工业过程自动化技术的发展

工业过程自动化技术的发展

桂卫华

中南大学信息科学与工程学院

一.概述

1.什么叫工业过程自动化技术

综合运用控制理论、电子装备、仪器仪表、计算机和其他信息技术，对工业生产过程实现检测、控制、优化、调度、管理和决策，达到增加产量，提高质量、降低消耗、确保安全等目的，这样的一种综合性技术称之为工业工程自动化技术。它包括：工业过程自动化软件、硬件及系统三大部分。

工业生产过程指的是发电、冶金、炼油、石化、化工、化肥、生化、建材、造纸、制药、橡胶、环保、选矿、采矿等领域的生产加工过程，它是工业过程自动化的服务对象，可以是一个设备、一个装置、一个工段、一个生产线，也可以是一个工厂，一个联合企业。工业过程自动化技术是一门服务性技术是一门服务性技术，它的服务对象是工业过程。工业过

程自动化中的变送器和执行器相当于人的“眼睛”和“手脚”，工业过程自动化中的主控系统相当于人的“大脑”。离开了眼睛、手脚和大脑，一个人无法行动和思考；离开了变送器、执行器和主控系统，一个生产过程无法正常运行。因此，工业生产离不开工业过程自动化技术。

2.工业过程自动化与传统产业的关系

①自动化技术的发展都离不开社会环境和历史背景.科学,特别是技术科学的发展,常常是以技术的发展为先导.自动控制理论属于技术科学的范畴，它的发展主要受社会需求的的推动和技术进步的刺激，当然也受物理学、生物学等和作为工具的计算机的促进。

维纳时代及前期的自动控制理论（经典控制理论）

Nyquist（1932年）稳定性分析

Bode（1940年）Bode图

Evans（1948年）根轨迹法

Wiener（1948年）《控制论》一书标志着一门独“控制理论”的诞生.

经典控制理论的形成

推动:受当时重大技术（通讯技术和火炮技术等）的深刻影响。物理学：牛顿力学中的“质点和姿态动力学”数学：线形常系数微分方程、单复变函数、概率、统计.工具：模拟电路和模拟计算机.

50年代到60年代的自动控制理论（现代控制理论）

Bellman（50年代）最优性原理———《动态规则》（1954年）

Poutrygin等人（50年代末）提出“最大值原理”（最优控制问题的基本原理）

Kalman（60年代）状态空间方法：能控性，能观测性。

现代控制理论的形成推动：远程火箭技术与航天技术、现代航海技术的直接影响.

物理学（化学）：力学、电动力学、化学反应机理.数学:线性代数（几何方法）和矩阵论；线性常微分方程组理论；实、复变函数论变分法；泛函分析；概率、统计.工具：电子计算机技术促进.

60年代以来.特别是80年代以来，自动控制理论有了新的发展推动：微电子技术、计算机技术、通讯和网络技术、机器人技术.经济、技术全球化进程的加快.向控制理论提提出了新的课课题.*含有各各种不确定性性系统的建模模、分析综和和、控制和优优化设计.*具有有层次性特征征系统的建模模、分析综合合、控制和优优化设计.*难于于用传统方法法建模系统的的分析和控制制问题.方法:智智能方法②工业过程程自动化与传传统产业的关关系利用电子技术术改造传统产产业是近二十十年来中国经经济发展的重重要成果，大大大促进了企企业竞争实力力和综合国力力的增强。而而在电子技术术改造传统行行业中，工业业自动化技术术又是其中的的重要组成部部分。对传统统的过程工业业而言，利用用先进的自动动化硬件及软软件组成工业过程程自动化系统统，大大提高高了生产过程程的安全性、、可靠性、稳稳定性。提高高了产品产量量和质量、提提高了劳动生生产率，企业业的综合经济济效益。美国科学院曾曾对位于前列列的五家实施施综合自动化化的企业进行行全面的调查查，结果表明明：产品质量量提高2—5倍，生产效效率提高40—70%；；设备利用率率提高2—3倍，生产周周期缩短30—60%，，库存减少30%到60%，人工费费减少5—20%。*工业过程自动动化技术是从从传统产业中中产生出来的的技术，是传传统产业发展展的需求所在在。20实际40年代是自动动化技术和理理论形成的关关键时期。工业过程自动动化首先来自自于传统机械械制造业生产产方式的变更更，即从汽车车流水线开始始的。1946年美美国福特汽车车公司副经理理D.S哈特首先提出出用“自动化化”一词来描描述这种流水水线。1947年4月，福特汽汽车公司建立立了自动化研研究部门，称作自自动化工程司司的专家到这这个部门工作作1948年年，《美国机机械师》杂志志，把自动化化技术义为““用机械装置置去操纵工件件的进出，在在各项操作之之间转送零件件，消除废料料，使生产设设备按照一定定的时序去完完成这些任务务，使流水线线能部分或全全部地处在集集中控制站的的按键控制之之下的一种技技术。自动化一出现现就显示出强强大的生命力力。应用这种种流水线，建立立起单一品种种大规模生产产方式，大大大提高了劳动生生产率。不到到3年的时间间，使汽车成成本下降了近近3倍，只用用了8年的时时间就使汽车车销售价格下下跌到原来的的9%使汽车车走进了普通通家庭。汽车工业的发发展，带动了了冶金、化工工、石油等工工业，促进了了连续生产过过程自动化的的发展。传统产业的发发展推动了工工业过程自动动化技术的进进步70年代以来来，由于世界界范围内出现现的能源危机机和市场剧烈烈竞争，工业业生产规模更更趋庞大。如如：每个电站站的装机容量量已经从20万、60、、100万KW石化工业中年年产30万吨吨以上的乙烯烯、合成氨等等工厂大批建建成。设备的的更新换代，，市场竞争，，要进一步提提高产量，降低成本本，节约原材材料和减少能能源。要求自自动化技术能能充分发挥设设备的生产能能力，最终达达到优质高产产低耗的控制制目标。另一方面，面面对的工业过过程越来越复复杂，如反应应过程、生化化过程等等，，本身机理就就十分复杂，，一些还没有有完全被人们们充分认识。。而这类过程程往往还受到到众多随机因因素的干扰和和影响，具有有高度的不稳稳定性、高度度的非线形、、高度的关联联性、特大的的滞后性和状态不完全全性，难以建建立精确的数数学模型。出出现了克服和和解决这些问问题的先进控控制方法和先先进控制策略略。人工智能能、控制理论论、运筹学等等智能控制应应用于化工、、炼油、造纸、发电、冶冶金等各种工工业过程之中中，极大的推推动了自动化化技术的发展展。目前，生产过过程自动化的的程度已成为为衡量工业企企业现代化水水平的重要标标志。二工业过过程自动化技技术国内外现现状分析、及及发展趋势工业过程自动动化技术及产产品主要包括括各种工业控控制软件、硬硬件及系统，，其中主要包包括各种工业业控制软件、、硬件及系统统，其中主要要关键技术有有：*新新一代主控控系统（包括括集散控制系系统、可编程程控制器、仪仪表、器件、、网络、传感感器等）*现现场总线技术术（包括HART总线、FF、Canbus、Lonworks、Profibus等）*实实时监控软件件平台（信息息集成软件平平台）*先先进控制技术术（多变量约约束控制、广广义预测控制制、多变量鲁鲁棒控制、自自适应解耦控控制等）*过过程优化技术术（冶金、炼炼油、化工、、化肥造纸等等领域的一批批在线优化技技术）*变变送器及执行行器技术（以以现场总线技技术为基础的的智能变送器器及执行器*特特种检测技术术（钢铁、炼炼化、轻化、、冶金等领域域的各种特种种变量的检测测技术）*专专用优化软件件及专用控制制装置（包括括冶金、炼油油、石化、化化工、化肥、、生化、制药药、建材、造造纸、环保等等工业领域关关键设备的专专用优化软件件和专用控制制装置）涉及上述领域域和控制系统统产品国内需需要达500亿元以上。。主要是欧美美日等国的大大企业在国内内市场瓜分市市场份额。如如：Honeywell，ABB、西门子、横河河电机、西屋屋电气、富士士电机、贝利利等。以下从工业控控制软件、工工业控制硬件件和控制系统统三个方面分分析国内外现现况和发展趋趋势。2.1工工业过程程自动化软件件2.1.1实实时监控控软件平台近年来，随着着电子技术、、计算机技术术、网络通讯讯技术和自动动化技术的迅迅猛发展，传传统的过程控控制系统已经经逐渐演变为为数字化、智智能化、开放放化和新型控控制系统，并并且越来越多多的应用于工工业企业。使使得从单个设设备、单个车车间的自动化化发展为整个个工厂、整个个企业的自动动化已成为可可能。已信息息集成为基础础，的工厂综合自自动化、智能能工厂等大型型企业应用软软件等大型企企业应用软件件，对提高企企业的生产效效益，产品质质量和竞争力力有着重要作作用。在这些以企业业经营管理和和企业生产管管理的紧密集集成为目标的的大型企业应应用软件中，，对生产过程程的集成、监监控、管理是是整个应用软软件体系的基基础和平台。。因此，一种种能够网络化化集成监控所所有自动化设设备的新型实实时监控软件件平台是开发发的方向。这这种新型的实实时监控软件件平台能够实实现工业企业业的以下需求求。*集成成监控管理现现存的和即将将应用的自动动化控制设备备，逐步消除除工厂内各不不相同的专用用技术、网络络、协议所产产生的不良效效果；*降低低自动化系统统的总体投资资成本，并最最大程度上保保护在现在动动化系统上的的投资；*满足足工厂实时生生产过程信息息进入企业内内所有的计算算机平台，满满足企业对生生产更深入、、更及时地管管理；*提供供开放、标准准的方式或方方法，使得先先进控制软件件（APC）、生产调度软件件能够方便的的开发；*统一一自动化控制制系统的基础础设施网络，，为将自动化化系统最终融融入信息管理理系统提供条条件和可能；；*充分分利用网络通通讯技术、Internet\Intranet技术，使得生生产管理人员员和现场操作作人员能够在在任何地方对对机器、生产产过程乃至工工厂生产管理理进行远程监监控；现在，国外商商品化的实时时监控软件正正在朝这个方向发展，典典型的产品有有美国Intellution公司Dynamics软件、Wonderware公司的InTouch软件、以色列PCSoft国际公司的Wizcon软件、澳大利利亚Citect公司Citect软件、法国ARC公司PCVUE32软件等，这些些软件大都已已经或多或少少地进入中国国市场。另一方面，面面临即将到来来的21世纪纪，我国企业业的经营管理理人员在面临临市场全球化化机遇的同时时正面临着更更大的挑战，，高效率、高高质量、低消消耗、弹性生生产的全球市市场需求正在在给我国企业业生产经营管管理人员带来来巨大的压力力。随着企业业规模的扩大大和管理水平平的提高，企企业越来越迫迫切需要具有有大型分布式式数据库的综综合集成软件件平台。企业经营管理理人员和技术术研究人员一一般都认为保证全厂生产产过程的平稳稳控制、协调调生产是是提提高企业竞争争力的主要途途径。因此，，企业经营管管理人员习惯惯采用企业资资源计划管理理系统（ERP—EnterpriseResourcePlanning）或企业供应链链管理系统（SupplyChainManagement）来管理生产过过程原料及其其他资源的供供给计划。但但是，这些计计划管理系统统仍然缺少对对全厂生产过过程的控制、、调度和集成成能力。而在过程控制制中，由于各各种数字化自自动控制系统的广泛应用用，我们已经经可以获得大大量有关生产产过程运行的的“海量数据据”。但是，，这些数据只只是各个生产产过程的一些些细节，片面面的信息，并并不能从全厂厂的角度反映映产品质量、、生产计划执执行情况、能能源消耗情况况。这种存在在于企业经营营管理系统和和自动控制系系统之间的信信息鸿沟上所所有企业在实实施企业资源源计划管理系系统（ERP）或企业供应链链管理系统时时所遇到的实实际问题。针对这种实际际情况，国外外软件开发商商已经成功开开发成功商商品化的软件件平台，专门门用于经营决决策管理和实实时过程控制制的信息交换换和紧密集成成。典型产品品有美国OSI公司的PI软件、CAMSTARSYSTEM公司InSite软件、RealtimeInfo公司的InfoLink软件等。2.1.2先先进控控制软件现代工业的一一个重要特征征是向大型化化和自动化发发展。在现在在的大工业生生产过程中，，人们对生产产过程的安全全、高效、优优质、低耗的的要求不断提提高，追求更更大的经济效效益，因而对对控制的要求求也越来越高高。但是在复复杂的工业过过程中经常遇遇到的诸如多多种约束条件件、多变量和和强耦合问题题、非线性、、大时滞、难难建立精确的的模型、不确确定性严重、、多控制目标标等问题给控制带来来了很大的困困难、以上这这些问题使用用常规的控制制技术已不能能满足其要求求，而必须采采用先进的控控制技术来解解决。采用先先进的控制，，可以处理各各种约束，可以把各种种要求以性能能指标的形式式结合到控制制中加以考虑虑，以提高控控制的动态质质量。动态控控制的质量高高，上层优化化级就可以将将工作点设置置到临界约束束边界，从而而进行卡边生生产，在保证证安全性的同同时使经济效效益大大提高高。理论和实实践都证明，，只只要设计合理理，先进控制制完全可以取取得优于常规规控制的实际际效果。从目目前先进控制制技术应用的的情况来看，，在今后的几几年内，预测测控制、模糊糊控制、鲁棒棒控制、智能能控制、自适适应控制、软软测量等将会会成为先进控控制技术软件件发展的主流流，将对我国国冶金、炼油油、化工、造造纸、制药、、石油等行业业的技术改造造、技术进步步起到积极的的推动作用。。国外从70年代末80年代初就开开始先进的控控制技术的商商品化产品开开发及国外从70年年代末80年年代初就开始始先进的控制制技术的商品品化软件开发发及应用，在在DCS的基础上实现现优化控制和和先进的过程程控制。在控控制算法上，，将控制理论论研究的新成成果，如多变变量约束控制制、各种预测测控制、推断断控制和估计计、人工神经经元网络控制制和软测量技技术等应用于于工业生产过过程并取得明明显的经济效效益和社会效效益。目前国外，特特别是美国、、加拿大、欧欧洲等国已有有Setpoint，DMC，HoneywellProfimatics、Adersa，，ASPENTech，TreiberControls等多家从事先先进控制和优优化的软件公公司开发出适适合于实时控控制与优化的的多变量先进进控制和实时时在线优化的的商品化的工工程软件产品品，大量推向向市场，在上上千家大型石石化、化工、、炼油、冶金金等企业获得得成功应用，，取得巨额利利润。据有关资料统统计，国外比比较著名的先先进控制软件件包已有2233套获得得应用，目前前正在抢占我我们的国内内市场，详细的情况如如表2。1所所示。2.1.3过程程优化软件过程优化是工工业过程自动动化的核心技技术之一，它它通过生产装装置的安全平平稳运行和优优化操作使生生产计划高效效地实施。为为了这一目标标，首先需获获取正确反映映生产装置状状态的原始生生产数据，利利用数据校正正技术，分析析、综合出产产品质量、装装配能力及状状况、能源消消耗、故障报报警信息，实实现质量监控控、故障诊断断，和安全管理，，同时，利用用流程模拟模模型和装置状状况，进行生生产作业计划划和优化调度度，以最少的的能耗、最高高的安全性或或最大的产品品效益，确定定各个生产装装置的负荷并并通过静态实实时优化向先先进控制层提提供最优操作作条件。过程程优化层主要要由七大软件件产品组成：数据校正质量监控故障障诊断安全管理生产调度优化化流程模拟静态实时优化化生产信息综合合集中平台过程优化软件件是实现工业业企业节能、、降耗、安全全生产、环境境保护和增加加效益的重要要工具。国内内外产业界对对此非常重视视，国外80年代起已逐逐步出现流程程模拟、生产产计划调度优优化、数据校校正、统计质质量控制和静静态优化商品品化软件，90年代以来来，各类商品品化软件的功功能日趋完善善，在不同计计算机硬件、、网络及数据据库平台上的的通用性进一一步加强，针针对特定工业业过程优化软件件的工程服务务受到广泛的的重视，工程程服务水平和和用户的参与与程度已成为为软件应用成成败的重要因因素。90年年代后期，国国外的软件厂厂商除了不断断扩展各应用用软件的功能能，还十分重重视各应用软软件的综合集集成和相互组组合，既有大大公司（如Aspentech）力图提供过程程优化层全面面软件产品，，也有多家软软件企业提供供富有特色的的专业优化软软件。今后的的发展趋势是进一步提提供优化软件件的工程适用用性，提供Internet远程维护，为为综合集成商商提供即插即即用式应用用软件和面向向目标的图形形化软件组态态界面。但是是各种优化软软件在功能上上都因若干技技术上的难点点而不够完善善，市场需要要功能更优的的优化软件出出现。2.2工业过程自动动化硬件2.2.1发展趋势工业过程自动动化硬件即工工业自动化仪仪表与装置是是一个对高技技术特别敏感感的行业，近近十年来，计计算机技术、、微电子技术术、通讯技术术与自动化控控制技术相结结合，使得在在技术上达到到新的高度。。其主要特征征是，产品实实现数字化、、智能化、网网络化，并在在性能上向高高精度、高可可靠性、高环环境适应性方方向发展。由由于上述的发展趋趋势，产生了了四个方面的的明显变化。以现场总线为为基础的智能能化现场仪表表将不断涌现现，并逐渐成成为主流产品品，这类仪表表以具有多功功能、智能化化、可组态、、自诊断、可可互操作、可可双向通信为为特点。目前前影响比较大大的现场总线线通信规约有有：FF（FoundationFieldbus，基金会现场总总线）、Profibus、Lonworks以及基于CAN的现场总线系系列。启用新型智能能模块，如专专家系统、模模糊控制、预预测控制、神神经元控制，，从而使控制制系统得以充充分地发挥其其能力和潜质质。自动化仪表与与装置在其自自身智能化的的基础上，通通过现场总线线、Internet或Intranet等通信网络与与计算机管理理系统相沟通通，构成控制制与管理一体体化的IPS（计算机集成过过程系统，ComputerIntegratedProcessSystem）系统。因此,今后为为形成该类系系统的各种网网关、网桥，，以及各种大大型商品化的的监视、优化化调度、管理理软件亦将不不断涌现。在发展通用、、普及、标准准产品的同时时，将十分注注意“专用控控制装置”（（如：工业锅锅炉、药业反反应器等）和和“特种检测测仪表”（如如黏度、浊度度等）的开发发和应用。软软测量技术在在需要特殊检检测的场合，也是常被被采用的技术术之一。代表表技术发展趋趋势的典型型产品是基于于现场总线的的FCS（现场总线控制制系统，FieldbusControlSystem)和智能现场仪仪表。见表2。2。。2.2.2国国内外现现状国内的工业自自动化仪表及及装置虽然得得到了较大的的发展，但是是形势不容乐乐观。各方面面都面临强大大的压力，产产品的技术水水平亟待加快快。对于主控系统统我国自行开发发的分散型控控制控制系统统（DCS）具有八十年代代末的水平，，浙大中控的的SUPCONJx，和利时的HS2000，上海自动化仪仪表研究所的的叮K-2900等均已能供应应市场。据1995年底底资料统计，，国内各工业业部门应用DCS共计1387套，其中进进口1336套，占96%，近两年，国国内供应的套套数明显增加加，但比例变动不大。。我国生产的的以PC为基础的开放放型控制装置置和PLC在中、小型系系统中已广泛泛应用，并呈呈上升趋势。。引进的DCS具有八十年代代中后期水平平，国产化率率达35%以以上，但批量量不大，没有有规范经济效效应。对于变送器变送器类产品品通过引进，，提高了灵敏敏度和可靠性性具有八十年年代中期水平平的智能式变变送器和具有有九十年代中中期水平的带带HART通信接口的智智能式变送器器已开始试产产、试用。但但是，对于冶冶金、炼油、、化工、石化化、生化、造造纸和环保等等工业领域急急需的特种变变送器十分缺缺乏。对于执行器执执行器类产品品发展较快，，一般产品达达到八十年代代中期水平。。但是，对于于大流量、强强腐蚀、高粘粘度、高压差差、超低温、、多相流等的的特种执行器器，目前的品品种太少，不不能满足生产产需求。对于其他仪表表国内生产的的常规仪表50%还是七七十年代至八八十年代水平平的以模拟技技术为基础的的仪表,如电动单元组组合仪表。此此外。自动系系统的仪表品品种满足率太太底，一般工工程项目为80%，大型型工程项目为为60%特殊殊工程项目不不到40%。。对于现场总线线在国内现场场总线技术引引起了自动化化行业的普遍遍重视，在国国家计委的支支持下，已开开始现场总线线技术的科技技攻关，并已已开发出大批批研究成果。。但到目前为止止，尚无一家家企业批量投投产现场总线线仪表，国内内的自动化仪仪表市场正在在被国外的现现场总线仪表表所主导，FF总线仪表在国国内工程应用用中尚不多见见，但HART总线仪表的应应用已越来越越多。国内进进行现场总总线仪表的开开发与生产，，还受到“一一致性”和““互操作性””的检验和认认证等关键性性问题，尚受受制于国外，，目前并找到到满意的解决决办法。国外的工业自自动化仪表及及装置，分析析一下现场总总线仪表就可可见一般。国国际上，现场场总线技术的的研究和开发发已取得重大大进展，出现现了各种基于于现场总线技技术的智能仪仪表和系统，，在实际工程程上得到越来来越多的应用用，现在国际际上有10多多种较有影响响的国家或企企业的现场总总线标准，在在断续过程控控制领域的推推广应用发展展迅速，但在在连续过程控控制领域中的的应用因为标准不统统一而受到阻阻力，因此，，国际标准化化组织（IEC）正在加大制订订国际标准的的力度，可望望在近期完完成FF标准的全部制制定工作，FF标准在国际上上已被近200家自动化化仪表企业接接受，并积极极推出符合合FF标准的产品。。HART标准作为一种种模拟量转换换到数字量量的过度标准准，事实上得得到了世界各各国的认可，，因此符合HART标准的产品在在今后十年内内将是一个发发展时期。2.3工工业过程程自动化系统统由工业过程自自动化软件和和硬件组成工工业控制系统统，应用于钢钢铁、炼油、、化工、石化化、化肥、造造纸、生化和和环保等工业业领域，形成成了各具特色色的系统结构构、控制策略略和设计方法法，特别是专专用控制装置置和专用优化化软件。下面面分钢铁、炼炼化、和轻化化等三个领域域进行分析。。2.3.1钢钢铁工业业钢铁工业自动动化的发展趋趋势大多数发发达国家的钢钢铁工业自动动化，基本上上达到了局部部综合自动化化的要求，其其功能包括控控制、优化、、调度、管理理和决策等。。范围广、功能能强的管理系系统实用化以以及时、高效效、服务周到到为目的的广广域化管理系系统逐渐实用用化，在不少少钢铁公司得得到应用。生产操作和运运行指挥系统统智能化以继继承专家操作作诀窍及有有效操作为目目的的人工智智能、模糊控控制、专家系系统和神经网网络技术在各各工序得到应应用。现代代控控制制理理论论提提供供高高质质量量在在连连铸铸结结晶晶器器、、带带钢钢连连扎扎机机等等关关键键设设备备采采用用预预测测控控制制、、多多变变量量最最优优控控制制、、自自适适应应解解耦耦取取得得重重大大效效益益。。监控控过过程程应应用用多多媒媒体体实实现现可可视视化化操操作作运运用用传传感感器器群群的的信信息息，，利利用用多多信信息息融融合合技技术术、、多多媒媒体体技技术术和和图图象象处处理理技技术术，，使使铸铸胚胚内内部部凝凝固固过过程程达达到到可可视视化化的的要要求求。。普遍遍建建立立故故障障诊诊断断设设备备维维护护专专家家系系统统以以提提高高作作业业率率和和维维护护费费用用，，发发展展大大规规模模设设备备诊诊断断、、过过程程诊诊断断、、远远程程诊诊断断、、状状态态诊诊断断、、优优化化维维护护等等技技术术，，在在钢钢铁铁企企业业已已取取得得重重大大经经济济效效益益。。生产产系系统统和和管管理理系系统统实实现现网网络络化化从从现现场场总总线线到到车车间间网网、、工工厂厂网网、、企企业业网网，，在在钢钢铁铁企企业业系系统统网网络络化化已已成成为为不不可可逆逆转转的的趋趋势势，，为为建建立立综综合合自自动动化化提提供供了了灵灵活活性性。特种种检检测测技技术术和和执执行行器器得得到到快快速速发发展展采采用用新新技技术术（（如如激激光光、、超超声声等等））、、新新理理论论（（如如神神经经网网络络、、模模式式识识别别等等））、、新新器器件件（（如如CCD）），，使得得过过去去无无法法直直接接检检测测关关键键参参数数成成为为可可能能。。钢铁铁工工业业自自动动化化的的国国内内现现状状一批批引引进进工工程程和和自自建建项项目目奠奠定定了了我我国国钢钢铁铁工工业业自自动动化化的的基基础础一一批批引引进进工工程程提提高高了了我我国国钢钢铁铁工工业业水水平平，，并并丰丰富富了了自自动动化化技技术术来来源源和和获获得得移移植植消消化化的的榜榜样样：：多多车车间间成成套套自自动动化化工工程程（（如如宝宝钢钢一一、、二二期期工工程程、、天天津津钢钢管管公公司司工工程程等等）），，这这些些当当代代国国际际先先进进水水平平的的成成套套自自动动化化系系统统大大大大提提高高我我国国工工业业自自动动化化水水平平。。我国国自自行行建建设设的的基基础础或或技技术术改改造造项项目目均均把把自自动动化化作作为为重重要要环环节节。。如如高高炉炉占占总总容容的的25%的的大大型型高高炉炉都都采采用用了了较较为为完完善善的的自自动动化化系系统统，，中中小小型型高高炉炉43%不同程度度的实现现了自动动化。这这些工程程的投产产使我国国钢铁工工业自动动化按钢钢铁生产产设备能能力计算算，“七七五”末末实现了了设备控控制级自自动化约约占16.4%。全国装有有过程计计算机的的机组，，大型高高炉的生生产能力力占炼铁铁总能力力比重，，由“七七五”末末的6.9%提高到““八五””末的19%，炼钢则则由16.35%提高到37%，轧钢则则由17%提高到20%。自行开发发的检测测仪表、、控制系系统和数数学模型型发展了了我国钢钢铁工业业自动化化在检测测仪表方方面有高高炉单支支管煤粉粉两相流流量计、、铁水温温度和硅硅含量连连续检测测仪、炉炉内料面面温度热热成象仪仪、微波波料面形形状计、、炼钢连连铸的新新渣仪、、装炉的的声学化化渣测量量仪、结结晶器开开口度及及倒锥度度测量仪仪、钢水水测温钨钨株热电电偶、连铸辊间间距测量量仪、板板带扎机机的激光光测量仪仪和板型型仪等均均已投产产使用。。据统计计自70年代以以来，我我国通过过自行开开发、研研制，总总计开发发生产了了百余种种冶金专专用仪表表，约占占国外已已实用化化仪表的的50%。在控控制系统统方面有有焦炉加加热自控控系统、、高炉信信息调度度系统、、炼钢直直流电弧弧炉控制制系统，，铁合金金炉电极极压放和和上料系统，，全连铸铸生产调调度系统统，板坯坯方坯连连铸自控控系统，，电炉———全连连铸———热送———热扎扎生产线线过程自自控系统统，水平平连铸的的自控系系统，中中板和冷冷热板带带轧机的的液压AGC系统等均均已投产产，使自自动化水水平得到到提高。。人工智能能技术的的普遍应应用促进进了我国国钢铁工工业自动动化的发发展我国国人工智智能技术术虽然起起步与西西方国家家大致相相同，但但速度不不快，在在高炉先先后投入入的人工工智能技技术有宣宣钢300立方方米高炉炉、首钢钢和宝钢钢大型高高炉、石石家庄钢钢铁厂300立立方米高高炉、安安阳300立方方米高炉炉、马马钢250立方方米高炉炉，大都都已验收收或投产产运行，，且取得得明显的的经济效效益。如石家庄庄300立方米米的高炉炉使用了了人工智智能炉况况预报系系统以后后年新增增利税151.6万元元，创利利润57.78万元；；首钢二二高炉采采用了了冶炼专专家系统统以后，，为稳定定高炉操操作，避避免和减减少高炉炉严重失失常确保保高炉强强化，创创直接经经济效益益750万元；；成功地地在宝钢钢实现了了大板坯坯连铸漏漏钢神经经元预报报系统，，它解决决了从日日本引进进的原来来以模型型为基础础的漏钢钢预报系系统运行行不好的的的问题,能较准准确预报报漏钢，，在原材材料方面面也成功功地投入入了宝钢钢原料场场混匀推推积管理理智能化化系统，，效果显显著，匀匀矿质量量大大提提高，作作业干扰扰引起的的BS堆积断料料停机降降低了70%左左右等；；AI技术在重重钢更获获得了大大规模的的成功，，且长期期运行至至今，包包括：4#高炉炉出铁场场除尘风风。模糊糊控制，，投运后后节电73.79%；；4#水泵站站模糊控控制，投投运后节节电57%。数字模型型方面有有高炉炉炉况预报报GO—STOP模型、软软熔带推推断模型型、炉炉热推断断模型、、炉料下下降仿真真模型、、连铸二二次冷却却水控制制模型、、质量判判别模型型、最优优切割模模型，炼炼钢———连铸调调度模型型、焦炉炉加热模模型、均均热炉烧烧钢模型型、冷轧轧设定模模型等等等均已投投入运行行，并取取得一定定的效果果。管理信息息系统的的普遍采采用推动动了我国国钢铁工工业自动动化的发发展我国国重点钢钢铁企业业，特钢钢以及地地方骨干干企业等等大都开开发了不不同层次次的MIS，，由于各企企业规规模和管管理方式式不尽相相同，取取得效果果也不相相同。MIS加快信息息传递，，提高功功效，实实现经营营预测，，发挥挥了辅助助决策功功能，合合理安排排资金，，减少了了流动资资金占用用，促进进了业务务改革，，提高了了管理售售货员素质和管管理水平平，产生生了明显显的经济济效益。。工厂综综合自动动化系统统通过网网络将各各个自动动化孤岛岛（过程程计算机机、管理理计算机机等）有有机地集集成起来来，收集集利用各各种信息息资源，，以适应应复杂多多变的市市场竞争争需求，，进行高高效率、、高效益益、高质质量的生生产和经经营。国国内大多多数冶金金企业仍仍处于发发展过程程自动化化和建设设信息管理系统统阶段，，尚未具具备建成成综合自自动化系系统的基基础条件件，故我我国目前前只能在在全厂自自动化水水平较高高，全面面装备完完善的基基础自动动化、过过程自动动化，且且管理水水平较高高、管理理人员和和自动化化人员具具有较高高的企业业进行实实施。三有有色冶金金工业过过程自动动化的几几个问题题3.1有色金属属工业的的特点及及存在的的主要问问题有色金属属工业是是集地质质、采矿矿、选矿矿、冶炼炼、加工工为一体体的基础础原材料料产业。。改革开开放以来来，我国国有色金金属的产产量取得得了持续续、快速速的发展展。我国十种种常用有有色金属属已连续续四年处处于世界界第二位位，成为为世界有有色金属属生产大大国。目目前，有有色金属属作为国国民经济济和国防防建设的的重要材材料和战战略物质质，已广广泛地应应用于机机械、电电子、化化工、建建筑、交交通、航航空、航航天、军军工等各各个行业业，在国国家建设设和发展展中具有有十分重重要的地地位。有色金属属冶炼过过程是有有色金属属生产的的主要过过程。生生产品种种多、流流程长、、工艺杂杂、环境境恶劣（（高温、、高尘、、高腐蚀蚀性）。。近几年年来，通通过引进进、消化化和吸收收国外先先进技术术，进行行自主研研究与开开发，我我国有色色金属冶冶炼的技技术和装装备水平平得到了了较大的的提高，，主要技术术经济指指标有了了较好的的改善。。然而，，总体水水平与国国外相比比还有较较大的差差距，还还远不属属于有色色金属生生产的强强国。主主要表现现在劳动动生产率率、生产产成本和和能耗高高、环境境污染严严重及矿矿物回收收率低等等方面：：（1）矿产资源源有用矿矿物回收收率低。。据全国3498个矿山山企业统统计，我我国有色色金属矿矿采选选回收率率为50%—60%，，采、选选、冶总总回收率率比国际际水平低低10%—20%；从从采矿到到冶炼的的资源综综合利用用率为30%——35%，仅为为工业发发达国家家的二分分之一左左右。（2）环境境污染严严重。我国重点点有色冶冶炼厂硫硫的利用用率，仅仅有极少少数几个个大型冶冶炼厂接接近或达达到国外外先进水水平，绝绝大多数数硫的利利用率却却只有40—60%。。而国外外冶炼厂厂硫的利利用率普普遍达到到95%以上，，美国肯肯尼科特特公司犹犹他冶炼炼厂的硫硫利用率率达99%以上上。（3）劳动生产产率低。以株冶、、韶冶葫葫芦岛锌锌厂等技技术经济济指标较较好的铅铅锌冶炼炼厂为代代表统计计，按90年不不变的价价格计算算，折合合实物量量：铅约约40——45吨吨/人年年，锌30—35吨/人年，，劳动生生产率仅仅及世界界水平的的1/10。（4）成本和能能耗高。我国每吨吨火法铜铜的成本本在1600美美元左右右，镍6000美元左左右，而而国外先先进工厂厂铜的生生产成本本已降到到1200—1300美元左左右，镍镍4500美元元以下。。再如能能耗，按按单位铅铅锌产品品能耗折折合标准准煤计算算，近年年来铅从从采矿到到电铅为为1.686吨吨，锌从从采矿到到电锌为为3.568吨吨，而世世界1990年年炼锌能能耗平均均仅为1.9吨吨标煤。。另外，在在高纯度度有色金金属的生生产方面面，产品品质量也也不够稳稳定，稳稳定率远远低于世世界先进进水平。。这些差距距对我国国有色金金属工业业产生了了严重的的制约作作用，特特别是在在我国加加入国际际关贸总总协定后后，将严严重威胁胁到我国国有色金金属工业业的生存存与发展展，大大大削弱其参参与国际际市场竞竞争的能能力。造造成这些些差距的的原因是是多方面面的，但但是我国国有色金金属冶炼炼过程控控制技术术落后、、自动化化、信息息化水平平低是主主要原因因之一。。3.2我国有色色金属冶冶炼过程程自动化化存在的的问题有色金属属冶炼过过程是一一个复杂杂的工业业过程，，具有工工艺流程程长、大大滞后、、物理和和化学反反应机理理复杂、、时变、、非线性性、强耦耦合、许许多工艺艺参数难难于实时时准确测测量等特特点。由由于过程程的异常常复杂性性，目前前主要是采用集集散控制制系统，，把复杂杂过程作作为多个个单回路路，对过过程参数数进行单单回路跟跟踪控制制。虽然然我国有有色金属属大中型型骨干企企业的生生产工艺艺技术已已达到或或接近国国外较高高水平，，但是在在过程自自动化控控制技术术应用中中普遍存存在着下下述几个个方面的的问题：：（1）我我国有有色金属属冶炼过过程的操操作条件件相