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任德祥 （1941-）
教授級高工，中國自動化學會常務理事、過程控制專業(yè)委員會副主任委員、儀表與裝置專業(yè)委員會常務理事。教育部流程工業(yè)綜合自動化重點實驗室學術委員會委員及工程專業(yè)教育論證專家委員會委員。先后在冶金部西南鋼鐵研究院、鞍鋼、寶鋼工作。長期從事IT自動化領域系統(tǒng)的研究、開發(fā)、設計與工程投運工作，歷任項目組長、自動化部副部長、自動化研究所所長及寶信軟件顧問專家等職；主持領導過寶鋼一期、二期國家重點工程的自動化系統(tǒng)的設計、調試、投運、功能考核、投運工作；以及寶鋼若干重大信息管理系統(tǒng)、自動化技術創(chuàng)新的研發(fā)項目的規(guī)劃、決策與領導工作。曾為”九五”國家863流程工業(yè)CIMS主題專家組成員。

1 引言

    進入21世紀以來，隨著經濟發(fā)展需求的變化以及激烈的市場競爭格局，我國正經歷從一個高速增長期到以科學發(fā)展觀統(tǒng)領鋼鐵工業(yè)發(fā)展的轉軌過程。轉變增長方式、結構優(yōu)化調整成為了行業(yè)中心，任務特別是在面臨世界金融危機的形勢下，加速淘汰落后生產能力，加快提升科技開發(fā)與創(chuàng)新能力，發(fā)展循環(huán)經濟，降低消耗，降低成本，生產適銷對路、市場急需的產品已成為發(fā)展的重要特征。正是基于這種特定變化的市場環(huán)境的壓力，以及發(fā)展的技術環(huán)境驅使，近年來，作為鋼鐵業(yè)發(fā)展重要技術支柱的自動化系統(tǒng)，也有許多變化與提高。在鋼鐵過程自動化系統(tǒng)的技術組成中，包含的內容很多，這里就檢測技術、控制技術、傳動技術、系統(tǒng)化技術等方面展開，它們是鋼鐵過程自動化系統(tǒng)的基礎和核心，從而也映射了系統(tǒng)總體的現(xiàn)狀與發(fā)展動向。

2 應用現(xiàn)狀與發(fā)展動向

2.1 檢測技術

2.1.1 應用現(xiàn)狀

    生產過程的檢測傳感技術的發(fā)展，源于生產過程質量、能耗、環(huán)境和安全等的需求推動，而應用的檢測技術也給鋼鐵生產過程的控制和產品質量提供了堅實的技術保障。毋用置疑，給予檢測技術推動的發(fā)展有很大影響的是市場對生產過程需求的變化。近年來，除了原來用于過程控制的檢測外，很明顯地加強了對產品（包括中間產品）的缺陷等質量的檢測、原材料的檢測、環(huán)境安全檢測，其中大部分以信息反饋的方式進入了自動化系統(tǒng)。鋼鐵生產過程中過程檢測技術在系統(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   鋼鐵生產的過程檢測技術作用與地位

    （1）過程控制檢測

    鋼鐵過程檢測有許多對象，其絕對量檢測有：溫度、位置、位移、速度、尺寸（長度、寬度、厚度）、形狀、重量、流量、濃度等，這些量的檢測雖然是“老生常談”，但隨著時代的技術，進步其內涵或精度、穩(wěn)定性都有很大變化和提高，并且對應于各工序單元有重點檢測內容，如表1所示。

    過程檢測以基本狀態(tài)量的檢測為基礎。它體現(xiàn)了系統(tǒng)對象的能觀性，也對應了系統(tǒng)的能控性。因此，檢測技術對控制系統(tǒng)有很強的制約，它直接關系到系統(tǒng)能夠實現(xiàn)的自動化水平。換句話說現(xiàn)代的鋼鐵產品制造水平與自動化系統(tǒng)的最基礎技術— 檢測技術的水平是密不可分的。系統(tǒng)對象的檢測，考慮了兩個部分，即被控對象及其環(huán)境。如：軋制過程在線連續(xù)測量軋件尺寸的能力和水準，決定了軋制可控程度和質量。熱軋過程測量是在相對高的振動和高溫、水流、氧化層粉層等干擾下實現(xiàn)的。鋼材軋制過程中紅外溫度掃描和成像，CCD鋼板寬度測量和板頭尾形狀測量技術的開發(fā)極大提高了軋制過程的自動化水平。而軋制過程熱軋板形控制和控軋控冷技術將溫度測量要求在惡劣的環(huán)境下擴展到多點、動態(tài)、高速和高精度水準。

                       表1   工序過程重點檢測對象一覽表

    （2）關于表面、內部缺陷檢測

    鋼鐵生產過程涉及到產品質量方面。從表面缺陷、甚至是表面微細缺陷的檢測到內部缺陷的檢測。如：鑄坯表面缺陷檢測識別、板材的平直度、凸度檢測，涂鍍產品覆層檢測到管、線、型材等產品表面缺陷的在線檢測和各種新型的高分辨率的表面缺陷檢測和針孔檢測，進而到以δ值測量儀為代表的鋼材內部質量檢測技術的應用過程，充分反映了對產品質量檢測要求的深化。

    （3）關于在線的原材料質量檢測

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

    （4）關于環(huán)境安全的檢測

    鋼鐵生產過程，嚴格控制有礙于環(huán)境安全的有害物質的泄漏與排放。避免造成不良甚至于嚴重后果。因此，關于環(huán)境安全的檢測是必須的。目前有:燒結過程粉塵排放量、成份檢測、高爐GAS回收量和成份檢測、焦爐GAS回收量和成份檢測、冶煉過程粉塵排放量和GAS成份檢測、加熱爐排放廢氣成份檢測、酸洗涂鍍等廢液排放檢測、水循環(huán)和排放的水質檢測等。

2.1.2 發(fā)展動向

    （1）從使產品質量穩(wěn)定化發(fā)展到使產品高質量化

    這是持續(xù)性開展的方向。伴隨IT技術的進展、傳感器的高性能化、數(shù)據處理的高速化，對應于檢測需求的高層次化，使以往不能達到的檢測水準現(xiàn)在則有可能達到。其中，引人注目的是廣泛應用圖象化處理方法。

    （2）從宏檢測到微檢測

    目前，傳感器的大部分是用所發(fā)現(xiàn)的有關要求指標的確切可代用指標作為目標值嵌入到微系統(tǒng)。而代用指標多數(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才有利于明確判斷。因此，使檢測手段的發(fā)展轉向取得微參數(shù)，旨在通過把握現(xiàn)象本質的應對，使產品更具有確實的質量與可靠性。

    （3）從點檢測到多維檢測

    事物具有全息性。但目前有關質量的認識，往往是感性的東西很多。而如內部組成之類的現(xiàn)象自身，往往是復雜的，存在好多無法用單一的物理量表現(xiàn)的情況。即如光、超聲波、電磁。那樣檢測手段一般也限定感度和性能所能夠達到的范圍。因而，補充它們測定的界限則是物理的、數(shù)理的模型和積累的經驗和知識，就是說，要力求從多個視角來補充或綜合，這樣會對質量的認識更全面、更深入，如能自如地應用圖象信息處理等手段則必然會促進它們的應用：如聲波CT技術應用于高爐內的溫度分布檢測以及通過感知數(shù)據的重構實現(xiàn)爐況可視化，通過多點檢測進行的復雜形狀的熱區(qū)在線檢測等。

    （4）傳感檢測網絡化

    迄今為止的質量管理僅限于生產線或工廠之中，而通過傳感檢測網絡化能實現(xiàn)對用戶使用中的產品實施質量管理，進行劣化檢測等事項逐步成為可能。無論使用者還是生產者，這些信息都能得到應用反饋。另外，資源重用化時，利用持續(xù)把握的使用數(shù)據，使進行高可靠性的再利用、再循環(huán)也成為可能。傳感檢測網絡使檢測手段能得到及時推廣，并使得到的信息普及知識庫化達到靈活應用。

2.2 控制技術

2.2.1 應用現(xiàn)狀

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

    根據不同工藝過程的不同用途有不同類型的選擇。以建模的信息類型分，則有：實體驅動型模型及數(shù)據驅動型模型及混合型模型三類。而以軟測量、預測控制、智能控制、多變量自適應、解耦控制等為代表的先進控制與智能控制技術和在解決鋼鐵過程的非線性、不穩(wěn)定方面得到了成功的應用。有關鋼鐵過程控制特性及分類示意圖，如圖2所示。以下，就按該分類的三大工序過程進行闡述。

    （1）前工序過程

    由于能控性受制于能觀性的原因，目前，高爐、轉爐的模型均多為操作指導模型，特別是高爐為大規(guī)模非線性系統(tǒng)，應用控制理論的建模工作極其困難。大致經歷了兩個階段：首先，通過從過程機收集的數(shù)據，借助于數(shù)學模型，計算出反映高爐爐況的指標，從而為高爐爐長提供高爐運行狀態(tài)指導高爐操作的Go-Stop系統(tǒng)；其次，綜合了專家的實踐經驗和有關理論研究，通過AI技術與信息處理來對爐況的現(xiàn)狀、未來趨勢作出預報、給出最佳操作方針以達到指導高爐爐長對高爐冶煉過程的控制。如今，已普遍采用專家系統(tǒng)進行高爐的生產支持系統(tǒng)和借助于經驗的智能型爐況診斷系統(tǒng)。煉鋼過程以轉爐吹煉為中心，通過吹煉模型的高級化，提高了鋼水溫度、成分命中率和縮短處理時間。

    （2）軋鋼工序過程

    線性近似的軋制壓力與軋機剛度靜態(tài)模型與近似電氣、液壓系統(tǒng)及張力發(fā)生機構動特性的動態(tài)模型的組合來描述。板厚及張力控制可通過應用最優(yōu)控制、魯棒控制等技術來實現(xiàn)。多變量控制技術應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用于冷軋板形的軋制力變化補償、軋輥溫度凸度補償及輥磨損補償?shù)那闆r。另外，模型預測控制也應用于熱軋薄板的蛇行控制，而基于混合系統(tǒng)（HBS）模型技術用來改善熱軋板的寬度控制等。

    （3）連續(xù)處理線工序

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

2.2.2 發(fā)展動向

    （1）以實現(xiàn)高質量、多品種、短交貨期、穩(wěn)定化生產為目標需求的控制技術開發(fā)仍是主線。

    主要特點為：

    ① 通過控制與操作經驗（KNOW HOW）結合來克服過程非線性問題。

    為克服非線性，考慮與操作經驗訣竅的結合問題。即以控制理論為核心的控制技術不僅通過調整系統(tǒng)的動態(tài)特性取得提高質量和收得率的實效，而且還把操作技能（訣竅）納入技術體系，這給新產品的量產化帶來了希望。與相關領域的合作，不僅要有系統(tǒng)控制技術與檢測領域的合作，而且要在計算機能力不斷提高的背景下，通過與智能技術、過程解析技術、材料科學等多領域的合作，來開創(chuàng)自動化的新局面。

    （2）以“在線最優(yōu)化”為核心的過程控制

    鑒于大量數(shù)據的在線實時處理已成為現(xiàn)實，鋼鐵業(yè)正著力研究基于大規(guī)模數(shù)據的高水準建模技術及控制技術來實現(xiàn)在線最優(yōu)化。由于IT技術的高速發(fā)展，不僅使原來高速響應困難的模型預測控制等最新控制理論在鋼鐵業(yè)的應用出現(xiàn)了轉機。經由網絡大規(guī)模采集的現(xiàn)場數(shù)據挖掘的知識發(fā)現(xiàn)，為結構優(yōu)化創(chuàng)造了條件。

    以過程穩(wěn)定、技術經濟指標為目標，對關鍵工藝參數(shù)在線連續(xù)檢測基礎上，綜合利用預測技術及在線仿真來進行多變量最優(yōu)化及實現(xiàn)工序間最優(yōu)化，而基于可視化技術與基于大量數(shù)據的信息趨勢引導技術支持穩(wěn)定化生產。

    （2）期盼突破高爐過程自動化的難點

    高爐是鋼鐵過程自動化的最難點，國內外正著力沿著從操作指導→半自動化→全自動的途徑緩緩前進。雖然爐頂裝入物控制及熱風爐燃燒控制等也能部分自動化，但把握高爐整體的生產控制關鍵是高爐整體過程模型及基于檢測高爐底部反應狀況及現(xiàn)象解析的傳感器與模型的開發(fā)。而通過智能控制與實用控制結合等手段，來實現(xiàn)廣義的鋼鐵生產過程的高性能閉環(huán)控制則也是可實施途徑。即基于用戶知識庫的閉環(huán)控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)配料、焦比、堿度、噴吹等目標的在線控制。它將進一步降低人為因素對高爐操作的負面影響，使高爐運行更加科學合理。

    （3）節(jié)能降排對控制技術的需求

    高爐進行高效率生產（包含環(huán)境對策）、余壓發(fā)電控制技術的開發(fā)；轉爐進行面向節(jié)能、再循環(huán)的控制技術開發(fā)。通過吹煉模型的高級化削減合金鐵、副原料成本，減少渣量；通過轉爐爐壓的適正化，提高工廠內再循環(huán)轉爐CO煤氣的回收量。諸如：根據外擾推定觀察器的應用來降低爐壓變動量，或從生產數(shù)據分析建立最佳爐壓設定值模式方法等。

    （4）軋鋼控制重心轉移向材質性能控制

    軋鋼控制重心，從以往的外部尺寸規(guī)格控制逐漸轉移到關心生產好材質的控制系統(tǒng)來。當然，關于尺寸規(guī)格控制也會要求愈來愈嚴，仍需要持續(xù)性不斷改善。另一方面，更要關注材質的生產問題。試用基于模型的最優(yōu)化和數(shù)據庫等直接控制材料的耐力與強度等機械特性。例如：包括在線冶金模型、與基于材質性能預測的鋼板材質控制系統(tǒng)等，而以熱軋帶鋼力學性能預報模型及其在線應用技術廣受關注。它不僅對有效余材充當滿足客戶需求，縮短交貨期，降低庫存、加快資金周轉有積極意義，而且為更靈活地組織生產提供了嶄新的手段，被認為是實現(xiàn)動態(tài)生產控制的關鍵技術之一。

2.3 傳動技術

    作為執(zhí)行機構的傳動系統(tǒng)在鋼鐵過程自動化中具有重要的意義。其功能直接作用于被控對象。它是控制行為的最終執(zhí)行者。同時，也是系統(tǒng)效用性的關鍵歸結者之一。鋼鐵自動化系統(tǒng)的執(zhí)行情況機構有許多種，諸如：調節(jié)閥及其驅動、液壓伺服系統(tǒng)、電氣傳動系統(tǒng)。其中電氣傳動系統(tǒng)占有最突出的地位。

2.3.1 應用現(xiàn)狀

    由于以電力電子器件為基礎的電氣傳動技術的進步，使AC傳動系統(tǒng)控制的精度、響應性、可維護性等方面的處于軋機主傳動的絕對優(yōu)勢。傳動技術的進步，包括電力電子技術、交流變頻技術、矢量控制技術等涉及執(zhí)行機構的系列化進步和發(fā)展，以及作為執(zhí)行機構的電氣傳動系統(tǒng)與控制器、傳感器的有效緊密配合，極大地提高了軋制過程的快速響應性和控制精度。嚴格地說，作為一個執(zhí)行機構整體來考慮的傳動系統(tǒng)，實際上包括有：軋機的軋輥傳動機構和軋機電機以及供給電能并實現(xiàn)轉換的控制裝置。如：軋機主傳動的機械結構采用雙電機傳動形式，還是單電機傳動形式等會對某些性能有影響。又如：盡管軋機電機單體能具備高速響應的性能，但在與軋輥及傳動軸組成系統(tǒng)后，由于傳動軸的扭擰，會產生由裝置動力學結構與軋鋼過程本身的相互作用而出現(xiàn)的自激振動，從而使其響應速度只能達到電機單體性能的幾分之一。然而，若進行了軸振減弱控制，則能達到與電機單體性能相近的效果?？梢娮鳛閳?zhí)行機構的傳動系統(tǒng)在作為系統(tǒng)行為的最終行為的執(zhí)行者，要考慮的技術細節(jié)是很多的。例如軋鋼設備對傳動設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。

    √代表重要性能項目

    而AC傳動技術的應用，涉及功率開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、速度控制精度、轉矩平滑程度等性能指標方面，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、運行效率約束、維護的約束。

    在鋼鐵生產中占重要地位的熱軋機、冷軋機的主傳動均采用AC傳動技術大大提高了執(zhí)行機構的響應性和控制精度。

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

2.3.2 發(fā)展動向

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

    （1）高性能、多功能化

    如提高速度和轉矩的控制響應，速度傳感的省略，控制參數(shù)的自動調整等。

    （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)運行的可能的冗余系統(tǒng)。

                       圖2   電力電子器件及驅動系統(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。以及進一步將功率控制等電力電子裝置與電機整合一起。

    （4）低噪聲化

2.5 系統(tǒng)化技術

    如何選擇系統(tǒng)構成要素：計算機、控制器、網絡、傳感器、執(zhí)行器、信息軟件/控制軟件、人機界面等，集成構建成自動化系統(tǒng)才能達到所期望的目標要求？這就是系統(tǒng)化技術面臨的任務。

    系統(tǒng)的組成涉及：要素、連接、結構、功能、環(huán)境。其中，由于構成要素的產品多樣性，以及組成的系統(tǒng)結構形態(tài)的多樣性，也帶來功能分擔的合理性、多樣性。既要把握資源的有效利用率，還要考慮H/W、S/W更新會帶來的問題?！凹伞彪m提高了系統(tǒng)構建的靈活性、效率性，但如何確保系統(tǒng)構成要素配置的優(yōu)化和功能/性能的兼顧性以及使系統(tǒng)總體的性能/價格比的相對最優(yōu)？這也是系統(tǒng)化技術所要解決的問題。

2.5.1 應用現(xiàn)狀

    根據鋼鐵過程的對象類別及處理方法要點確定功能分配的原則，并按照系統(tǒng)構成所必須遵循的效用性、經濟性、安全性、可靠性、開放性、實時性、人機性等方面具體目標要求進行綜合考慮。

    目前，鋼鐵生產過程的自動化系統(tǒng)，基本按工藝流程不同特點（即過程結構、過程特征、控制特點、功能要求、信息處理類型）的差異決定相對成熟的系統(tǒng)結構類型的選擇（如有下述四種類型）。

    （1）層次型功能分散系統(tǒng)：若干計算機經由通信網絡結合成層次型結構，分擔功能、負荷。

    （2）網型功能分散系統(tǒng)：經由通信線路或網絡協(xié)調若干計算機，分擔系統(tǒng)的功能、負荷。

    （3）網絡化自治分散系統(tǒng)：是作為模擬生理細胞的自治性以達到自治可控性與自治可協(xié)調性的經由網絡若干計算機系統(tǒng)。

    （4）WEB型三層雙重化系統(tǒng)：系統(tǒng)基本由邊界服務器、應用服務器、數(shù)據服務器的三層雙重化系統(tǒng)構成。

    而對應鋼鐵過程自動化系統(tǒng)的系統(tǒng)結構有如下選擇。

    ① 以上工序自動化系統(tǒng)構成的具體應用類型有:階層型功能分散系統(tǒng)和WEB型三層雙重化系統(tǒng)。

    ②軋鋼工序的自動化系統(tǒng)構成的具體應用類型有：階層型功能分散系統(tǒng)和網絡型自治分散系統(tǒng)。

    ③處理線自動化系統(tǒng)的具體應用類型有：階層型功能分散系統(tǒng)；網絡型自治分系統(tǒng)以及WEB型三層雙重化系統(tǒng)。

2.5.2 發(fā)展動向

    系統(tǒng)化技術在進一步深化發(fā)展，它緊隨IT技術進步及系統(tǒng)對象的迫切需求而變化，其中柔性、自治性、實時性、安全性為主要趨勢。

    目前，系統(tǒng)技術的發(fā)展，正處于一個重大變革的時代。無論是網絡(工業(yè)以太網、現(xiàn)場總線)、控制器(PLC、DCS)、計算機（服務器）傳感器、執(zhí)行器、信息軟件/控制軟件等，其本身的內在結構與功能都在不斷的發(fā)展與變化，而它們之間的結構如何整合更合理？更由于傳感器與執(zhí)行器智能化的發(fā)展牽動了控制技術與系統(tǒng)技術之間的關系，因此，未來的變數(shù)很大。近期看，總的發(fā)展動向表現(xiàn)在以下幾個方面。

    （1）各種控制器、網絡向集成化、標準化的方向發(fā)展

    控制器在強化平臺綜合集成的同時進一步推進開放化、國際標準化以及工業(yè)以太網，進一步與現(xiàn)場總線的融合，對系統(tǒng)技術的發(fā)展有很大影響。

    （2）自治分散的系統(tǒng)技術仍在延續(xù)和變異

    目前，鋼鐵企業(yè)自動化系統(tǒng)的主流，仍然是自治分散型系統(tǒng)。即類似生物體細胞自治性，即以自治可控性和自治協(xié)調性為目標，經由網絡連接的多計算機系統(tǒng)。

    （3）基于WEB技術應用的系統(tǒng)技術正在發(fā)展

    由于IT技術的進步和普及，現(xiàn)在因特網的使用者達到很高的比例。而支持構成因特網系統(tǒng)的，則是稱之為WEB服務器及數(shù)據庫服務器(DB服器)的各種服務器群，構成該硬件與軟件的技術統(tǒng)稱之為“WEB技術”。以降低系統(tǒng)的建設費用為目標，不僅采用通用化的PC服務器，而且使分擔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，使信息開放化，軟件可實現(xiàn)再利用，功能的高獨立性。雙重化結構也提高了系統(tǒng)可靠性。目前，在鋼鐵業(yè)的應用正在不斷深化。

3 小結

    自動化技術是“潛在的技術”。正是鋼鐵業(yè)的需求推動了它的應用，而它的發(fā)展又促進鋼鐵業(yè)的技術進步。表3歸結了自動化技術在鋼鐵工業(yè)過程不同類型的應用狀況。

                        表3   不同過程的相關自動化技術應用特點比較