冶金自动化发展的策略与思考

冶金自动化发展的策略与思考作者简介：郭雨春，首钢自动化信息技术有限公司研究所总工程师，计算机与自动化控制高级工程师，长期从事冶金企业的自动化、信息化工作，主持并参加了多项大型冶金自动化、信息化项目，并获得北京市及冶金系统的科技进步奖，多篇专业学术文章在国内大型专业刊物上发表，并担任中国计算机用户协会常委理事等职务。

其他作者：陈志，首钢自动化信息技术有限公司副总经理兼副总工程师，计算机应用高级工程师。

摘

要：本文结合我国冶金自动化及作者所在单位——首钢的自动化现状，对我国冶金自动化的发展做了客观的评价与探讨，特别对构成自动化核心的数学模型的发展现状及趋势进行了更进一步的研究。

关键词：冶金；自动化；数学模型

Abstract：Inthispaper,weappraiseanddiscusseimpersonallythedevelopmentofthedomesticmetallurgicalautomationcombinedwiththestatusquoofmetallurgicalautomationinourcountryandourcompany——ShouGang.Especiallyweconductfurtherresearchonthedevelopmentandtrendofmathematicalmodelwhichisthecoreofautomation.

Keywords：metallurgy；automation；mathematicalmodel

中国冶金自动化产业伴随着现代化钢铁工业的发展而发展。就首钢而言，从1919年成立至今已经九十年了，前四十年受历史时代的影响，首钢冶金自动化工作几乎没有发展，从1959年算起，水银整流器、直流调速装置等开始应用于钢铁生产，这也标志着首钢自动化应用开始走入人们的视野。

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首钢自动化应用的历史与现状

首钢自动化发展的春天，是从我国改革开发算起，灿烂的改革开发之花，结出了丰硕的经济之果。

1982年首钢率先在全国将自动化技术应用于高炉、烧结及炼钢等主要生产工艺环节。在高炉自动化技术改造中，结合新工艺的采用，实现了高炉上料、喷煤、热风炉和高炉主体的全过程计算机控制，实现了高炉炉内均匀布料，自动化调整风温、自动喷煤等先进的技术目标。可以随时检测高炉冶炼过程和各种工艺参数，各项工艺技术指标创造了历史的最好水平！达到了世界先进水平。在高炉自动化改造的同时利用大修时机，将集散型控制系统成功应用于烧结生产，实现了对3500多个输入输出点的控制。在线800多套设备也全部实现了自动控制，特别值得一提的是将环保系统也实现了计算机控制。使得多年没有解决的设备排尘问题得到了基本解决。排尘量大大低于当时的国家标准。烧结矿一级品率大大提高，取得的经济效益得到了大家的一致公认。在炼钢方面，采用微型机对转炉生产过程进行监测，为加强管理和稳定操作，提供了准确的数据。

多年的努力，一批具有行业特色的自动化产品与技术相继问世，并投入生产，如中子水分子仪，γ闪烁料位计，氧化锆残氧分析仪等，在钢铁生产中都发挥了重要作用。

进入21世纪以来，首钢自动化应用与开发工作再上新台阶，并产生了质的飞跃，所有设计都实现了三级CAD设计，彻底甩掉了图纸，以具有21世纪先进水平的首钢京唐钢铁公司的投产，标志着又迎来了一个首钢自动化应用与开发的春天。目前在首钢冶金自动化已经成为冶金工艺的一个重要组成部分。换句话说，没有自动化就无法炼钢、轧钢，这已经成为首钢冶金工艺一条新的准则与条件。冶金自动化也正是靠着本身的实力与优势，不断提升在生产中的地位与作用。的边界条件限制的，他们把许多条件都理想化，用国外的标准来衡量，而我国国内许多条件都很难满足这些需求。所以出现了“水土不服”的问题，使用效果大打折扣，甚至夭折。

（5）开展高端冶金自动化领域数学模型的自主创新条件基本成熟。我们有着广阔的市场需求，我国的冶金自动化水平已经发展到了一定的水平，一支技术创新的团队已经基本形成，而且，许多冶金企业都有着丰富的实践经验，这些都为开展二级数学模型的自主创新创造了极为有利的条件。

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数学模型是冶金自动化技术的核心

过程控制数学模型是冶金工业自动化与信息化的核心技术，从目前我国冶金工业数学模型的应用与研发方面，无论是从方法论还是从实际应用的角度来看，都有了很大的跨越和进步。同时数学模型应用与研发的水平，也是检验我国冶金企业创新动力的一个重要标志。数学模型是控制对象的表征，是对象可执行的表述，正是由于它与信息技术、自动控制技术、工艺能力的有效结合，发挥了重要的指挥与优化作用，所以我们才把数学模型称之为自动化与信息化的核心技术。

3.1

数学模型的概念

由于数学模型涉及范围较广，大家会从各个角度对数学模型进行描述，尽管版本不同，长短不一，但其内容基本都是在一个范围内，如果把数学模型理解为“对过程要素的数学描述”，既简洁也能说明问题。当然要把这种数学描述用计算机语言准确地表述起来才可以发挥作用。

建立高可用性，高精度的数学模型是我国钢铁工业开发和生产出满足国民经济发展需要的钢材品种。提高产品质量、节约能源、降低成本，从而实现可持续发展，提升核心竞争力的技术基础。

3.2

模型分类

数学模型分类的方式很多，如果依照建模方法来划分，可分为：

（1）机理模型：这类数学模型的建立，首先要对控制对象的物理化学过程进行深入细致的研究和理论探讨，找到影响过程各因素之间的关系，应用数学表达式，图形或算法表示出来。得到数学模型后，再用实际数据进行验证，完善，增加修订内容或确定权重系数，或决定采用分段处理的方式等。

（2）统计控制模型：这类数学模型建模时与工艺理论关系较少，而是通过现场采集到的大量与过程控制因素有关的数据，以自动控制原理和现代数学理论为基础，应用回归方式建立起数学表达式或图形，这是一种随机性模型，当工艺条件（被描述对象）发生重大变化时，则需要进行重大的修正或完善。

（3）人工智能模型：它是一种将上述两种模型进行结合和优化而生成新的模型，它是随着自动控制理论与现代数学理论的发展而出现的一种新的建模方式。这是一种基于规则的模型，其主要的依据是工艺的控制经验和相关的专家知识及理论。

当然，也有按照模型功能划分类别的，如设定模型、控制模型、自适应模型等。

3.3

建模过程

不同行业不同区域的建模过程都有所不同。我们根据首钢的具体实践情况，大致分成以下几个阶段：

（1）建模准备：明确建模的目的，对要控制的对象过程经过分析，搜索必要的信息，特征提取，通过要素分析，对建模方式进行选择，形成实质性的建模框架。

（2）数学描述：根据对象的特征和建模目的，经过相关物理化学定律的应用以及约束条件的确认，抓住问题的本质，做出必要的合理的简化和假设，用数学语言，数学方法表达出所控对象的内在规律，建立包括常量和变量在内的数学模型。

（3）模型调试：通过对数学模型的求解，达到模型的可执行并通过测试。

（4）模型优化：通过对结果进行必要的分析，对模型进行进一步的优化和完善。

（5）模型检验：用实际生产数据，来检验模型的正确性，这样反复进行多次循环，直至最终达到满意的效果。

（6）模型应用：将检验合格的数学模型与现场的控制系统、检测系统以及数据采集系统等相关系统组成一个系统，在现场最终完成线程调试并开始试运行。

3.4

国内数学模型开发与应用

从我国钢铁企业当前的实际情况来看，主要工艺过程都使用了数学模型，如铁前系统就有焦化数学模型、烧结数学模型和高炉数学模型；炼钢系统中如转炉炼钢数学模型、RH真空精炼数学模型，LF炉精炼数学模型以及连铸数学模型等；轧钢工序是应用过程控制数学模型技术最广泛最成熟的领域，如冷热连轧生产线、中厚板生产线，涂镀生产线、热处理系统等，在线生产控制都使用了数学模型。

但在这成绩面前，我们还要看到，内部仍然存在着更深层次的问题。

（1）在过程控制数学模型的应用中，重复引进的现象比较严重，而且对核心技术的封锁也是十分严重的。由于种种原因，我们不能有效地对引进的数学模型进行维护和二次开发，以致出现“水土不服”和不能充分发挥作用等问题。

（2）在我们内部的企业之间互相保密，有些企业认为我们自己花的钱引进的技术，就要作为自己本企业的秘密，而加以保护，以致影响到对引进技术的消化、吸收、再创新工作的进一步开展。这种保密的结果，是替外商保了密，苦了我们自己，帮助外商占领国内市场，我们倒起了一定的作用。

审视整个钢铁工业自动化信息化的发展趋势，过程控制数学模型是钢铁工业自动化信息化最直接最有效的领域，也是最核心的技术，没有或者不掌握这种技术，钢铁工业的自动化信息化就难免流于形式，难以收到理想的效果。

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首钢数学模型的研究与应用的现状

首钢自从上个世纪七十年代以来，就开始了控制系统数学模型的研发与应用工作，研究成果于上个世纪八十年代获得国家科技进步奖。本世纪初，特别是2005年以来，首钢集中了全公司的自动化信息化力量，组建了首钢自动化信息技术有限公司，控制系统数学模型的研发与应用工作又揭开了崭新的一页。

4.1

高炉专家系统的研究与应用

高炉炼铁控制是一项复杂的过程控制系统，炉况顺行是高炉控制的主要目的。目前高炉专家系统多是从保顺行入手开发研究与应用。而首钢就是在总结了国内外高炉专家系统研究与应用的成功经验与失败的教训基础之上，换一个思路，在一般炉况顺行的基础上，从异常炉况判断入手，提出了“提高高炉异常炉况判断准确性就是保高炉顺行”的新思想，通过主动出击，积极防御，针对各种异常炉况的判断与分析，对原有异常炉况处理的经验进行总结、优化，找出其内在规律性，并用新技术手段加以科学再现，保证高炉生产不受波动或少受波动，从而达到保证高炉顺行的目的。

通过人工智能领域的专家系统技术、神经元网络算法、遗传算法等新兴学科技术，将高炉专家知识和经验进行量化，用智能推理技术将量化结果进行综合分析来预报和处理炉况，尤其对异常炉况的征兆进行详细的分析和预报，并提出相应的处理措施。通过神经元网络来预报铁水温度。通过有限差分和遗传算法来构建炉缸侵蚀模型，通过运动轨道方程，应用土坡塌陷及堆积原理来构建炉料分布模型，并采用三段法来分析炉内径向负荷分布，最终通过模型的协同来综合治理高炉，以达到高炉顺行的目的。

图2

高炉专家系统结构图

经过两年的探索、开发与实践，首钢高炉专家系统终于研制成功并应用于高炉生产领域，在原料多变的状态下，通过对异常炉况判断和原料质量模块的开发应用，预报命中率又得到了进一步提升。炉况判断准确全面实时，模型整体的技术性能达到了国际先进水平。

4.2

首钢烧结智能化控制系统

烧结是钢铁生产工艺过程中的一个重要环节，就是将精矿粉与其它粉状原料、回收的冶金工业粉尘，按一定比例混合，并烧制成块状的原料，供高炉生产使用。

首钢烧结智能化控制系统是首钢自动化信息技术公司自行设计，开发完成的具有完全自主知识产权的控制模型软件，该系统从配料开始到烧结全过程，针对各个关键控制点建立模型，并有机的组成一个整体，进行智能控制，整个模型智能化控制系统包括了优化配料模型、动态配料模型、成分预报模型、点火模型、燃料模型、BTP（烧结终点）控制模型、BTP偏差控制模型等数10个子模型，实现了首钢烧结生产智能化控制，达到了节能降耗，绿色生产、提高产品与质量等新的目标，各项技术经济指标也在上一个新台阶。

其中BRP（温度上升点）斜率判断法，利用燃烧速度一致性指数改善布料，消除终点偏差等技术内容，都是首次提出并应用于生产实际。使用效果良好，达到国内领先水平。

4.3

首钢高品质钢一体化冶炼智能化集成系统

首钢高品质钢一体化冶炼智能化集成系统是首钢自动化信息技术公司经过多年研究，全部自行设计，自主开发完成的具有完全自主知识产权的转炉炼钢冶炼自动化模型软件。

这套系统是以动静态冶炼模型为核心，以冶炼全过程（包括精炼）科学管理为基础，以数据挖掘技术为支撑的现代化转炉冶炼全过程的自动控制技术。系统开发了自动化炼钢静态模型和动态模型，部分功能可以根据现场实际进行定制设计开发。

这套模型结合机理模型和统计模型的特点，是通过主进程模型协调各分数学模型计算进程的开始和结束，将烟气分析与副枪技术有效地结合在一起，并将转炉炼钢与RH炉精炼、LF炉的自动控制与判断做为一个系统中的三个要素有机地进行统一分析，判断及处理，实现了协同职能化炼钢。特别是对钢水、炉渣和合金为研究体系，利用机理模型分析影响钢水温度的主要因素，在此基础上，通过数据挖掘，基于热平衡理论建立温度预报模型，利用质量守恒定律和线性规划方法，建立成分预报模型和控制模型，充分利用转炉、LF炉冶炼工艺操作的经验，优化工艺参数，提高钢水温度和成分预报的准确性。该系统同时还具有强大的自学习功能，进一步提高了系统的稳定性和使用效果。系统稳定运行率超过99?8%，钢水终点温度和成分预报命中率双双达到90%以上。以年产量500万吨钢设计，使用该系统创造的经济效益要比未使用前高达1400万元，整体达到了国内领先水平。

5

过程控制数学模型的未来发展

过程控制数学模型在国内钢铁行业的应用与发展，目前还刚刚起步，方兴未艾，随着需求的发展，未来的数学模型还有着极大的发展空间。从现在起，形成社会的关注，这对数学模型的未来发展，是会起到一定的积极作用的。

5.1

继续做好过程控制数学模型的应用工作

我国冶金行业数学模型的应用还不算十分广泛，在轧钢方面应用的较好，但其他工艺环节相对薄弱，所以，要充分利用现有的自动化资源，做好数学模型的应用工作。

（1）打破数学模型的神秘感。相信自己的力量，鼓足自己的信心，不等不靠，模型应用从低级向高级逐步发展，不断积累技术，不断培养人才，踏下心来，抓上几个项目，就一定能搞出名堂来，收到明显的经济效益与社会效益。

（2）选准数学模型应用的切入点，万事开头难，也最招人瞩目，所以，根据本单位的实际情况，选准自己模型应用的切入点，至关重要。

（3）不要怕失败。企业搞研发，由于资金投入的主体是企业自己，所以对投资回报比较关注，这也就客观造成了科研开发工作只许成功，不许失败的尴尬境界。所以，在数学模型应用过程中，要允许失败，不要怕失败，解除束缚科技人员发展的条件限制，才能激发科技人员更大的工作热情。

（4）积极开展对外合作。通过对外合作交流，扩大视野，可以缩短数学模型应用开发的时间，培养出自己的队伍。特别是和兄弟企业的合作交流，和科研院所的合作交流，效果会更明显。

5.2

开发自主的数学模型研发平台和相关技术

以数学模型开发平台为原创型技术开发的突破口，对现有的二级数学模型的开发模式进行新的变革与调整，将现有的手工开发模式，改造成自动化工厂式开发生产。即将现有命题式开发的组织方式改造成“系统架构→模型设计→算法设计