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任德祥 （1941-）
教授級(jí)高工，中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事、過(guò)程控制專業(yè)委員會(huì)副主任委員、儀表與裝置專業(yè)委員會(huì)常務(wù)理事。教育部流程工業(yè)綜合自動(dòng)化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員及工程專業(yè)教育論證專家委員會(huì)委員。先后在冶金部西南鋼鐵研究院、鞍鋼、寶鋼工作。長(zhǎng)期從事IT自動(dòng)化領(lǐng)域系統(tǒng)的研究、開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)與工程投運(yùn)工作，歷任項(xiàng)目組長(zhǎng)、自動(dòng)化部副部長(zhǎng)、自動(dòng)化研究所所長(zhǎng)及寶信軟件顧問(wèn)專家等職；主持領(lǐng)導(dǎo)過(guò)寶鋼一期、二期國(guó)家重點(diǎn)工程的自動(dòng)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、調(diào)試、投運(yùn)、功能考核、投運(yùn)工作；以及寶鋼若干重大信息管理系統(tǒng)、自動(dòng)化技術(shù)創(chuàng)新的研發(fā)項(xiàng)目的規(guī)劃、決策與領(lǐng)導(dǎo)工作。曾為”九五”國(guó)家863流程工業(yè)CIMS主題專家組成員。

1 引言

    進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展需求的變化以及激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局，我國(guó)正經(jīng)歷從一個(gè)高速增長(zhǎng)期到以科學(xué)發(fā)展觀統(tǒng)領(lǐng)鋼鐵工業(yè)發(fā)展的轉(zhuǎn)軌過(guò)程。轉(zhuǎn)變?cè)鲩L(zhǎng)方式、結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整成為了行業(yè)中心，任務(wù)特別是在面臨世界金融危機(jī)的形勢(shì)下，加速淘汰落后生產(chǎn)能力，加快提升科技開(kāi)發(fā)與創(chuàng)新能力，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)，降低消耗，降低成本，生產(chǎn)適銷(xiāo)對(duì)路、市場(chǎng)急需的產(chǎn)品已成為發(fā)展的重要特征。正是基于這種特定變化的市場(chǎng)環(huán)境的壓力，以及發(fā)展的技術(shù)環(huán)境驅(qū)使，近年來(lái)，作為鋼鐵業(yè)發(fā)展重要技術(shù)支柱的自動(dòng)化系統(tǒng)，也有許多變化與提高。在鋼鐵過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的技術(shù)組成中，包含的內(nèi)容很多，這里就檢測(cè)技術(shù)、控制技術(shù)、傳動(dòng)技術(shù)、系統(tǒng)化技術(shù)等方面展開(kāi)，它們是鋼鐵過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的基礎(chǔ)和核心，從而也映射了系統(tǒng)總體的現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展動(dòng)向

2.1 檢測(cè)技術(shù)

2.1.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

    生產(chǎn)過(guò)程的檢測(cè)傳感技術(shù)的發(fā)展，源于生產(chǎn)過(guò)程質(zhì)量、能耗、環(huán)境和安全等的需求推動(dòng)，而應(yīng)用的檢測(cè)技術(shù)也給鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的控制和產(chǎn)品質(zhì)量提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。毋用置疑，給予檢測(cè)技術(shù)推動(dòng)的發(fā)展有很大影響的是市場(chǎng)對(duì)生產(chǎn)過(guò)程需求的變化。近年來(lái)，除了原來(lái)用于過(guò)程控制的檢測(cè)外，很明顯地加強(qiáng)了對(duì)產(chǎn)品（包括中間產(chǎn)品）的缺陷等質(zhì)量的檢測(cè)、原材料的檢測(cè)、環(huán)境安全檢測(cè)，其中大部分以信息反饋的方式進(jìn)入了自動(dòng)化系統(tǒng)。鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程中過(guò)程檢測(cè)技術(shù)在系統(tǒng)中所起的作用與地位示意如圖1所示。粗線箭頭代表現(xiàn)在主要的信息流向，細(xì)線箭頭為輔助流向而虛線箭頭為今后傳感信息。

                       圖1   鋼鐵生產(chǎn)的過(guò)程檢測(cè)技術(shù)作用與地位

    （1）過(guò)程控制檢測(cè)

    鋼鐵過(guò)程檢測(cè)有許多對(duì)象，其絕對(duì)量檢測(cè)有：溫度、位置、位移、速度、尺寸（長(zhǎng)度、寬度、厚度）、形狀、重量、流量、濃度等，這些量的檢測(cè)雖然是“老生常談”，但隨著時(shí)代的技術(shù)，進(jìn)步其內(nèi)涵或精度、穩(wěn)定性都有很大變化和提高，并且對(duì)應(yīng)于各工序單元有重點(diǎn)檢測(cè)內(nèi)容，如表1所示。

    過(guò)程檢測(cè)以基本狀態(tài)量的檢測(cè)為基礎(chǔ)。它體現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)象的能觀性，也對(duì)應(yīng)了系統(tǒng)的能控性。因此，檢測(cè)技術(shù)對(duì)控制系統(tǒng)有很強(qiáng)的制約，它直接關(guān)系到系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)的自動(dòng)化水平。換句話說(shuō)現(xiàn)代的鋼鐵產(chǎn)品制造水平與自動(dòng)化系統(tǒng)的最基礎(chǔ)技術(shù)— 檢測(cè)技術(shù)的水平是密不可分的。系統(tǒng)對(duì)象的檢測(cè)，考慮了兩個(gè)部分，即被控對(duì)象及其環(huán)境。如：軋制過(guò)程在線連續(xù)測(cè)量軋件尺寸的能力和水準(zhǔn)，決定了軋制可控程度和質(zhì)量。熱軋過(guò)程測(cè)量是在相對(duì)高的振動(dòng)和高溫、水流、氧化層粉層等干擾下實(shí)現(xiàn)的。鋼材軋制過(guò)程中紅外溫度掃描和成像，CCD鋼板寬度測(cè)量和板頭尾形狀測(cè)量技術(shù)的開(kāi)發(fā)極大提高了軋制過(guò)程的自動(dòng)化水平。而軋制過(guò)程熱軋板形控制和控軋控冷技術(shù)將溫度測(cè)量要求在惡劣的環(huán)境下擴(kuò)展到多點(diǎn)、動(dòng)態(tài)、高速和高精度水準(zhǔn)。

                       表1   工序過(guò)程重點(diǎn)檢測(cè)對(duì)象一覽表

    （2）關(guān)于表面、內(nèi)部缺陷檢測(cè)

    鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程涉及到產(chǎn)品質(zhì)量方面。從表面缺陷、甚至是表面微細(xì)缺陷的檢測(cè)到內(nèi)部缺陷的檢測(cè)。如：鑄坯表面缺陷檢測(cè)識(shí)別、板材的平直度、凸度檢測(cè)，涂鍍產(chǎn)品覆層檢測(cè)到管、線、型材等產(chǎn)品表面缺陷的在線檢測(cè)和各種新型的高分辨率的表面缺陷檢測(cè)和針孔檢測(cè)，進(jìn)而到以δ值測(cè)量?jī)x為代表的鋼材內(nèi)部質(zhì)量檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用過(guò)程，充分反映了對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)要求的深化。

    （3）關(guān)于在線的原材料質(zhì)量檢測(cè)

    鋼鐵生產(chǎn)的過(guò)程控制，既要考慮原材料是正常質(zhì)量的情況，又要防止不能應(yīng)對(duì)或無(wú)法預(yù)期的原材料變化和缺陷的發(fā)生。因此，除具備了燒結(jié)礦、煤、焦水份的紅外、微波、中子射線檢測(cè)、煤灰份檢測(cè)、鐵水硅、硫成份分析檢測(cè)外，作為在線的原材料質(zhì)量檢測(cè)，最引人注目的是硅鋼板的硅素含有率的檢測(cè)等。

    （4）關(guān)于環(huán)境安全的檢測(cè)

    鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程，嚴(yán)格控制有礙于環(huán)境安全的有害物質(zhì)的泄漏與排放。避免造成不良甚至于嚴(yán)重后果。因此，關(guān)于環(huán)境安全的檢測(cè)是必須的。目前有:燒結(jié)過(guò)程粉塵排放量、成份檢測(cè)、高爐GAS回收量和成份檢測(cè)、焦?fàn)tGAS回收量和成份檢測(cè)、冶煉過(guò)程粉塵排放量和GAS成份檢測(cè)、加熱爐排放廢氣成份檢測(cè)、酸洗涂鍍等廢液排放檢測(cè)、水循環(huán)和排放的水質(zhì)檢測(cè)等。

2.1.2 發(fā)展動(dòng)向

    （1）從使產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定化發(fā)展到使產(chǎn)品高質(zhì)量化

    這是持續(xù)性開(kāi)展的方向。伴隨IT技術(shù)的進(jìn)展、傳感器的高性能化、數(shù)據(jù)處理的高速化，對(duì)應(yīng)于檢測(cè)需求的高層次化，使以往不能達(dá)到的檢測(cè)水準(zhǔn)現(xiàn)在則有可能達(dá)到。其中，引人注目的是廣泛應(yīng)用圖象化處理方法。

    （2）從宏檢測(cè)到微檢測(cè)

    目前，傳感器的大部分是用所發(fā)現(xiàn)的有關(guān)要求指標(biāo)的確切可代用指標(biāo)作為目標(biāo)值嵌入到微系統(tǒng)。而代用指標(biāo)多數(shù)是黑匣子的宏參數(shù)，只有獲得更多具有更深、更正確的信息或知識(shí)才有利于明確判斷。因此，使檢測(cè)手段的發(fā)展轉(zhuǎn)向取得微參數(shù)，旨在通過(guò)把握現(xiàn)象本質(zhì)的應(yīng)對(duì)，使產(chǎn)品更具有確實(shí)的質(zhì)量與可靠性。

    （3）從點(diǎn)檢測(cè)到多維檢測(cè)

    事物具有全息性。但目前有關(guān)質(zhì)量的認(rèn)識(shí)，往往是感性的東西很多。而如內(nèi)部組成之類(lèi)的現(xiàn)象自身，往往是復(fù)雜的，存在好多無(wú)法用單一的物理量表現(xiàn)的情況。即如光、超聲波、電磁。那樣檢測(cè)手段一般也限定感度和性能所能夠達(dá)到的范圍。因而，補(bǔ)充它們測(cè)定的界限則是物理的、數(shù)理的模型和積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，就是說(shuō)，要力求從多個(gè)視角來(lái)補(bǔ)充或綜合，這樣會(huì)對(duì)質(zhì)量的認(rèn)識(shí)更全面、更深入，如能自如地應(yīng)用圖象信息處理等手段則必然會(huì)促進(jìn)它們的應(yīng)用：如聲波CT技術(shù)應(yīng)用于高爐內(nèi)的溫度分布檢測(cè)以及通過(guò)感知數(shù)據(jù)的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)爐況可視化，通過(guò)多點(diǎn)檢測(cè)進(jìn)行的復(fù)雜形狀的熱區(qū)在線檢測(cè)等。

    （4）傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)化

    迄今為止的質(zhì)量管理僅限于生產(chǎn)線或工廠之中，而通過(guò)傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)化能實(shí)現(xiàn)對(duì)用戶使用中的產(chǎn)品實(shí)施質(zhì)量管理，進(jìn)行劣化檢測(cè)等事項(xiàng)逐步成為可能。無(wú)論使用者還是生產(chǎn)者，這些信息都能得到應(yīng)用反饋。另外，資源重用化時(shí)，利用持續(xù)把握的使用數(shù)據(jù)，使進(jìn)行高可靠性的再利用、再循環(huán)也成為可能。傳感檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)使檢測(cè)手段能得到及時(shí)推廣，并使得到的信息普及知識(shí)庫(kù)化達(dá)到靈活應(yīng)用。

2.2 控制技術(shù)

2.2.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

    在鋼鐵過(guò)程自動(dòng)化中，除了順序控制外，最廣泛采用的基礎(chǔ)控制是作為經(jīng)典控制的前饋（FF）/反饋（FB）或其組合方式的實(shí)用控制和以模型為基礎(chǔ)的高級(jí)控制術(shù)在鋼鐵過(guò)程的控制中起著極其重要的作用。

    根據(jù)不同工藝過(guò)程的不同用途有不同類(lèi)型的選擇。以建模的信息類(lèi)型分，則有：實(shí)體驅(qū)動(dòng)型模型及數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)型模型及混合型模型三類(lèi)。而以軟測(cè)量、預(yù)測(cè)控制、智能控制、多變量自適應(yīng)、解耦控制等為代表的先進(jìn)控制與智能控制技術(shù)和在解決鋼鐵過(guò)程的非線性、不穩(wěn)定方面得到了成功的應(yīng)用。有關(guān)鋼鐵過(guò)程控制特性及分類(lèi)示意圖，如圖2所示。以下，就按該分類(lèi)的三大工序過(guò)程進(jìn)行闡述。

    （1）前工序過(guò)程

    由于能控性受制于能觀性的原因，目前，高爐、轉(zhuǎn)爐的模型均多為操作指導(dǎo)模型，特別是高爐為大規(guī)模非線性系統(tǒng)，應(yīng)用控制理論的建模工作極其困難。大致經(jīng)歷了兩個(gè)階段：首先，通過(guò)從過(guò)程機(jī)收集的數(shù)據(jù)，借助于數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出反映高爐爐況的指標(biāo)，從而為高爐爐長(zhǎng)提供高爐運(yùn)行狀態(tài)指導(dǎo)高爐操作的Go-Stop系統(tǒng)；其次，綜合了專家的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和有關(guān)理論研究，通過(guò)AI技術(shù)與信息處理來(lái)對(duì)爐況的現(xiàn)狀、未來(lái)趨勢(shì)作出預(yù)報(bào)、給出最佳操作方針以達(dá)到指導(dǎo)高爐爐長(zhǎng)對(duì)高爐冶煉過(guò)程的控制。如今，已普遍采用專家系統(tǒng)進(jìn)行高爐的生產(chǎn)支持系統(tǒng)和借助于經(jīng)驗(yàn)的智能型爐況診斷系統(tǒng)。煉鋼過(guò)程以轉(zhuǎn)爐吹煉為中心，通過(guò)吹煉模型的高級(jí)化，提高了鋼水溫度、成分命中率和縮短處理時(shí)間。

    （2）軋鋼工序過(guò)程

    線性近似的軋制壓力與軋機(jī)剛度靜態(tài)模型與近似電氣、液壓系統(tǒng)及張力發(fā)生機(jī)構(gòu)動(dòng)特性的動(dòng)態(tài)模型的組合來(lái)描述。板厚及張力控制可通過(guò)應(yīng)用最優(yōu)控制、魯棒控制等技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。多變量控制技術(shù)應(yīng)用于熱軋活套器存在的板張力與活套量（活套高度）的變量耦合情況以及應(yīng)用于冷軋板形的軋制力變化補(bǔ)償、軋輥溫度凸度補(bǔ)償及輥磨損補(bǔ)償?shù)那闆r。另外，模型預(yù)測(cè)控制也應(yīng)用于熱軋薄板的蛇行控制，而基于混合系統(tǒng)（HBS）模型技術(shù)用來(lái)改善熱軋板的寬度控制等。

    （3）連續(xù)處理線工序

    除連續(xù)涂鍍線實(shí)現(xiàn)了全線的速度與張力控制外，還進(jìn)行把控制技術(shù)與操作訣竅結(jié)合的涂層智能（AI）的應(yīng)用等。即由于實(shí)際生產(chǎn)中，存在爐內(nèi)輻射熱使帶鋼溫度測(cè)量困難且又無(wú)法測(cè)定合金狀態(tài)的情況下，建立并應(yīng)用融合以操作人員的訣竅（Know –how）為準(zhǔn)則的智能控制提高了成品收得率。

2.2.2 發(fā)展動(dòng)向

    （1）以實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、多品種、短交貨期、穩(wěn)定化生產(chǎn)為目標(biāo)需求的控制技術(shù)開(kāi)發(fā)仍是主線。

    主要特點(diǎn)為：

    ① 通過(guò)控制與操作經(jīng)驗(yàn)（KNOW HOW）結(jié)合來(lái)克服過(guò)程非線性問(wèn)題。

    為克服非線性，考慮與操作經(jīng)驗(yàn)訣竅的結(jié)合問(wèn)題。即以控制理論為核心的控制技術(shù)不僅通過(guò)調(diào)整系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性取得提高質(zhì)量和收得率的實(shí)效，而且還把操作技能（訣竅）納入技術(shù)體系，這給新產(chǎn)品的量產(chǎn)化帶來(lái)了希望。與相關(guān)領(lǐng)域的合作，不僅要有系統(tǒng)控制技術(shù)與檢測(cè)領(lǐng)域的合作，而且要在計(jì)算機(jī)能力不斷提高的背景下，通過(guò)與智能技術(shù)、過(guò)程解析技術(shù)、材料科學(xué)等多領(lǐng)域的合作，來(lái)開(kāi)創(chuàng)自動(dòng)化的新局面。

    （2）以“在線最優(yōu)化”為核心的過(guò)程控制

    鑒于大量數(shù)據(jù)的在線實(shí)時(shí)處理已成為現(xiàn)實(shí)，鋼鐵業(yè)正著力研究基于大規(guī)模數(shù)據(jù)的高水準(zhǔn)建模技術(shù)及控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)在線最優(yōu)化。由于IT技術(shù)的高速發(fā)展，不僅使原來(lái)高速響應(yīng)困難的模型預(yù)測(cè)控制等最新控制理論在鋼鐵業(yè)的應(yīng)用出現(xiàn)了轉(zhuǎn)機(jī)。經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)挖掘的知識(shí)發(fā)現(xiàn)，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化創(chuàng)造了條件。

    以過(guò)程穩(wěn)定、技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為目標(biāo)，對(duì)關(guān)鍵工藝參數(shù)在線連續(xù)檢測(cè)基礎(chǔ)上，綜合利用預(yù)測(cè)技術(shù)及在線仿真來(lái)進(jìn)行多變量最優(yōu)化及實(shí)現(xiàn)工序間最優(yōu)化，而基于可視化技術(shù)與基于大量數(shù)據(jù)的信息趨勢(shì)引導(dǎo)技術(shù)支持穩(wěn)定化生產(chǎn)。

    （2）期盼突破高爐過(guò)程自動(dòng)化的難點(diǎn)

    高爐是鋼鐵過(guò)程自動(dòng)化的最難點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外正著力沿著從操作指導(dǎo)→半自動(dòng)化→全自動(dòng)的途徑緩緩前進(jìn)。雖然爐頂裝入物控制及熱風(fēng)爐燃燒控制等也能部分自動(dòng)化，但把握高爐整體的生產(chǎn)控制關(guān)鍵是高爐整體過(guò)程模型及基于檢測(cè)高爐底部反應(yīng)狀況及現(xiàn)象解析的傳感器與模型的開(kāi)發(fā)。而通過(guò)智能控制與實(shí)用控制結(jié)合等手段，來(lái)實(shí)現(xiàn)廣義的鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的高性能閉環(huán)控制則也是可實(shí)施途徑。即基于用戶知識(shí)庫(kù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)配料、焦比、堿度、噴吹等目標(biāo)的在線控制。它將進(jìn)一步降低人為因素對(duì)高爐操作的負(fù)面影響，使高爐運(yùn)行更加科學(xué)合理。

    （3）節(jié)能降排對(duì)控制技術(shù)的需求

    高爐進(jìn)行高效率生產(chǎn)（包含環(huán)境對(duì)策）、余壓發(fā)電控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)；轉(zhuǎn)爐進(jìn)行面向節(jié)能、再循環(huán)的控制技術(shù)開(kāi)發(fā)。通過(guò)吹煉模型的高級(jí)化削減合金鐵、副原料成本，減少渣量；通過(guò)轉(zhuǎn)爐爐壓的適正化，提高工廠內(nèi)再循環(huán)轉(zhuǎn)爐CO煤氣的回收量。諸如：根據(jù)外擾推定觀察器的應(yīng)用來(lái)降低爐壓變動(dòng)量，或從生產(chǎn)數(shù)據(jù)分析建立最佳爐壓設(shè)定值模式方法等。

    （4）軋鋼控制重心轉(zhuǎn)移向材質(zhì)性能控制

    軋鋼控制重心，從以往的外部尺寸規(guī)格控制逐漸轉(zhuǎn)移到關(guān)心生產(chǎn)好材質(zhì)的控制系統(tǒng)來(lái)。當(dāng)然，關(guān)于尺寸規(guī)格控制也會(huì)要求愈來(lái)愈嚴(yán)，仍需要持續(xù)性不斷改善。另一方面，更要關(guān)注材質(zhì)的生產(chǎn)問(wèn)題。試用基于模型的最優(yōu)化和數(shù)據(jù)庫(kù)等直接控制材料的耐力與強(qiáng)度等機(jī)械特性。例如：包括在線冶金模型、與基于材質(zhì)性能預(yù)測(cè)的鋼板材質(zhì)控制系統(tǒng)等，而以熱軋帶鋼力學(xué)性能預(yù)報(bào)模型及其在線應(yīng)用技術(shù)廣受關(guān)注。它不僅對(duì)有效余材充當(dāng)滿足客戶需求，縮短交貨期，降低庫(kù)存、加快資金周轉(zhuǎn)有積極意義，而且為更靈活地組織生產(chǎn)提供了嶄新的手段，被認(rèn)為是實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)生產(chǎn)控制的關(guān)鍵技術(shù)之一。

2.3 傳動(dòng)技術(shù)

    作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)在鋼鐵過(guò)程自動(dòng)化中具有重要的意義。其功能直接作用于被控對(duì)象。它是控制行為的最終執(zhí)行者。同時(shí)，也是系統(tǒng)效用性的關(guān)鍵歸結(jié)者之一。鋼鐵自動(dòng)化系統(tǒng)的執(zhí)行情況機(jī)構(gòu)有許多種，諸如：調(diào)節(jié)閥及其驅(qū)動(dòng)、液壓伺服系統(tǒng)、電氣傳動(dòng)系統(tǒng)。其中電氣傳動(dòng)系統(tǒng)占有最突出的地位。

2.3.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

    由于以電力電子器件為基礎(chǔ)的電氣傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，使AC傳動(dòng)系統(tǒng)控制的精度、響應(yīng)性、可維護(hù)性等方面的處于軋機(jī)主傳動(dòng)的絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。傳動(dòng)技術(shù)的進(jìn)步，包括電力電子技術(shù)、交流變頻技術(shù)、矢量控制技術(shù)等涉及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的系列化進(jìn)步和發(fā)展，以及作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電氣傳動(dòng)系統(tǒng)與控制器、傳感器的有效緊密配合，極大地提高了軋制過(guò)程的快速響應(yīng)性和控制精度。嚴(yán)格地說(shuō)，作為一個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)整體來(lái)考慮的傳動(dòng)系統(tǒng)，實(shí)際上包括有：軋機(jī)的軋輥傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和軋機(jī)電機(jī)以及供給電能并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的控制裝置。如：軋機(jī)主傳動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)采用雙電機(jī)傳動(dòng)形式，還是單電機(jī)傳動(dòng)形式等會(huì)對(duì)某些性能有影響。又如：盡管軋機(jī)電機(jī)單體能具備高速響應(yīng)的性能，但在與軋輥及傳動(dòng)軸組成系統(tǒng)后，由于傳動(dòng)軸的扭擰，會(huì)產(chǎn)生由裝置動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)與軋鋼過(guò)程本身的相互作用而出現(xiàn)的自激振動(dòng)，從而使其響應(yīng)速度只能達(dá)到電機(jī)單體性能的幾分之一。然而，若進(jìn)行了軸振減弱控制，則能達(dá)到與電機(jī)單體性能相近的效果。可見(jiàn)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)系統(tǒng)在作為系統(tǒng)行為的最終行為的執(zhí)行者，要考慮的技術(shù)細(xì)節(jié)是很多的。例如軋鋼設(shè)備對(duì)傳動(dòng)設(shè)備有明確的性能要求，如表2所示。            

    主規(guī)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。

    √代表重要性能項(xiàng)目

    而AC傳動(dòng)技術(shù)的應(yīng)用，涉及功率開(kāi)管器件的選擇與主回路組成及其控制方式的確定，除了在速度響應(yīng)、速度控制精度、轉(zhuǎn)矩平滑程度等性能指標(biāo)方面，都要滿足要求外，還有作為用戶方面的約束即要考慮：高次諧波的約束、功率的約束、運(yùn)行效率約束、維護(hù)的約束。

    在鋼鐵生產(chǎn)中占重要地位的熱軋機(jī)、冷軋機(jī)的主傳動(dòng)均采用AC傳動(dòng)技術(shù)大大提高了執(zhí)行機(jī)構(gòu)的響應(yīng)性和控制精度。

    而電力電子器件的發(fā)展，對(duì)AC傳動(dòng)有重要影響。廠家在應(yīng)用產(chǎn)品的同時(shí)，不斷推行控制的新技術(shù)。

2.3.2 發(fā)展動(dòng)向

    集中體現(xiàn)在電力電子器件及其控制應(yīng)用方式上。它們的發(fā)展概況如圖2所示。

    （1）高性能、多功能化

    如提高速度和轉(zhuǎn)矩的控制響應(yīng)，速度傳感的省略，控制參數(shù)的自動(dòng)調(diào)整等。

    （2）高可靠性化

    變換器的高可靠性。要求即使發(fā)生部件故障，仍然繼續(xù)運(yùn)行的可能的冗余系統(tǒng)。

                       圖2   電力電子器件及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)發(fā)展概況示意圖

    （3）小型化、高效率化、整合化

    電力電子器件的小型化、低損耗化。以及進(jìn)一步將功率控制等電力電子裝置與電機(jī)整合一起。

    （4）低噪聲化

2.5 系統(tǒng)化技術(shù)

    如何選擇系統(tǒng)構(gòu)成要素：計(jì)算機(jī)、控制器、網(wǎng)絡(luò)、傳感器、執(zhí)行器、信息軟件/控制軟件、人機(jī)界面等，集成構(gòu)建成自動(dòng)化系統(tǒng)才能達(dá)到所期望的目標(biāo)要求？這就是系統(tǒng)化技術(shù)面臨的任務(wù)。

    系統(tǒng)的組成涉及：要素、連接、結(jié)構(gòu)、功能、環(huán)境。其中，由于構(gòu)成要素的產(chǎn)品多樣性，以及組成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形態(tài)的多樣性，也帶來(lái)功能分擔(dān)的合理性、多樣性。既要把握資源的有效利用率，還要考慮H/W、S/W更新會(huì)帶來(lái)的問(wèn)題。“集成”雖提高了系統(tǒng)構(gòu)建的靈活性、效率性，但如何確保系統(tǒng)構(gòu)成要素配置的優(yōu)化和功能/性能的兼顧性以及使系統(tǒng)總體的性能/價(jià)格比的相對(duì)最優(yōu)？這也是系統(tǒng)化技術(shù)所要解決的問(wèn)題。

2.5.1 應(yīng)用現(xiàn)狀

    根據(jù)鋼鐵過(guò)程的對(duì)象類(lèi)別及處理方法要點(diǎn)確定功能分配的原則，并按照系統(tǒng)構(gòu)成所必須遵循的效用性、經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性、開(kāi)放性、實(shí)時(shí)性、人機(jī)性等方面具體目標(biāo)要求進(jìn)行綜合考慮。

    目前，鋼鐵生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化系統(tǒng)，基本按工藝流程不同特點(diǎn)（即過(guò)程結(jié)構(gòu)、過(guò)程特征、控制特點(diǎn)、功能要求、信息處理類(lèi)型）的差異決定相對(duì)成熟的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)類(lèi)型的選擇（如有下述四種類(lèi)型）。

    （1）層次型功能分散系統(tǒng)：若干計(jì)算機(jī)經(jīng)由通信網(wǎng)絡(luò)結(jié)合成層次型結(jié)構(gòu)，分擔(dān)功能、負(fù)荷。

    （2）網(wǎng)型功能分散系統(tǒng)：經(jīng)由通信線路或網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)若干計(jì)算機(jī)，分擔(dān)系統(tǒng)的功能、負(fù)荷。

    （3）網(wǎng)絡(luò)化自治分散系統(tǒng)：是作為模擬生理細(xì)胞的自治性以達(dá)到自治可控性與自治可協(xié)調(diào)性的經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)若干計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

    （4）WEB型三層雙重化系統(tǒng)：系統(tǒng)基本由邊界服務(wù)器、應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器的三層雙重化系統(tǒng)構(gòu)成。

    而對(duì)應(yīng)鋼鐵過(guò)程自動(dòng)化系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有如下選擇。

    ① 以上工序自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成的具體應(yīng)用類(lèi)型有:階層型功能分散系統(tǒng)和WEB型三層雙重化系統(tǒng)。

    ②軋鋼工序的自動(dòng)化系統(tǒng)構(gòu)成的具體應(yīng)用類(lèi)型有：階層型功能分散系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)型自治分散系統(tǒng)。

    ③處理線自動(dòng)化系統(tǒng)的具體應(yīng)用類(lèi)型有：階層型功能分散系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)型自治分系統(tǒng)以及WEB型三層雙重化系統(tǒng)。

2.5.2 發(fā)展動(dòng)向

    系統(tǒng)化技術(shù)在進(jìn)一步深化發(fā)展，它緊隨IT技術(shù)進(jìn)步及系統(tǒng)對(duì)象的迫切需求而變化，其中柔性、自治性、實(shí)時(shí)性、安全性為主要趨勢(shì)。

    目前，系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，正處于一個(gè)重大變革的時(shí)代。無(wú)論是網(wǎng)絡(luò)(工業(yè)以太網(wǎng)、現(xiàn)場(chǎng)總線)、控制器(PLC、DCS)、計(jì)算機(jī)（服務(wù)器）傳感器、執(zhí)行器、信息軟件/控制軟件等，其本身的內(nèi)在結(jié)構(gòu)與功能都在不斷的發(fā)展與變化，而它們之間的結(jié)構(gòu)如何整合更合理？更由于傳感器與執(zhí)行器智能化的發(fā)展?fàn)縿?dòng)了控制技術(shù)與系統(tǒng)技術(shù)之間的關(guān)系，因此，未來(lái)的變數(shù)很大。近期看，總的發(fā)展動(dòng)向表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

    （1）各種控制器、網(wǎng)絡(luò)向集成化、標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展

    控制器在強(qiáng)化平臺(tái)綜合集成的同時(shí)進(jìn)一步推進(jìn)開(kāi)放化、國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化以及工業(yè)以太網(wǎng)，進(jìn)一步與現(xiàn)場(chǎng)總線的融合，對(duì)系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展有很大影響。

    （2）自治分散的系統(tǒng)技術(shù)仍在延續(xù)和變異

    目前，鋼鐵企業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)的主流，仍然是自治分散型系統(tǒng)。即類(lèi)似生物體細(xì)胞自治性，即以自治可控性和自治協(xié)調(diào)性為目標(biāo)，經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)連接的多計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。

    （3）基于WEB技術(shù)應(yīng)用的系統(tǒng)技術(shù)正在發(fā)展

    由于IT技術(shù)的進(jìn)步和普及，現(xiàn)在因特網(wǎng)的使用者達(dá)到很高的比例。而支持構(gòu)成因特網(wǎng)系統(tǒng)的，則是稱之為WEB服務(wù)器及數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器(DB服器)的各種服務(wù)器群，構(gòu)成該硬件與軟件的技術(shù)統(tǒng)稱之為“WEB技術(shù)”。以降低系統(tǒng)的建設(shè)費(fèi)用為目標(biāo)，不僅采用通用化的PC服務(wù)器，而且使分擔(dān)功能的各層分別冗余化以提高可靠性。這樣，在成本降低的同時(shí)，使信息開(kāi)放化，軟件可實(shí)現(xiàn)再利用，功能的高獨(dú)立性。雙重化結(jié)構(gòu)也提高了系統(tǒng)可靠性。目前，在鋼鐵業(yè)的應(yīng)用正在不斷深化。

3 小結(jié)

    自動(dòng)化技術(shù)是“潛在的技術(shù)”。正是鋼鐵業(yè)的需求推動(dòng)了它的應(yīng)用，而它的發(fā)展又促進(jìn)鋼鐵業(yè)的技術(shù)進(jìn)步。表3歸結(jié)了自動(dòng)化技術(shù)在鋼鐵工業(yè)過(guò)程不同類(lèi)型的應(yīng)用狀況。

                        表3   不同過(guò)程的相關(guān)自動(dòng)化技術(shù)應(yīng)用特點(diǎn)比較