生產(chǎn)各種不同類型的自動化裝備外，還生產(chǎn)各種不同類型的一體化裝備和IT（產(chǎn)品）。包括：

-從單體的自動化裝備趨向于多個并組成專用功能的系統(tǒng)：如美國Allegany公司的適合于連鑄的中間包稱重和液位測量以及其他過程的電子秤系統(tǒng)，北京中遠(yuǎn)通科技公司的攝像儀非接觸式連鑄定尺切割控制系統(tǒng)、軋鋼用的非接觸式冷床輥道集群自動控制系統(tǒng)、非接觸式中厚板自動長寬測量系統(tǒng)等；美國Ronan公司、國內(nèi)鐳目公司、武鋼計控公司、紅河谷公司的連鑄結(jié)晶器液位控制儀，冶金自動化研究院的高爐靜壓測量系統(tǒng)、北京科技大學(xué)的燒結(jié)機(jī)尾圖象儀等；

-機(jī)電一體化裝備，如儀表類型的有：德國DDS公司的高爐微波料面計、日本NEC的高爐料面熱成象溫度儀、國內(nèi)的高爐料面熱成象溫度及觀測儀、鋼板測厚、測寬、板形儀等；設(shè)備類型的有：方坯連鑄的打號機(jī)、板坯連鑄噴印機(jī)、連鑄的火焰切割機(jī)、型鋼的飛剪、鋼材打捆機(jī)等；

-機(jī)-電-工藝一體化：大規(guī)模的如國內(nèi)北京鳳凰公司、神霧公司等的軋鋼加熱爐包括機(jī)-電-工藝和數(shù)學(xué)模型的成套設(shè)備等；泰龍公司的軋鋼的八輥軋機(jī)包括機(jī)-電-工藝和數(shù)學(xué)模型的成套設(shè)備；小規(guī)模的如線材的控軋控冷包括機(jī)-電-工藝和數(shù)學(xué)模型的成套設(shè)備、液壓站成套設(shè)備、潤滑站成套設(shè)備等）；

-數(shù)學(xué)模型、技術(shù)訣竅軟件包化：如奧鋼聯(lián)的燒結(jié)生產(chǎn)率控制模型、高爐專家系統(tǒng)、轉(zhuǎn)爐的基于副槍模型、連鑄的包括漏鋼預(yù)報的結(jié)晶器專家系統(tǒng)、動態(tài)冷卻DYNASC、動態(tài)鑄坯錐度控制ASTC等；

-平臺和IT產(chǎn)業(yè)，如模糊控制、專家系統(tǒng)、神經(jīng)元網(wǎng)羅的平臺；ERP及MES供貨商的有關(guān)這些系統(tǒng)的開發(fā)平臺，如德國PSI（SMS-DEMAG/ALSTOM）公司提供的鋼鐵MES系統(tǒng)的全套開發(fā)平臺PPS-METAL，韓國POSDATA公司的鋼鐵MES集成解決方案STEELPIA，英國BRONER公司的鋼鐵工業(yè)企業(yè)供應(yīng)鏈和生產(chǎn)計劃排程方面的通用開發(fā)平臺PPS，國內(nèi)寶信的MES中間軟件產(chǎn)品Plature99、Xcom和Multilink等；先進(jìn)控制軟件包有：法國Adersa公司的AdvanTrol-Hiecon多變量預(yù)測軟件包、AdvanTrol-PFC預(yù)測函數(shù)控制軟件包等，美國AspenTech公司生產(chǎn)的IDCOM-M、CyboSoft公司的CyboCon軟件（適用于無模型自適應(yīng)控制的軟件）、Honeywell Profimatics生產(chǎn)的RMPCT多變量預(yù)測控制軟件包等）。

鋼鐵工業(yè)自動化的進(jìn)展

鋼鐵工業(yè)自動化的進(jìn)展大致可以分為如附表所示的五個階段。 附表

信息與自動化進(jìn)展的五個階段

1 自動化與信息化相結(jié)合

鋼鐵工業(yè)自動化從簡單的熱管理和單參數(shù)自動控制系統(tǒng)開始，經(jīng)歷了初期的EIC一體化系統(tǒng)、1964年英國人D.H.Kelley提出的分層計算機(jī)系統(tǒng)、1969年日本鋼鐵公司（新日鐵）君津廠的AOL系統(tǒng)及70年代新日鐵的把其下屬的9個鋼鐵聯(lián)合企業(yè)的多級計算機(jī)系統(tǒng)與其東京總部的計算機(jī)系統(tǒng)相連成為當(dāng)時世界最大規(guī)模的多級計算機(jī)系統(tǒng)、80年代的CIMS化等幾個階段；現(xiàn)代工業(yè)自動化系統(tǒng)都是按照圖1所示CIMS（計算機(jī)集成制造系統(tǒng)，我國亦有稱之為管理控制一體化系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)的多級分層計算機(jī)系統(tǒng)。

圖1 CIM結(jié)構(gòu)

流程工業(yè)的CIMS體系結(jié)構(gòu)按ISO（國際標(biāo)準(zhǔn)化組織）是如圖1（a）所示分成6級的，后來又有5級、3級之分。雖然5級體系結(jié)構(gòu)在流程工業(yè)CIMS的發(fā)展過程中起過很大的推動作用，但它忽視了生產(chǎn)過程中的物耗、能耗及設(shè)備在線控制與管理，難以推廣。因此，近來提出BPS/MES/PCS 3級結(jié)構(gòu)。其中BPS（Business planning system）級是單純考慮企業(yè)經(jīng)營管理問題，近來應(yīng)用ERP（企業(yè)資源規(guī)劃），它主要是利用以財務(wù)分析決策為核心的整體資源優(yōu)化技術(shù)；MES（Manufacturing execution system，即制造執(zhí)行系統(tǒng)）級是考慮生產(chǎn)與管理結(jié)合問題的中間層制造執(zhí)行系統(tǒng)，主要利用以產(chǎn)品質(zhì)量和工藝要求為指標(biāo)的先進(jìn)控制技術(shù)和以生產(chǎn)綜合指標(biāo)為目標(biāo)的生產(chǎn)過程優(yōu)化運(yùn)行、優(yōu)化控制與優(yōu)化管理技術(shù)，使CIMS中原本難以處理的具有生產(chǎn)與管理雙重性質(zhì)的信息問題得到了解決。

近年來由于要適應(yīng)激烈的市場競爭需要，互聯(lián)網(wǎng)和信息技術(shù)的發(fā)展，全球化的趨勢，鋼鐵公司的自動化已從公司內(nèi)部到顧客和社會。實(shí)行生產(chǎn)－物流－銷售一體化，不僅內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，且與最終用戶（汽車、機(jī)電制造等工廠）以至稅務(wù)部門和海關(guān)聯(lián)網(wǎng)，使信息更廣域化和高效化，甚至通過衛(wèi)星監(jiān)視船舶到達(dá)地點(diǎn)，以向用戶報告使之作接受準(zhǔn)備。此外，電子商務(wù)的發(fā)展等等，這就要求自動化系統(tǒng)能適應(yīng)這些進(jìn)展。為此，出現(xiàn)如圖2所示的WIMS（網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）。WIMS是以Web和智能技術(shù)為基礎(chǔ)，能充分利用互聯(lián)網(wǎng)的資源，能實(shí)現(xiàn)全球化供銷鏈、遠(yuǎn)程技術(shù)支持和遠(yuǎn)程診斷等，M2-N2是常規(guī)控制和智能控制等，M3-N3可進(jìn)行監(jiān)控、復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型和人工智能等運(yùn)算，M4-N4以上是智能信息處理系統(tǒng)，M4-N5服務(wù)器將運(yùn)行生產(chǎn)經(jīng)營管理軟件如ERP、MES等，M5-N5是電子商務(wù)，運(yùn)行其軟件的服務(wù)器與互連網(wǎng)相連。

圖2 WIM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

信息化發(fā)展主要有： 企業(yè)內(nèi)部信息化、企業(yè)與外部有關(guān)部門信息化和全球化的電子商務(wù)。

企業(yè)內(nèi)部信息系統(tǒng)包括企業(yè)內(nèi)部的計劃、生產(chǎn)、采購、庫存、運(yùn)輸、銷售、供應(yīng)、人力資源、財務(wù)、質(zhì)量、設(shè)備運(yùn)行和維修、工程等內(nèi)容的涵蓋整個企業(yè)的管理信息系統(tǒng)。目前國際大企業(yè)主要實(shí)行企業(yè)資源計劃（簡稱ERP），該系統(tǒng)是在企業(yè)已有的供銷管理、制造管理、質(zhì)量管理等基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，由計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)把相互獨(dú)立的各個管理的系統(tǒng)連接起來，在共同的信息平臺上，對內(nèi)實(shí)行企業(yè)設(shè)計、制造、銷售、服務(wù)等方面所涉及的人力、資金、物料、信息資源的統(tǒng)一規(guī)劃、管理、配置和協(xié)調(diào)，通過對管理業(yè)務(wù)流程的整合，提高了企業(yè)管理效率。對外實(shí)行公開的原材料、零配件的網(wǎng)上招標(biāo)采購，利用互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行產(chǎn)品交易，大大降低了采購成本和銷售成本，提高了企業(yè)的市場競爭能力。企業(yè)信息化是數(shù)據(jù)源及其集成、管理和應(yīng)用。近來發(fā)展的重要技術(shù)是數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)，其功能包括數(shù)據(jù)收集、數(shù)據(jù)采樣、數(shù)據(jù)預(yù)處理、可視化探索、聚類分析、模型建立、數(shù)據(jù)預(yù)報、優(yōu)化設(shè)計、趨勢分析以及規(guī)范管理等。

2 檢測技術(shù)與儀表的進(jìn)步

檢測技術(shù)與儀表的進(jìn)步主要表現(xiàn)在：

（1）虛擬化

在自動化領(lǐng)域中，用硬件與軟件組成的虛擬儀器儀表，因便宜、高效、靈活使得應(yīng)用日益廣泛。虛擬儀器儀表最重要的應(yīng)用是軟測量領(lǐng)域。軟測量的基本概念是通過數(shù)學(xué)模型、狀態(tài)估計等方法通過運(yùn)算來對無法在線測量的參數(shù)進(jìn)行在線估計。在鋼鐵工業(yè)如高爐的軟熔帶形狀與位置、高爐爐缸渣鐵液位，轉(zhuǎn)爐熔池鋼水含碳量和溫度的連續(xù)測量（用數(shù)學(xué)模型及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)），連鑄的結(jié)晶器鋼坯拉漏預(yù)報（用數(shù)學(xué)模型及神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)）等都采用軟測量方法并嵌入工業(yè)控制系統(tǒng)及監(jiān)視器中來解決的。

（2）網(wǎng)絡(luò)化

通過Ethernet（以太網(wǎng)）或現(xiàn)場總線可把各種不同類型的網(wǎng)絡(luò)化儀器儀表與計算機(jī)連接在同一網(wǎng)絡(luò)上，其優(yōu)點(diǎn)是：可使各自的潛力和資源得以充分發(fā)揮以及合理配置、可使有關(guān)部門數(shù)據(jù)共享、能使遠(yuǎn)方部門進(jìn)行監(jiān)控和診斷以及遠(yuǎn)距離調(diào)整（甚至洲際）、可節(jié)省大量人力和降低成本。因此許多大型和復(fù)雜的儀表都數(shù)字化并設(shè)有通信接口，可把數(shù)據(jù)送到相應(yīng)分廠的計算機(jī)系統(tǒng)供監(jiān)控或數(shù)學(xué)模型使用。生產(chǎn)科和技術(shù)科也通過網(wǎng)絡(luò)直接下載這些數(shù)據(jù)或表格。

（3）智能化

除了傳統(tǒng)的使用電腦執(zhí)行各種運(yùn)算（如自動校零、線性化、補(bǔ)償環(huán)境影響、量程切換、自診斷等）外，主要是人工智能的利用，例如利用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、聯(lián)想記憶、反饋求精、黑箱映射、權(quán)值平衡、動態(tài)逼近和全息容錯防失等技術(shù)以及模糊邏輯、專家系統(tǒng)、遺傳算法、仿人智能、模式識別、混沌理論、物元可拓法、小波分析、分形系統(tǒng)等等使儀器儀表智能水平大大提高，從而提高精度和解決過去難以解決的問題。鋼鐵工業(yè)的例子有：利用邏輯樹或統(tǒng)計式模式識別、BP神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)以及自學(xué)習(xí)功能好、調(diào)整時間短的概率法神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來識別冷軋板表面缺陷，基于Beckman理論的在線鋼板表面粗度測量儀，利用圖象處理技術(shù)顯示并定量測量燒結(jié)焦粒粒度及分布的儀表，為解決高合金鋼的板管探傷問題使用SSP法，即把頻譜分離并分別濾波，放大后再合成以提高信噪比，并利用超聲波傳播頻率特性與結(jié)晶晶粒有關(guān)的特點(diǎn)等，采用最優(yōu)頻率方法以提高探傷精度等等。

（4）高精度化

鋼鐵生產(chǎn)中，一臺150t轉(zhuǎn)爐裝入鐵水稱量誤差為1％時，出鋼溫度將差5℃，石灰稱量誤差5％時，出鋼溫度將差7℃；高爐煉鐵時，如要將鐵水溫度控制在±10℃以內(nèi)，就要求高爐煤氣中N2的分析精度高于0.1%，因而要求檢測和控制的精確度要高。在鋼鐵工業(yè)除了提高傳感器及儀表的測量精確度外，還注意安裝方法和環(huán)境條件，特別是周圍溫度超過允許范圍時會帶來誤差，因而先進(jìn)的冷卻設(shè)備是很重要的一環(huán)。兩類冷卻裝置值得注意。其一是按流體力學(xué)和熱傳導(dǎo)理論制成的熱管，它比最良好的導(dǎo)熱物質(zhì)—銅所制成的同樣尺寸的管子，其導(dǎo)熱要快幾倍，把成組的熱管裝在大型儀表箱子或晶閘管箱子外壁將大大提高其散熱性，它特別適用于要求密封防塵的場合。另一種冷卻設(shè)備是致冷旋渦管（Cool Sure Vortex Tube），國外如美國的Transonix、EXAIR等公司均生產(chǎn)，是一種小型致冷器。它是根據(jù)Ranque-Hisch管原理制作的，把一般壓縮空氣引進(jìn)一個小型旋渦管中，氣體在旋渦管中轉(zhuǎn)動前進(jìn)并分離成兩股不同溫度的旋渦氣流分別輸出，一股比氣源溫度高11～38.9℃，另一股則遠(yuǎn)比氣源溫度低，甚至達(dá)-61℃。這種小型致冷器只需壓縮空氣即可。這種致冷旋渦管在國外鋼鐵工業(yè)已廣泛應(yīng)用，國內(nèi)的引進(jìn)工程和設(shè)備（如寶鋼，成都無縫鋼管廠的連鑄機(jī)）也在使用。特別適合于難以引進(jìn)冷卻水的場合和使用水會引起安全問題的場合，前者如行走吊車的連續(xù)測量鐵水或鋼水重量的電子吊鉤秤（雖用擋板來隔熱，但最好有冷卻），后者如監(jiān)視高爐鐵水溝出鐵狀態(tài)的工業(yè)電視（使用水冷，不僅水套笨大，且會結(jié)垢和漏水，水漏到鐵水中更會出現(xiàn)爆炸事故，用風(fēng)冷效果不佳）等冷卻問題。其他如測量連續(xù)鑄鋼的中間包液位所用的壓頭，測量連鑄坯表面溫度、測量熱軋鋼板帶溫度等所用的傳感器，跟蹤熱物料的熱金屬探測器等等都已使用這種致冷旋渦管。

（5）機(jī)電一體化與在線化

在鋼鐵工業(yè)中典型的機(jī)電一體化多功能化檢測儀表有：高爐軟融帶形狀探測器，高爐水平探測器，高爐垂直探測器，高爐微波料面形狀測量儀，爐外精煉，H2含量在線分析，鐵水含硅量在線分析，轉(zhuǎn)爐測溫定碳副槍，連鑄多功能輥縫測量儀、結(jié)晶器錐度測量儀，鋼板形狀測量儀，冷熱軋鋼帶板形測量儀，鋼管質(zhì)量多功能檢測儀，線材直徑及橢園度測量儀等等。

（6）全球衛(wèi)星定位等高技術(shù)的應(yīng)用

近年來則用于測量移動物體的位置，其典型的例子是在鐵水調(diào)度過程中測量鐵水車的位置。如寶鋼鐵水運(yùn)輸動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，由中心站（內(nèi)設(shè)接收裝置即DGPS基準(zhǔn)接收機(jī)、無線通訊機(jī)、計算機(jī)以及16.5m²大屏幕顯示裝置）、車載設(shè)備（包括DGPS接收機(jī)、無線通訊機(jī)、導(dǎo)航工控機(jī)、工位車號發(fā)送裝置等）和工位車號接收機(jī)組成。接收天空中可見的DGPS衛(wèi)星信號，車輛定位是將衛(wèi)星在基準(zhǔn)點(diǎn)實(shí)測位置與預(yù)先精確測量的位置值進(jìn)行比較，得出偏差并成為差分量，并通過數(shù)傳發(fā)送到各個車載的DGPS接收機(jī)，中心站的計算機(jī)將車輛定位信號經(jīng)過處理（包括坐標(biāo)變換）顯示在大屏幕上。

3 自動化裝備的進(jìn)步

包括現(xiàn)代工業(yè)控制裝備的進(jìn)展，主要是PLC、DCS的進(jìn)一步發(fā)展、FCS的出現(xiàn)與IPC應(yīng)用的擴(kuò)展、現(xiàn)場總線的出現(xiàn)與以太網(wǎng)應(yīng)用的擴(kuò)展。

過去PLC主要是適宜于開關(guān)量和順序控制以及不是特大規(guī)模的回路控制與數(shù)據(jù)采集。分散控制系統(tǒng)DCS是集通信、計算、控制與顯示（CRT）4C技術(shù)于一體的控制裝置。FCS（現(xiàn)場控制系統(tǒng)）是由PLC和DCS發(fā)展而來的，它是全數(shù)字化、智能化和多功能的取代模擬式單功能儀表和控制器的裝置，它本質(zhì)上是信息處理現(xiàn)場化的裝置與系統(tǒng)。其特點(diǎn)是比較便宜，適宜于中規(guī)模的回路控制、數(shù)據(jù)采集以及量不大的開關(guān)量和順序控制。由于新型的PLC和DCS都有向?qū)Ψ娇繑n的趨勢，即PLC加強(qiáng)了回路控制的功能，DCS也有很強(qiáng)的順序控制功能。至于選哪一種系統(tǒng)還需看具體情況而定，但由于方便連網(wǎng)、設(shè)備統(tǒng)一、減少備件，故鋼鐵工業(yè)EIC系統(tǒng)已由過去的回路控制采用DCS、順序控制采用PLC，而變?yōu)镮E一體化系統(tǒng)，也有用全PLC系統(tǒng)（如上海寶鋼集團(tuán)梅山冶金公司高爐、本鋼一鐵廠高爐等）的，由于價格原因近來趨向于全PLC系統(tǒng)，如新建的小高爐、甚至大型高爐如天鐵2000m³高爐（2003年投產(chǎn)）都是全PLC系統(tǒng)。 隨著PC機(jī)的進(jìn)展，主頻已超過了1GB，硬盤已超過20GB，內(nèi)存也可達(dá)256MB，且可以使用更通用的、價格較低廉的系統(tǒng)軟件，如Windows-NT以及各種開發(fā)工具等，在工業(yè)控制中越來越多采用。工業(yè)控制計算機(jī)（IPC）就是加固的個人計算機(jī)（即PC機(jī)）硬件與控制軟件的組合。

（1）目前IPC的三個趨勢

IPC采用通用的I/O裝置（如采用西門子公司S7系列PLC的S7-200、S7-300、ET200等I/O裝置）及監(jiān)視器，嵌入通用的、商品化的支持軟件（如控制和數(shù)據(jù)處理軟件以及雙機(jī)熱備和冗余配置軟件、監(jiān)視軟件等）組成自動化系統(tǒng)，而且可連網(wǎng)組成大規(guī)模分布式系統(tǒng)、多級計算機(jī)系統(tǒng)等。有許多公司生產(chǎn)這種軟件，如美國的Entivity、Think & Do、Steeplechase等公司。PC-based的基礎(chǔ)自動化系統(tǒng)已在許多領(lǐng)域中應(yīng)用。重慶鋼鐵公司這樣的大企業(yè)，幾乎全部大型加熱爐也拆除了原來的DCS或單回路數(shù)字式調(diào)節(jié)器，而改用PC-based工控機(jī)來組成控制系統(tǒng)，并采用模糊控制算法而獲得良好效果，節(jié)約了大量投資、方便了維護(hù)和取得了顯著經(jīng)濟(jì)效益；

-在增加可靠性方面，IPC機(jī)也可借助于軟件（如美國的Entivity公司的軟件）而作到CPU冗余配置，過去冗余配置只是CPU、網(wǎng)絡(luò)及其通信器，但很少有冗余配置I/O，而事實(shí)上CPU更可靠，I/O卻經(jīng)常出毛病，目前不僅I/O可冗余，而且可使I/O部分即只是重要的某些點(diǎn)冗余，這就大大節(jié)省投資；

-IPC機(jī)也作為過程計算機(jī)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的VAX型過程計算機(jī)或Alpha系列的小型機(jī)，甚至MES級的計算機(jī)。近來也已在鋼鐵工業(yè)采用，如寶鋼集團(tuán)公司上海第一鋼鐵廠的2500m³高爐（過程自動化級采用IPC為核心的工作站）、上海寶鋼集團(tuán)梅山冶金公司的1250m³高爐（基礎(chǔ)自動化使用西門子S5-155H型PLC，過程自動化級采用兩臺工控機(jī)）、寶鋼集團(tuán)公司上海第一鋼鐵廠新建不銹鋼生產(chǎn)線，采用德國SMS-DEMAG推薦系統(tǒng)包括超高功率電弧爐、AOD爐和VOD爐各一座，后配連鑄機(jī)。自動化由西門子承包的其過程自動化級包括4臺PC機(jī)，每臺設(shè)奔騰處理器，10GB硬盤，256MB內(nèi)存，CD-ROM驅(qū)動器，內(nèi)部鍵盤和鼠標(biāo)，系統(tǒng)總線接口板，軟件為Windows-NT，分別作為中央數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)、EAF（電弧爐）/AOD爐/VOD爐的過程計算機(jī)、開發(fā)試驗(yàn)計算機(jī)和供技術(shù)專家使用的開發(fā)計算機(jī)。其功能相當(dāng)復(fù)雜，包括電弧爐、AOD爐和VOD爐的復(fù)雜數(shù)學(xué)模型及在線控制。該系統(tǒng)的特點(diǎn)還有無論是操作員終端還是過程計算機(jī)、OS服務(wù)器都全部使用PC機(jī)，系統(tǒng)軟件也是通用的，因而造價低廉，但功能強(qiáng)大。

4 控制策略與先進(jìn)控制的進(jìn)步

隨著工藝優(yōu)化，用戶要求高質(zhì)量、多品種、小批量且價格合理的產(chǎn)品，要求開發(fā)更多高精度、適應(yīng)性更強(qiáng)的系統(tǒng)。經(jīng)典自控理論難以適應(yīng)多參數(shù)、非線性和高度不確定的對象。過去由于快速計算機(jī)、CAD環(huán)境、數(shù)值計算法等不具備，使現(xiàn)代控制理論構(gòu)成的系統(tǒng)應(yīng)用不多，80年代后，上述問題相繼得到解決，使現(xiàn)代控制理論得以實(shí)用化。

（1）先進(jìn)的控制策略 -復(fù)合或改進(jìn)PID算法（這在鋼鐵工業(yè)使用較多，如連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制等等）；

-H∞控制理論以及構(gòu)成魯棒控制方法。按此理論構(gòu)成比較成功的有：連鑄結(jié)晶器鋼水液面控制、板帶熱連軋厚度自動控制（AGC）和軋機(jī)傳動系統(tǒng)軸承振動控制等系統(tǒng)；

-預(yù)測控制。預(yù)測控制有多種形式，如：模型預(yù)測控制、綜合預(yù)測控制、receding horizon預(yù)測控制、模型預(yù)測啟發(fā)控制、廣義預(yù)測控制、多參量預(yù)測控制等；

-自適應(yīng)控制。在鋼鐵工業(yè)生產(chǎn)工程中，不少過程是時變的，若采用的結(jié)構(gòu)與參數(shù)是固定的，則在過程參數(shù)改變時，調(diào)節(jié)品質(zhì)將惡化，甚至失控，這就需要使用自適應(yīng)控制。目前流行的有：自整定控制器及其他簡單的自適應(yīng)控制器（最常見的是自整定PID參數(shù)的控制器，目前大多數(shù)DCS或數(shù)字式傳動系統(tǒng)的電子控制器都有這種功能）、帶有參考模型的自適應(yīng)控制系統(tǒng)（由于建模困難，目前出現(xiàn)“無模型控制算法”，這種方法其實(shí)也是有模型的，不過不需要用戶自己建立而是由自適應(yīng)算法來建立，這種無模型控制算法（NMACA）已有商品化的軟件，據(jù)報道使用NMACA算法比之PID算法控制結(jié)果精度高得多，波動減小到一半以上）、自校正控制（它在理論上是很完善的，但在鋼鐵工業(yè)實(shí)踐中，如在退火爐群控制和高爐熱風(fēng)爐控制中效果不理想，且沒有商品化的軟件）；

-協(xié)調(diào)控制。它的基本概念是整個生產(chǎn)管理綜合協(xié)調(diào)，包括人機(jī)協(xié)調(diào)、人與人協(xié)調(diào)、機(jī)與機(jī)協(xié)調(diào)、現(xiàn)場與辦公室的協(xié)調(diào)以及管理與控制的協(xié)調(diào)，全盤考慮以獲得最大的經(jīng)濟(jì)效益，協(xié)調(diào)控制已在日本的連鑄生產(chǎn)中使用； -多輸入多輸出控制。在鋼鐵工業(yè)應(yīng)用也日益增多，如日本住友金屬公司鹿島鋼鐵廠3號高爐的熱風(fēng)爐優(yōu)化模型。為了保證送風(fēng)溫度和控制硅磚接縫溫度不低于耐火磚相變點(diǎn)溫度，采用了熱風(fēng)爐動態(tài)模型，把熱并聯(lián)的熱風(fēng)爐動態(tài)特性格式化，用積分式最佳調(diào)節(jié)器多變量控制法來構(gòu)成無論熱并聯(lián)送風(fēng)或低溫送風(fēng)都適合的投入熱量控制系統(tǒng)；

-智能控制。主要有3種方式：即：模糊控制（已成功用于高爐熱風(fēng)爐燃燒、加熱爐燃燒、燒結(jié)的配料、爐外精煉的鋼包爐加熱和攪拌、連鑄的結(jié)晶器鋼水液面，冷軋板形等控制，無論調(diào)節(jié)時間和波動幅度都比PID控制好得多）、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)控制（已用于電弧爐煉鋼以及爐外精煉鋼包爐的電極升降控制、優(yōu)化設(shè)定、電參數(shù)預(yù)測和智能PID控制，熱軋板帶連軋機(jī)的優(yōu)化設(shè)定等）、專家系統(tǒng)（它是一種基于專家知識及其推理方法對被控對象進(jìn)行控制的技術(shù)，過去是單項(xiàng)（如高爐異常爐況診斷、爐熱診斷等）或少數(shù)功能（高爐的爐熱預(yù)報和爐況預(yù)報，以及短、中、長期診斷、突發(fā)性異常預(yù)報、休風(fēng)指導(dǎo)及設(shè)備故障指導(dǎo)等功能）僅作為操作指導(dǎo)的專家系統(tǒng)，近來的進(jìn)展是綜合化（多目標(biāo)或全面的專家系統(tǒng)，如芬蘭羅德洛基-日本川崎專家系統(tǒng)并為我國武鋼、本鋼和首鋼引進(jìn)，它對爐溫、爐型、順行、爐缸中渣鐵平衡進(jìn)行監(jiān)控與管理，它除了使用知識和產(chǎn)生式規(guī)則外，還使用數(shù)學(xué)模型運(yùn)算）與閉環(huán)化（如奧鋼聯(lián)的高爐VAIRON自動化系統(tǒng)，其專家系統(tǒng)是閉環(huán)控制的，是世界上第1個實(shí)行閉環(huán)控制的的高爐專家系統(tǒng)。它直接按爐子狀況，閉環(huán)控制爐料及其裝入和分布、焦比、堿度、噴煤和噴蒸汽等）。

（2）數(shù)學(xué)模型的進(jìn)展

現(xiàn)在在生產(chǎn)過程中應(yīng)用的模型已包括一般模型和模擬模型以及控制模型。一般模型是指帶有技術(shù)計算性質(zhì)的模型如配料優(yōu)化模型等，模擬模型是指模擬對象動態(tài)行為包括工藝過程和設(shè)備性能仿真等，控制模型主要供實(shí)時控制或操作指導(dǎo)之用。如高爐過程數(shù)學(xué)模型已由只有控制模型轉(zhuǎn)而為包括：

-一般模型：配料模型及質(zhì)量預(yù)測、配料優(yōu)化模型等。

-模擬模型：熱化學(xué)模型（操作線圖、碳-直接還原圖即C-DRR圖等）、風(fēng)口循環(huán)區(qū)模型、爐底侵蝕推斷模型、軟熔帶位置推斷模型、高爐操作預(yù)測模型、熱風(fēng)爐操作預(yù)測模型；其他模型還有研究高爐行為的一維、二維和三維模型等。 -控制模型：熱風(fēng)爐燃燒模型、無料鐘布料控制模型、爐熱判定模型、多目標(biāo)綜合控制模型等等。

5 設(shè)備診斷技術(shù)的進(jìn)步與人工免疫系統(tǒng)

上世紀(jì)50年代以前發(fā)達(dá)國家的設(shè)備管理都是發(fā)生故障后停車檢修，50年代開始使用預(yù)防性維護(hù)（TBM），即安排定期檢修，60年代增加了生產(chǎn)維護(hù)，70年代又引入全員生產(chǎn)維護(hù)（TPM），80年代發(fā)展為預(yù)報維護(hù)（CBM）。預(yù)報維護(hù)主要的基礎(chǔ)是狀態(tài)檢測技術(shù)與分析技術(shù)，近年的進(jìn)展有：

（1）電腦化與大規(guī)模信息網(wǎng)絡(luò)

設(shè)備診斷近來使用大規(guī)模包括有分析模型的全廠性設(shè)備診斷網(wǎng)絡(luò)和計算機(jī)系統(tǒng)，如日本鋼鐵公司八幡廠的熱軋分廠的從加熱爐至卷取設(shè)有設(shè)備診斷專用的多個工作站，進(jìn)行全廠設(shè)備監(jiān)測、評價、分析和預(yù)報，連鑄生產(chǎn)也使用類似的系統(tǒng)。

（2）使用模型進(jìn)行故障診斷與預(yù)報近來使用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行診斷，主要有兩類模型：

-基于解析方法的模型。如參數(shù)估計法、狀態(tài)估計法、等價空間法等，由于大多數(shù)系統(tǒng)都是非線性的，故近來更多研究基于非線性模型，如基于區(qū)間參數(shù)模型、基于有不確定環(huán)節(jié)模型等，但大都很復(fù)雜，多科學(xué)技術(shù)的交叉，使用觀測器、知識工程、自適應(yīng)、魯棒控制技術(shù)等甚至混合技術(shù)，故在鋼鐵工業(yè)成功并商品化的不多；

-基于知識方法的模型。如專家系統(tǒng)、模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、peri網(wǎng)、符號有向圖、模式識別等。在鋼鐵工業(yè)主要是使用專家系統(tǒng)，它使沒有經(jīng)驗(yàn)的人員借此也可以達(dá)到專家水平而大受歡迎，它可以是單項(xiàng)的商品化的專家系統(tǒng)，例如旋轉(zhuǎn)機(jī)械故障診斷專家系統(tǒng)、電機(jī)故障診斷專家系統(tǒng)等，也可以是實(shí)現(xiàn)在線計算機(jī)系統(tǒng)中的一個功能的專家系統(tǒng)，如冷軋計算機(jī)系統(tǒng)中的軋機(jī)液壓壓下設(shè)備故障診斷專家系統(tǒng)，還可以是更大的專門機(jī)組的AI系統(tǒng)，如高爐余壓發(fā)電故障診斷專家系統(tǒng)等。模式識別也廣泛使用，因?yàn)槟承┯涗浨€，專家一看就知道是會出現(xiàn)故障，例如連鑄鋼包回轉(zhuǎn)臺軸承故障診斷和預(yù)報是很關(guān)鍵的，特別是回轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)到中間但未到位，如果軸承出故障，停車更換要很長時間，那鋼水會凍住凝結(jié)，損失就很大，而回轉(zhuǎn)臺是旋轉(zhuǎn)極慢（0.7rpm），一般方法無法預(yù)報故障，但可用比較其振動時序曲線的方法解決，專家很容易識別正常與將破損的曲線。

（3）大力發(fā)展過程診斷技術(shù)。設(shè)備診斷與過程診斷密切相關(guān)，如軋鋼產(chǎn)品尺寸不良，有操作原因，有設(shè)備劣化原因，冷軋機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)包括過程診斷與設(shè)備診斷，前者主要是監(jiān)視鋼帶尺寸、質(zhì)量數(shù)據(jù)以及如軋制壓力等操作數(shù)據(jù)，后者監(jiān)視設(shè)備狀態(tài)，并有分析支持功能以便進(jìn)行設(shè)備和過程的綜合分析。

（4）人工免疫系統(tǒng)。是研究生物免疫系統(tǒng)發(fā)展起來的一門科學(xué)，包括免疫系統(tǒng)模型（如獨(dú)特型免疫網(wǎng)絡(luò)模型、多值網(wǎng)絡(luò)免疫模型、免疫聯(lián)想記憶模型等）、免疫學(xué)習(xí)算法（如反向選擇算法、免疫遺傳算法、克隆選擇算法、基于疫苗的免疫算法、基于免疫網(wǎng)絡(luò)的免疫算法等）等。它已開始用于設(shè)備診斷。

6 機(jī)器人的應(yīng)用

機(jī)器人早已進(jìn)入鋼鐵工業(yè)，特別是在鋼鐵冶煉的高溫、粉塵大等惡劣環(huán)境，用于渣鐵槽中取樣、更換風(fēng)口和打出鐵口、鐵水罐車噴漿等。日本住友金屬工業(yè)公司用作高爐泥泡投入泥漿、鐵水溝取樣等，但多為機(jī)械手或重演式機(jī)器人，采用順序控制方式。近來主要發(fā)展是智能機(jī)器人，并與工廠控制網(wǎng)相連，甚至作為CIMS的一部分，如日本鋼鐵公司的連鑄機(jī)器人，它使用專業(yè)機(jī)器人制造廠生產(chǎn)的SCARA型機(jī)器人，進(jìn)行應(yīng)用開發(fā)，該機(jī)器人包括眼睛（兩個CCD攝像機(jī)及一個圖象處理機(jī)）、大腦（內(nèi)含專家系統(tǒng)）、手（六軸負(fù)載傳感器和執(zhí)行器），它能辨別結(jié)晶器內(nèi)鋼水液位，保護(hù)渣是否不足并加入和分布保護(hù)渣，除去邊渣和渣殼，防止反流卷渣等。除了連鑄機(jī)器人外，近來還有砌爐拆爐的機(jī)器人，用于拆砌轉(zhuǎn)爐和電爐的耐火磚，不僅省力而且可以使人免除在塵埃環(huán)境下工作。

7 綜合管理控制系統(tǒng)的發(fā)展與MES系統(tǒng)的廣泛化

CIMS（流程工業(yè)稱CIPS，國內(nèi)在鋼鐵工業(yè)有學(xué)者稱為綜合管理控制系統(tǒng)）過去主要是6級或5級結(jié)構(gòu)，近來使3級結(jié)構(gòu)。國外如美鋼聯(lián)、德國的蒂森、英鋼聯(lián)、日本五大鋼鐵公司均已在80年代中、末實(shí)現(xiàn)CIMS了。國內(nèi)80年代末在個別廠（如引進(jìn)的寶鋼熱連軋廠、無縫鋼管廠）實(shí)現(xiàn)了CIMS的生產(chǎn)控制級，其后寶鋼和外商合作建成了全公司的CIMS。

近來CIMS體系結(jié)構(gòu)主要是3級體系結(jié)構(gòu)。其中以MES為關(guān)鍵，MES起著將從生產(chǎn)過程產(chǎn)生的信息和從經(jīng)營管理活動中產(chǎn)生的信息，以及生產(chǎn)管理活動中產(chǎn)生的信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換、加工、傳遞的作用，是生產(chǎn)活動與管理活動信息集成的重要橋梁和紐帶。據(jù)美國ARC公司（Automation Research Corp.）調(diào)查，在采用以BPS/MES/PCS三級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)的MES技術(shù)后，可獲得的效益為：質(zhì)量提高19.2%，勞動生產(chǎn)率提高13.5%，產(chǎn)量提高11.5%。因此， MES已成為鋼鐵工業(yè)信息化的熱門。近年來鋼鐵工業(yè)信息化，國內(nèi)已有許多廠礦在建設(shè)并應(yīng)用ERP，為了使ERP更有效和各分廠連接并獲得MES系統(tǒng)的效益，紛紛完善PCS和建立MES，例如唐鋼燒結(jié)廠的MES、江陰錫澄鋼鐵公司的煉鋼MES（含電爐、爐外精煉等）、南鋼煉鋼-中板的MES、漣鋼的煉鐵MES、濟(jì)鋼的煉鋼-中板及其一體化MES、濟(jì)鋼焦化MES等。

8 可視化技術(shù)的出現(xiàn)和監(jiān)控系統(tǒng)的革新

高爐是密閉的，只能靠儀表檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行推測，連鑄過程表面看是敞開的，但其內(nèi)部冷卻過程、渣的影響仍然靠推斷，故長期以來技術(shù)的發(fā)展，主要是靠試驗(yàn)、失敗、再試驗(yàn)直到成功而取得。近來由于測試技術(shù)、計算技術(shù)、圖象處理技術(shù)、工藝?yán)碚?、特別是模型化的進(jìn)步，使人們能了解過程的進(jìn)展，并實(shí)行定量控制。利用上述技術(shù)并結(jié)合多媒體虛擬技術(shù)，把本來模糊的過程，變成透明化、可視化以方便操作，例如日本名古屋鋼鐵廠開發(fā)的連鑄結(jié)晶器可視化系統(tǒng)便是一例。它把傳感器群的數(shù)據(jù)送入專門的可視化用的計算機(jī)，在那里經(jīng)數(shù)據(jù)處理和模型運(yùn)算得出顯示中間品質(zhì)指標(biāo)數(shù)據(jù)，并與預(yù)設(shè)定鋼種中每個鑄坯消除缺陷所需的適宜作業(yè)比較，然后直接成為可視化畫面，并提出保證鑄坯品質(zhì)的作業(yè)和動作建議。近代高爐重大技術(shù)之一是利用傳感器群的數(shù)據(jù)，經(jīng)多個模型綜合，并利用多媒體虛擬技術(shù)，把密封的、不可窺視的高爐內(nèi)部情況變成開放的、可視化高爐，將內(nèi)部情況用不同顏色的三維畫面顯示，并使用大尺寸投背式屏幕使操作者一目了然，便于操作。

9 優(yōu)化、無人化與準(zhǔn)無人化工廠的進(jìn)展

（1）優(yōu)化生產(chǎn) -公司性的優(yōu)化生產(chǎn)。例如芬蘭羅得洛基鋼鐵集團(tuán)公司的鋼鐵廠管理決策系統(tǒng)，它包括3個模型：生產(chǎn)能力模型（包括鐵、鋼、坯、軋制過程，估算事故和維修停頓持續(xù)時間分布因數(shù)，亦即每個工序生產(chǎn)多少，是否需滿負(fù)荷，是否需減產(chǎn)、是否需停產(chǎn)，要考慮整體效益）、費(fèi)用模型（按各過程階段計算出物料平衡和能耗平衡來建立）以及優(yōu)化模型（按產(chǎn)品類別分組，按價格分組，按市場分組，亦即按集團(tuán)公司下的各廠、國內(nèi)用戶、出口等分組來建立模型，以利潤為目標(biāo)函數(shù)）。該系統(tǒng)投入使用后，效果良好，在市場不景氣的情況下，工廠利潤在最低費(fèi)用和最高利潤之差值是每年為1500萬芬蘭馬克，市場好轉(zhuǎn)情況下每年為5500萬芬蘭馬克；

-生產(chǎn)工序的優(yōu)化生產(chǎn)。例如在高爐到轉(zhuǎn)爐的成本優(yōu)化中（包括高爐、鐵水脫硫脫硅、轉(zhuǎn)爐煉鋼3個過程），關(guān)于硅的最佳分配及各工序主要工藝指標(biāo)如何分配才能使生產(chǎn)成本最低問題，在國外同樣是以建立優(yōu)化模型來解決的；

-輔助工序的優(yōu)化生產(chǎn)。例如維護(hù)方式的選擇優(yōu)化系統(tǒng)，由于隨著維護(hù)深入，可能使設(shè)備故障造成的產(chǎn)量和質(zhì)量的損失減少，但維護(hù)費(fèi)用增加，因此可用計算機(jī)建立維護(hù)費(fèi)用曲線和故障造成的損失曲線，并求出兩者合成曲線的費(fèi)用最低點(diǎn)，以進(jìn)行科學(xué)決策。

（2）無人化與準(zhǔn)無人化工廠

在國外為了降低成本、正在發(fā)展準(zhǔn)無人化、局部無人化和全無人化工廠。第1種如日本鋼鐵公司的實(shí)現(xiàn)出鐵過程一人控制。第2種如上述的使用連鑄機(jī)器人，使連鑄平臺無人化。第3種是高度自動化的無人化工廠.，如日本川崎鋼鐵公司千葉廠1995年5月投產(chǎn)的第3熱連軋廠，已實(shí)現(xiàn)全車間無人化，只在中控室有3人監(jiān)視操作，生產(chǎn)管制中心；另外，日本鋼管公司的福山廠4＃燒結(jié)機(jī)，面積400m²，年產(chǎn)量為650萬噸，也于1996年2月實(shí)現(xiàn)無人化作業(yè)，僅保留3人當(dāng)班。

對策

（1）鋼鐵工業(yè)自動化發(fā)展很迅速，差距較大，要完全自行解決是困難的，在開放環(huán)境下，為加快取得經(jīng)濟(jì)效益，引進(jìn)還是必要的，主要是有效管理，以便盡量減少重復(fù)引進(jìn)，使引進(jìn)發(fā)揮作用和作為技術(shù)來源，經(jīng)過創(chuàng)新成為有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)，甚至化進(jìn)口為出口。因此要有一系列政策進(jìn)行調(diào)控，政策要建立過去成功經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)在問題所在上，例如過去的“一家引進(jìn)，萬家受益”方針使寶鋼技術(shù)得以成功地推廣應(yīng)用，而現(xiàn)在強(qiáng)調(diào)企業(yè)自籌而防止轉(zhuǎn)移，往往還有是許多技術(shù)壓在某單位而替外國人保密，還有是許多既重復(fù)引進(jìn)，又未揮作用。

（2）加強(qiáng)開發(fā)但不必完全仿效西方國家系統(tǒng)且有創(chuàng)新。為節(jié)約開支而需有重點(diǎn)的解決生產(chǎn)重大問題的項(xiàng)目，如高爐長壽的必要監(jiān)控、熱風(fēng)爐無波動換爐與協(xié)調(diào)控制、中小高爐的操作支持系統(tǒng)，轉(zhuǎn)爐的在線鋼水溫度和成份預(yù)測，連鑄的漏鋼預(yù)報，軋鋼的熱連軋軋制力神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)模型，煉鐵、煉鋼、軋鋼等的質(zhì)量預(yù)測及制造執(zhí)行系統(tǒng)等。

（3）對熱門技術(shù)建立標(biāo)準(zhǔn)化軟件，便于推廣。這種標(biāo)準(zhǔn)化并非象產(chǎn)品一樣，拿來就可用，而為可剪貼，稍加更改就可應(yīng)用，例如MES，功能基本相同，只是對象不同，例如設(shè)備管理，無論那個廠都類似只是名稱、數(shù)量、規(guī)格不同，而表格是相同的，人工填入不同內(nèi)容就可。專家系統(tǒng)也是這樣。

（4）對引進(jìn)量大的或昂貴的自動化產(chǎn)品要設(shè)法立足國內(nèi)，包括如人工智能等各類平臺、PLC、全數(shù)字電氣傳動的電子控制器等，要講究方法，如PLC應(yīng)從小規(guī)模系統(tǒng)開始，臺灣也是這樣發(fā)展的。